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射频工程师必学:如何设计定向耦合器电路?(一)
- 2021-03-13-

  在诸如汽车雷达,5G蜂窝和物联网之类的射频(RF)应用中,电子系统对射频源的使用正在日益增加。所有这些RF源都需要尝试监视和控制RF功率电平,而不会造成传输线和负载的损失。另外,某些应用需要大功率发射机输出,因此设计人员需要尝试监视输出信号,而不是直接连接敏感仪器,以避免因高信号电平而造成损坏。

  还有其他许多挑战:如何确定宽频率范围内的射频负载(例如天线)的特性;发射机处于广播状态时如何监视负载变化和驻波比,以防止高反射功率和放大器损坏等。

  仅通过将定向耦合器连接到传输线,即可轻松解决这些要求和挑战。此方法可以准确地监视线路中的RF能量流,同时将功率水平降低已知的固定量。在采样过程中,定向耦合器对干线信号的干扰最小。此外,可以将前向和反射功率分开,从而可以监控回波损耗或驻波比,从而在广播期间提供负载变化反馈。

  本文讨论了定向耦合器的操作,并介绍了Anaren,M / A-Com和ADI公司的三种拓扑结构和相关产品。然后,本文详细介绍了典型的产品功能,并演示了有效的使用方法。

  什么是定向耦合器?

  定向耦合器是一种测量设备,可以连接到RF源和负载之间的传输线,例如信号发生器,矢量网络分析仪和发射机,以测量从RF源到负载的RF功率(前向分量)。并且功率从负载反射回射频源(反射组件)。如果测量了前向和反射分量,则可以计算总功率,负载的回波损耗和驻波比。

  定向耦合器的四端口电路可以配置为三端或四端设备(图1)。

  

 三端口(左)和四端口定向耦合器(右)的示意图。 (图片来源:Digi-Key Electronics)

  通常,电源连接到耦合器的输入端口,而负载连接到输出或传输端口。耦合端口的输出是衰减的正向信号。衰减值显示在三端口设备的示意图中。在三端口设备中,隔离端口在内部端接。在四端口设备中,端口输出与反射信号成比例。原理图中的箭头指示组件路径。例如,在四端口配置中,输入端口指向耦合端口,表示它接收了前向分量,而输出端口则连接到隔离端口,该隔离端口用于读取反射信号。端口号不是标准的,并且因制造商而异。但是,每个供应商的端口命名是相对统一的。

  耦合器是一个对称设备,每个端口的连接是可互换的。对于三端口设备,反转输入和输出端口将使端口3成为隔离端口。在四端口设备中,反转输入和输出端口将互换耦合端口和隔离端口。

  耦合器的输出是射频信号。耦合和隔离端口的输出通常连接到峰值或RMS检测器,该检测器产生与正向和反射功率电平有关的基带信号。定向耦合器和相关检测器的组合构成反射计。

  在某些情况下,两个定向耦合器背对背连接以形成双向定向耦合器,以最大程度地减小耦合端口和隔离端口之间的泄漏。

  定向耦合器规格

  定向耦合器具有几个关键特性,包括带宽,额定输入功率,插入损耗,频率平坦度,耦合系数,方向性,隔离度和残余电压驻波比(VSWR)。

  带宽:耦合器的带宽代表频率范围,以赫兹为单位。在此频率范围内,耦合器可以在规格范围内工作。

  额定输入功率:对于连续波(CW)和脉冲输入信号,耦合器具有以瓦特为单位的最大额定输入功率。该值表示设备在不降低性能或造成物理损坏的情况下可以处理的最大功率。

  插入损耗:用于描述由设备连接到主传输路径引起的功率损耗,以分贝(dB)为单位。

  频率平坦度:频率平坦度是指设备特定带宽内主传输路径的幅度响应变化。该值是输入信号的频率变化的函数,以dB为单位。

  耦合系数:耦合系数是指当耦合器的所有端口正确端接时,耦合端口的输入功率与输出功率之比,以dB为单位。这是定向耦合器的主要特征之一。耦合端口的输出与直接路径的功率水平成正比(从输入到输出),并且比例系数是一个已知值。耦合端口输出可以连接到其他仪器,例如示波器,而不会造成仪器过载的风险。

  隔离度:当所有端口正确端接时,输入端口与隔离端口的功率比,以dB为单位。

  方向性:正确端接所有端口后,耦合端口与隔离端口的功率比(以dB为单位)。

  对于三端口耦合器,通常执行两次功率测量:一个在正常的正端接下执行,另一个在输入和输出端口反向连接的条件下执行。该规范用于测量前向和反射组件的分离程度;通常,方向性越大,耦合器的性能越好。方向性不能直接测量,只能通过隔离和反向隔离的测量值来计算。

  残余VSWR:当耦合器的所有端口正确端接时测得的驻波比。该值用于测量耦合器的固有阻抗匹配。


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