定向耦合器是什么?关于定向耦合器的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:28:03

定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合(分配)元件。它是一种四端口元件,通常由称为直通线(主线)和耦合线(副线)的两段传输线组合而成。直通线和耦合线之间通过一定的耦合机制(例如缝隙、孔、耦合线段等)把直通线功率的一部分(或全部)耦合到耦合线中,并且要求功率在耦合线中只传向某一输出端口,另一端口则无功率输出。

如果直通线中波的传播方向变为与原来的方向相反,则耦合线中功率的输出端口与无功率输出的端口也会随之改变,也就是说,功率的耦合(分配)是有方向的,因此称为定向耦合器(方向性耦合器)。

定向耦合器作为许多微波电路的重要组成部分被广泛应用于现代电子系统之中。它可以被用来为温度补偿和幅度控制电路提供采样功率,可以在很宽的频率范围完成功率分配与合成;在平衡放大器中,它有助于获得良好的输入输出电压驻波比(VSWR);在平衡混合器和微波设备(例如,网络分析仪)中,它可以被用来采样入射和反射信号;在移动通信中,使用90°电桥耦合器可以确定π/4移相键控(QPSK)发射机的相位误差。

研究和发展现状

近年来,为迎合微波无线通信系统等领域发展和研究需求,多频耦合器的研究设计工作在国内外得以广泛开展。一方面,大量学者不断改进传统耦合器的设计方式和基本结构,以实现性能指标的新突破;另一方面,还有大量学者大胆提出了更多独具匠心的新型结构,为设计和实现新型多频耦合器开拓了新的途径。

随着多频特性在当代无线通信等相关技术研究方向的深入探讨与应用,多频无源微波电路、元器件的研究设计表现出巨大的应用价值和研究意义。虽然多频耦合器的概念提出时间并不算长,但其研究工作展开的极其迅速。早期的多频耦合器以双频为主,并且大多采用集总元件的形式,导致各项技术指标难以满足实际应用的要求,并且在高频处会发生寄生效应,使得电路整体性能降低,这在一定程度上也限制了多频耦合器的实现及应用。

伴随着近年无线领域研究工作的广泛展开,双频耦合器在满足特定指标要求的前提下,逐渐具备了更多崭新的特性,例如小尺寸、宽频带、谐波抑制等。不少学者也针对这些方面展开了一定的研究,例如采用加载电磁带隙(EBG)结构或缺陷地结构(DGS)实现小型化、采用小型化级联结构实现宽带化、采用阶梯阻抗谐振器(SIR)结构实现谐波抑制等。

但传统耦合线结构易受加工精度限制,因此,如何保证其加工的准确性成为当前迫切需要解决的问题之一。在双频耦合器的基础上,多频耦合器的研究工作也逐渐展开,尽管在此基础上取得了一定的成果,但研究成果并不成熟,性能及结构也尚未达到预期要求,具有很大的改善空间。针对该方向的研究也将成为今后耦合器设计的重心之一。

工作原理

定向耦合器是一个四端口网络,如图所示。他是由两条平行的传输线组成。当信号从1端口输入的时候,一部分能量直接由1-2这一根传输线直接传到2端口,2端口即被称为直通端。由于两根传输线之间存在一定的耦合,还有一部分能量就会耦合到3-4这根传输线去,从3端口或者4端口输出,若能量从3端口输出,此时副线上的能量传输的方向就与主线上的能量传输方向相反,称之为“反向定向耦合器”,同理,当从4端口输出的时候,称之为“同向定向耦合器”。当两条线的结构尺寸满足一定条件时,反向定向耦合器的3端口和同向定向耦合器的4端口就没有能量的输出,称之为隔离端。

