汽車雷達、5G 蜂窩、物聯網等射頻 (RF) 應用中，電子系統對射頻源的使用量與日俱增。所有這些射頻源都需要設法監測和控制射頻功率水平，同時又不能造成傳輸線和負載的損耗。此外，某些應用需要大功率發射器輸出，因此設計人員需要設法監測輸出信號，而非直接連接敏感儀器，以免受高信號電平影響導致損壞。
另外還有諸多其他挑戰：在較寬的頻率範圍內如何確定射頻負載(如天線)的特性;在發射器處於廣播狀態時如何監測負載變化和駐波比，以防止大反射功率和放大器損壞等。
只需將定向耦合器接入傳輸線，這些要求和挑戰便可迎刃而解。此方法可精確監測線路中的射頻能量流，同時將功率水平降低已知的固定量。在採樣過程中，定向耦合器對主線信號的幹擾極小。此外，還能分離正向和反射功率，允許監測回波損耗或駐波比，從而在廣播時提供負載變化反饋。
本文討論了定向耦合器的操作，介紹了三種拓撲及 Anaren、M/A-Com 和 Analog Devices 推出的相關產品。然後，本文詳細介紹了典型的產品特徵，並展示了有效的使用方法。
什麼是定向耦合器?
定向耦合器是一種測量設備，可接入信號發生器、矢量網絡分析儀和發射器等射頻源與負載之間的傳輸線，用於測量從射頻源到負載的射頻功率(正向分量)，以及從負載反射回射頻源的功率(反射分量)。若測得正向和反射分量，即可計算總功率、負載的回波損耗和駐波比。
三埠(左)和四埠定向耦合器(右)的原理圖符號。(圖片來源：Digi-Key Electronics)通常情況下，電源連接耦合器的輸入埠，負載則連接輸出或傳輸埠。耦合埠輸出是衰減後的正向信號。衰減值如三埠設備原理圖中所示。在三埠設備中，隔離埠已在內部端接;而在四埠設備中，該埠輸出與反射信號成正比。原理圖符號內的箭頭表示分量路徑。例如，在四埠配置中，輸入埠指向耦合埠，表明它接收了正向分量，而輸出埠連接隔離埠，後者用於讀取反射信號。埠號並未標準化，因製造商不同而有所差異。不過，各個供應商的埠命名相對統一。
耦合器是對稱設備，各埠連接可互換。對於三埠設備，反接輸入和輸出埠會使埠 3 成為隔離埠。在四埠設備中，反接輸入和輸出埠會使耦合和隔離埠互換。
耦合器的輸出為射頻信號。耦合和隔離埠的輸出通常連接峰值或 RMS 檢測器，後者可產生與正向和反射功率電平相關的基帶信號。定向耦合器與相關檢測器組合構成反射計。
在某些情況下，兩個定向耦合器背靠背連接可形成雙定向耦合器，以便最大程度地減少耦合埠和隔離埠之間的洩漏。
定向耦合器規格
定向耦合器具有幾個關鍵特性，包括帶寬、額定輸入功率、插入損耗、頻率平坦度、耦合係數、方向性、隔離度和殘餘電壓駐波比 (VSWR)。
帶寬：耦合器的帶寬表示頻率範圍，以赫茲為單位。在該頻率範圍內，耦合器可在規格範圍內工作。
額定輸入功率：對於連續波 (CW) 和脈衝輸入信號，耦合器具有最大額定輸入功率，以瓦特為單位。該值表示在不降低性能或造成物理損壞的情況下，設備可處理的最大功率。
插入損耗：用於描述設備接入主傳輸路徑而引起的功率損耗，以分貝 (dB) 為單位。
頻率平坦度：頻率平坦度指在設備特定帶寬內主傳輸路徑的幅值響應變化，該值是輸入信號頻率變化的函數，以 dB 為單位。
耦合係數：耦合係數是指耦合器所有埠正確端接時，輸入功率與耦合埠輸出功率的比值，以 dB 為單位。這是定向耦合器的主要特性之一。耦合埠的輸出與直通路徑(從輸入到輸出)的功率水平成正比，比例係數為已知值。耦合埠輸出可連接示波器等其他儀器，而不存在儀器過載的危險。
隔離度：所有埠正確端接時，輸入埠與隔離埠的功率比值，以 dB 為單位。
方向性：所有埠正確端接時，耦合埠與隔離埠的功率比值，以 dB 為單位。對於三埠耦合器，通常進行兩次功率測量：一次在正常正向端接情況下進行，另一次則在輸入和輸出埠反接的情況下進行。該規格用于衡量正向和反射分量的分離程度;通常，方向性越大，耦合器的性能越好。方向性不能直接測量，只能通過隔離度和反接隔離度的測量值來計算。
殘餘 VSWR：耦合器所有埠正確端接時測得的駐波比。該值用于衡量耦合器的固有阻抗匹配。
定向耦合器拓撲
定向耦合器設計可通過若干方式實現，其中三種最常見的拓撲分別是射頻變壓器、電阻橋和耦合傳輸線。基於射頻變壓器的拓撲使用兩臺射頻變壓器(圖 2)。其中，變壓器 T1 用於檢測輸入和負載之間的主線電流。另一變壓器 T2 用於檢測主線的對地電壓。耦合係數取決於變壓器匝數比 N。
基於射頻變壓器的定向耦合器拓撲使用兩臺射頻變壓器來檢測主線上的正向和反射分量。(圖片來源：Digi-Key Electronics)通過結合耦合線上每臺變壓器的感應電壓，再將結果相加，即可對這類定向耦合器進行理論操作分析(圖 3)。Vin 是正向電壓，VL 是反射電壓。
