定向耦合器的原理与应用

定向耦合器是射频电路设计中常用的一种射频无源器件，它将线路中传输的射频功率耦合到另一个线路里。定向耦合器的基本特征是它只将信号耦合到指定的方向。

本篇文章主要参考维基百科和一篇《定向耦合器原理与应用》的文章。

1. 概述

定向耦合器是一种四端口网络：

定向耦合器是无源和可逆网络。理论上，定向耦合器是无耗电路，而且其各个端口均应是匹配的。图1（b）定义了定向耦合器各端口的属性。当信号从端口1输入时，大部分信号从端口2直通输出，其中一小部分信号从端口3耦合出来，端口4通常接一个匹配负载。如果要将定向耦合器反过来使用，则端口1和2，端口3和4的属性要互换定义。定向耦合器可以由同轴，波导，微带和带状线电路构成。通常，定向耦合器用于信号取样以进行测量和监测，信号分配及合成；此外，作为网络分析仪，天线分析仪和通过式功率计[1]等测试仪器的核心部件，定向耦合器所起的作用是正向和反射信号的取样。定向耦合器的方向性是一项至关重要的指标，尤其是作为信号合成和反射测量应用时。

2. 定向耦合器的指标

如图1（b）所示，在理想情况下，当信号功率从端口1输入时，输出功率只应出现在端口2和端口3，而端口4是完全隔离的，没有功率输出。但是在实际情况下，总有一些功率会泄漏到端口4。设端口1的输入功率为P1，端口2，3和4的输出功率分别为P2，P3和P4，则定向耦合器的特性可以由耦合度，插入损耗，隔离度和方向性等四项指标来表征，单位均为dB。请注意在以下的描述中，所有的指标均表示为正数，而在实际应用中，则是用负数来进行各种计算的。

耦合度：

耦合度表示从端口1输入的功率和被耦合到端口3部分的比值，表示为：
耦合度(C) = 10×log(P1 /P3)

插入损耗：

插入损耗表示从端口1到端口2的能量损耗，表示为：

插入损耗(IL)= 10×log(P1 /P2)

请注意端口1的输入功率有一部分功率是被耦合到端口3的，所以应导入一个“耦合损耗”的概念，下表表示了在各种耦合度下的耦合损耗值：

通常所说的从端口1到端口2的插入损耗是传输损耗和耦合损耗之和。在定向耦合器的产品说明中通常会对此加以特别说明。当定向耦合器用于测试和测量时，选取的耦合度比较小，如20dB或30dB甚至更小；而作为功率合成系统或者信号分配系统应用时，则会采用比较大的耦合度，如3dB，5dB和7dB等。

隔离度：

前面提到，在理想的定向耦合器中，端口4是没有功率输出的，而实际上总会有一些功率从这个端口泄漏出来，这就是隔离度的指标，表示为：

隔离度(I) = 10×log(P1 /P4)

方向性：

端口3的输出功率和端口4输出功率之间的比值定义为方向性，表示为：

方向性(D) = 10×log(P3 /P4)

需要特别说明的是耦合度，隔离度和方向性之间的关系为：
方向性(D)=隔离度(I) -耦合度(C)

耦合度是一项设计指标，是根据使用要求而选定的，通常为6、10、20和30dB，这样隔离度指标也随之而变化；而方向性则是一个常数。在大部分定向耦合器的指标中，通常只标出方向性指标，隔离度指标可以根据耦合度计算出来。如：

耦合度(C) = 30dB，

方向性(D) = 25dB，

则隔离度(I) = 30 + 25 = 55dB

3 几种常见的耦合器

3.1 平行线耦合器

3.2 分支线耦合器

3.3 波导定向耦合器

3.4 Lange 耦合器

4 定向耦合器的应用

无论是测试和测量应用还是系统内部应用，定向耦合器都是一种应用极为广泛的微波器件，以下举例说明。

4.1 定向耦合器用于功率合成系统 ：
在多载频合成系统中，通常会用到3dB的定向耦合器（俗称3dB电桥），如图2。

图2的电路常见于互调测量系统和多载频的室内分布系统中。在这些应用中，要求定向耦合器有很高的方向性（隔离度）以避免信号源之间产生额外的互调分量，为了提高隔离度，也可以外加一些器件如滤波器或铁氧体隔离器来改善。图示3dB定向耦合器（P/N 753345）的频率范围为800-2170MHz，方向性高达30dB，换算成隔离度为33dB。

4.2 用于信号取样和监测：

发射机的在线测量和监测可能是定向耦合器最为广泛的应用之一。

图3是一个蜂窝基站的典型测量应用，如果发射机的输出功率为43dBm（20W），定向耦合器的耦合度为30dB，插入损耗（线路损耗加耦合损耗）为0.15dB，则耦合端有13dBm（20mW）的信号送到基站测试仪，定向耦合器的直通输出为42.85dBm（19.3W），而泄漏到隔离端的功率则被一个负载吸收掉了

4.3 用于功率和VSWR测量（反射功率计）：

作为通过式功率计的核心器件，定向耦合器可用于正向和反射功率的取样，见图4。

其中端口3用于检测正向功率，端口4用于检测反射功率。请注意在这种应用场合，定向耦合器的方向性（隔离度）指标对测试精度至关重要，尤其是反射功率的测试精度。假设发射机的输出功率为50dBm（100W），被测负载的驻波比为1.5（反射功率为4W），定向耦合器的耦合度为30dB。假如隔离度为无穷大，则在端口4测到的功率即为反射功率（4mW）。但由于隔离度不可能为无穷大，出现在端口4的除了真正的反射功率以外，还有一部分从端口1泄漏过来的功率，这二部分功率矢量叠加后，功率计认为这些都是反射功率，从而导致了测试误差。

审核编辑：汤梓红