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定向耦合器是射頻電路設(shè)計(jì)中常用的一種射頻無源器件，它將線路中傳輸?shù)纳漕l功率耦合到另一個(gè)線路里。定向耦合器的基本特征是它只將信號耦合到指定的方向。
今天我們一起來回顧一下定向耦合器的基礎(chǔ)知識。
1. 概述
定向耦合器是一種四端口網(wǎng)絡(luò)：
定向耦合器是無源和可逆網(wǎng)絡(luò)。理論上，定向耦合器是無耗電路，而且其各個(gè)端口均應(yīng)是匹配的。圖1（b）定義了定向耦合器各端口的屬性。當(dāng)信號從端口1輸入時(shí)，大部分信號從端口2直通輸出，其中一小部分信號從端口3耦合出來，端口4通常接一個(gè)匹配負(fù)載。如果要將定向耦合器反過來使用，則端口1和2，端口3和4的屬性要互換定義。定向耦合器可以由同軸，波導(dǎo)，微帶和帶狀線電路構(gòu)成。通常，定向耦合器用于信號取樣以進(jìn)行測量和監(jiān)測，信號分配及合成；此外，作為網(wǎng)絡(luò)分析儀，天線分析儀和通過式功率計(jì)[1]等測試儀器的核心部件，定向耦合器所起的作用是正向和反射信號的取樣。定向耦合器的方向性是一項(xiàng)至關(guān)重要的指標(biāo)，尤其是作為信號合成和反射測量應(yīng)用時(shí)。
2. 定向耦合器的指標(biāo)
如圖1（b）所示，在理想情況下，當(dāng)信號功率從端口1輸入時(shí)，輸出功率只應(yīng)出現(xiàn)在端口2和端口3，而端口4是完全隔離的，沒有功率輸出。但是在實(shí)際情況下，總有一些功率會泄漏到端口4。設(shè)端口1的輸入功率為P1，端口2，3和4的輸出功率分別為P2，P3和P4，則定向耦合器的特性可以由耦合度，插入損耗，隔離度和方向性等四項(xiàng)指標(biāo)來表征，單位均為dB。請注意在以下的描述中，所有的指標(biāo)均表示為正數(shù)，而在實(shí)際應(yīng)用中，則是用負(fù)數(shù)來進(jìn)行各種計(jì)算的。耦合度：耦合度表示從端口1輸入的功率和被耦合到端口3部分的比值，表示為：
耦合度(C) = 10×log(P1 /P3)
插入損耗：插入損耗表示從端口1到端口2的能量損耗，表示為：
插入損耗(IL)= 10×log(P1 /P2)
請注意端口1的輸入功率有一部分功率是被耦合到端口3的，所以應(yīng)導(dǎo)入一個(gè)“耦合損耗”的概念，下表表示了在各種耦合度下的耦合損耗值：
通常所說的從端口1到端口2的插入損耗是傳輸損耗和耦合損耗之和。在定向耦合器的產(chǎn)品說明中通常會對此加以特別說明。當(dāng)定向耦合器用于測試和測量時(shí)，選取的耦合度比較小，如20dB或30dB甚至更小；而作為功率合成系統(tǒng)或者信號分配系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，則會采用比較大的耦合度，如3dB，5dB和7dB等。
隔離度：前面提到，在理想的定向耦合器中，端口4是沒有功率輸出的，而實(shí)際上總會有一些功率從這個(gè)端口泄漏出來，這就是隔離度的指標(biāo)，表示為：
隔離度(I) = 10×log(P1 /P4)
方向性：端口3的輸出功率和端口4輸出功率之間的比值定義為方向性，表示為：
方向性(D) = 10×log(P3 /P4)
需要特別說明的是耦合度，隔離度和方向性之間的關(guān)系為：
方向性(D)=隔離度(I) -耦合度(C)
耦合度是一項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，是根據(jù)使用要求而選定的，通常為6、10、20和30dB，這樣隔離度指標(biāo)也隨之而變化；而方向性則是一個(gè)常數(shù)。在大部分定向耦合器的指標(biāo)中，通常只標(biāo)出方向性指標(biāo)，隔離度指標(biāo)可以根據(jù)耦合度計(jì)算出來。如：
耦合度(C) = 30dB，
方向性(D) = 25dB，
則隔離度(I) = 30 + 25 = 55dB
3 幾種常見的耦合器
3.1 平行線耦合器
3.2 分支線耦合器
3.3 波導(dǎo)定向耦合器
3.4 Lange 耦合器
4 定向耦合器的應(yīng)用
無論是測試和測量應(yīng)用還是系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)用，定向耦合器都是一種應(yīng)用極為廣泛的微波器件，以下舉例說明。
4.1 定向耦合器用于功率合成系統(tǒng)：
在多載頻合成系統(tǒng)中，通常會用到3dB的定向耦合器（俗稱3dB電橋），如圖2。
圖2的電路常見于互調(diào)測量系統(tǒng)和多載頻的室內(nèi)分布系統(tǒng)中。在這些應(yīng)用中，要求定向耦合器有很高的方向性（隔離度）以避免信號源之間產(chǎn)生額外的互調(diào)分量，為了提高隔離度，也可以外加一些器件如濾波器或鐵氧體隔離器來改善。圖示3dB定向耦合器（P/N 753345）的頻率范圍為800-2170MHz，方向性高達(dá)30dB，換算成隔離度為33dB。
4.2 用于信號取樣和監(jiān)測：
發(fā)射機(jī)的在線測量和監(jiān)測可能是定向耦合器最為廣泛的應(yīng)用之一。
圖3是一個(gè)蜂窩基站的典型測量應(yīng)用，如果發(fā)射機(jī)的輸出功率為43dBm（20W），定向耦合器的耦合度為30dB，插入損耗（線路損耗加耦合損耗）為0.15dB，則耦合端有13dBm（20mW）的信號送到基站測試儀，定向耦合器的直通輸出為42.85dBm（19.3W），而泄漏到隔離端的功率則被一個(gè)負(fù)載吸收掉了
4.3 用于功率和VSWR測量（反射功率計(jì)）：
作為通過式功率計(jì)的核心器件，定向耦合器可用于正向和反射功率的取樣，見圖4。
其中端口3用于檢測正向功率，端口4用于檢測反射功率。請注意在這種應(yīng)用場合，定向耦合器的方向性（隔離度）指標(biāo)對測試精度至關(guān)重要，尤其是反射功率的測試精度。假設(shè)發(fā)射機(jī)的輸出功率為50dBm（100W），被測負(fù)載的駐波比為1.5（反射功率為4W），定向耦合器的耦合度為30dB。假如隔離度為無窮大，則在端口4測到的功率即為反射功率（4mW）。但由于隔離度不可能為無窮大，出現(xiàn)在端口4的除了真正的反射功率以外，還有一部分從端口1泄漏過來的功率，這二部分功率矢量疊加后，功率計(jì)認(rèn)為這些都是反射功率，從而導(dǎo)致了測試誤差。