圖 3：通過分析耦合線上兩臺變壓器的電壓，對基於變壓器的耦合器進行分析。(圖片來源：Digi-Key Electronics)上圖中，為了計算耦合線上的耦合埠電壓 (VF') 和隔離埠電壓 (VR')，接入電流檢測變壓器，但移除了電壓檢測變壓器。同樣，下圖中移除了電流檢測變壓器，在埠接入電壓檢測變壓器，即可計算 VF" 和 VR"。耦合埠電壓 VF 可通過 VF' 與 VF" 相加求得：
隔離埠電壓等於反射電壓除以變壓器匝數比的負數。負號表示反射電壓與正向電壓 180° 異相。
這類定向耦合器在較寬的頻率範圍內性能良好，例如 M/A-Com 的 MACP-011045 帶寬範圍為 5 至 1225 MHz。這款基於變壓器的耦合器耦合係數為 23 dB，額定功率為 10 W。隔離度取決於頻率，頻率範圍從 30 MHz 以下至 1 GHz 以上時，對應的隔離度範圍為 45 dB 至 27 dB。該設備採用表面貼裝封裝，尺寸為 6.35 mm x 7.11 mm x 4.1 mm，因此可兼容大多數無線應用。
基於耦合傳輸線的耦合器由同軸電纜或印刷電路傳輸線構成。該機制將兩條或多條傳輸線(長度通常為波長的 1/4)緊密排列，從而使少量受控的信號功率從主線洩漏到一條或多條耦合線
使用耦合傳輸線的雙定向耦合器示例。傳輸線長度通常為設計頻帶中心波長的 1/4。(圖片來源：Digi-Key Electronics)輸入連接埠 1，大部分功率傳輸至連接埠 2 的負載。少量功率耦合到連接埠 3 和 4 的輔線。埠 3 是耦合埠。該埠的功率水平佔輸入功率的百分比值固定。耦合係數可用於描述耦合埠功率，取決於耦合線的幾何排布。反射功率耦合到埠 4(隔離埠)。
Anaren 的 11302-20 是典型的耦合傳輸線定向耦合器，頻率範圍為 190 至 400 MHz，可處理功率高達 100 W。該設備的標稱耦合係數為 20 dB，插入損耗為 0.3 dB。封裝採用表面貼裝形式，尺寸為 16.51 x 12.19 x 3.58 mm，可用於監測中等功率發射器的功率水平和 VSWR 測量。這類耦合器的尺寸與頻率範圍有關，工作頻率越低，長度越長。因此，常用於 UHF 和高頻應用，對應的設備尺寸較小。
最後一種定向耦合器拓撲是定向橋，電路與經典的惠斯通電橋有關。Analog Devices 的 ADL5920 RMS 和 VSWR 檢測器採用了該拓撲(圖 5)。
Analog Devices 的 ADL5920 RMS 和 VSWR 檢測器所用的雙向電橋簡化原理圖。在所有埠正確端接的情況下，分析得出方向性為 33 dB，計算如圖所示)ADL5920 使用電阻橋來分離傳輸線上的正向和反射電壓。如圖所示，在所有埠正確端接的情況下，可計算出低頻設備的理論方向性。求得的方向性為 33 dB。電橋中，VREV 和 VFWD 輸出信號傳輸至 RMS 級聯檢測器(動態範圍為 60 dB)。檢測器輸出可線性讀取，以 dB 為單位。由正向輸出和反射輸出之差得出的第三輸出電壓與回波損耗成正比，以 dB 為單位。基於電橋的耦合器頻率範圍為 9 kHz 至 7 GHz，匹配負載為 50 ? 時，額定功率為 33 dBm (2 W)。頻率範圍為 10 MHz 至 7 GHz 時，對應的插入損耗範圍為 0.9 dB 至 2 dB。該設備採用 5 x 5 mm 表面貼裝封裝，厚度為 0.75 mm。
Analog Devices 針對 ADL5920 推出了 ADL5920-EVALZ 評估板。這款配置齊全的評估板需要連接 5 V、200 mA 電源。輸入、輸出以及主要輸出均通過 2.92 mm 連接器連接。以下原理圖顯示了 ADL5920 所需的典型連接(圖 6)。該評估板是輕鬆試用 ADL5920 的理想工具。
ADL5920-EALZ 評估板原理圖顯示了 Analog Devices 的 ADL5920 雙向 RMS 和 VSWR 檢測器所需的典型連接。(圖片來源：Analog Devices)以電阻橋實現的定向耦合器提供的頻率範圍最寬，基本接近直流 (DC)。基於變壓器和傳輸線的耦合器帶寬限制較多，但額定功率更大。
上述設備中任何一類都可提取輸入功率樣本以用於信號監控電路。藉助示波器或頻譜分析儀等傳統儀器來測量所得樣本，即可確定功率水平、頻率和調製度。數據也可以整合到反饋迴路，從而調整輸出以保持在所需範圍內。
負載狀態可由電壓駐波比 (VSWR) 表示。使用耦合埠和隔離埠的輸出(即正向電壓和反射電壓)，即可計算輸出埠的負載 VSWR。
總結
對於射頻系統設計人員而言，定向耦合器是相當有用的測量設備。它不僅可提供射頻功率電平的幅值比例視圖，還可分離正向和反射信號分量，有助於負載特性分析。如上所述，目前共有三種常用耦合器拓撲可提供這些輸出，不僅封裝小巧，而且兼容無線設備。
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