技术指标

定向耦合器的主要性能指标有耦合度(过渡衰减)C、方向性D(或者隔离度I)、输入电压驻波比VSWR和工作带宽等。按照图2-1的端口来做详述,信号由1端口输入,输入功率为P1;2端口为直通端,输出的功率为P2;3端口为耦合端,输出功率为P3;4端口为隔离端,在理想状况下是没有能量输出的,但是实际上还是有一小部分的能量不可避免的耦合到该端口,设其输出功率为P4。

耦合度C

定义为1端口的输入功率P1与耦合端的输出功率P3之比的分贝数称之为耦合度,表达式为:

C的大小表示耦合度的强弱,C越小表示耦合越强。

一般情况,我们将C<10dB的称为强耦合,10dB<C<20dB称为中等强度耦合,20dB<C<30dB称为弱耦合。

方向性D

定义为耦合端3端口和隔离端4端口输出功率P3和P4之比的分贝数,表达式为:

方向性表征了定向耦合器的定向传输性能。在理想情况下,隔离端口没有信号输出,隔离端输出功率Ρ4为零,则方向性为无限大。但实际上由于工程设计结构不佳或生产制造误差等原因,隔离端口往往有一定的输出。D越大,说明隔离端口输出功率越小,则定向性越好,一般在应用中对方向性有一个最低要求。

隔离度I

定义为输入端1端口的输入功率和隔离端4端口的输出功率之间的比值,表示为:

理想情况下,隔离端口没有输出,隔离端输出功率P4为零。实际上隔离端口完全没有功率输出是不可能的,只是输出功率P4很小。

隔离度与耦合度以及方向性三者之间关系为:I=D+C。如果已知耦合度C和方向性D就可以确定隔离度I的大小。实质上方向性和隔离度都是表征定向耦合器的定向传输性能的技术指标,通常习惯上只看方向性。

插入损耗IL

插入损耗IL定义为输入端功率与直通端功率之比的对数,即

输入电压驻波比VSWR

输入电压驻波比VSWR定义为当直通端、耦合端和隔离端的端口均外接匹配负载时输入端的电压驻波比。

式中,11S为主线输入端在其他各端口均外接匹配负载时的反射系数,实际应用中要求输入电压驻波比尽可能小。

工作带宽

工作带宽是指当耦合度C、方向性D、隔离度I、插入损耗IL及输入电压驻波比VSWR等技术指标满足设计要求时定向耦合器的工作频率范围。常用的工作带宽的定义包括绝对带宽、相对带宽、倍频程和宽带比。

绝对带宽定义为:

相对带宽定义为:式中,f0为通带中心频率

倍频程定义为:n即指倍频程

带宽比定义为:

功率容量

定向耦合器的功率容量指标是指在保证器件正常工作的情况下能够通过的峰值功率和平均功率。定向耦合器的功率容量与选取的电路结构有关,受电感、电容、电阻元件以及印制电路板所能承受的功率容量的限制。

耦合形式

小孔耦合

小孔耦合理论最早在1943年由H.A.Bethe提出,于1952年由S.B.Cohn将其推广至大孔耦合情形,在这两种理论基础之上,1968年R.Levy分析综合了多孔波导定向耦合器。之后诸多人士对该理论进行了广泛分析与探讨,并取得了一定的成果,同时也丰富和完善了这一理论体系。

小孔耦合理论以小孔绕射原理为基础实现能量耦合,由于该理论涉及到绕射场复杂的严格数学解求解过程,实际分析中往往需要进行一定的等效,一般采用准静态法计算小孔耦合相关的参数等。波导单孔耦合器示意图如图所示。

平行耦合

平行耦合传输线之间同时存在磁耦合和电偶合,最让人熟知的平行耦合结构是由两条平行传输线构成的,线长为λ/4。当电磁信号由输入端进入耦合结构时,除了向直通端输出以外,通过两传输线间的电磁耦合,也会向耦合端和隔离端传输。由于磁场耦合在副线上所产生的电压在耦合端和隔离端等幅反相,电场耦合在副线上所产生的电压在两端等幅同相,因此在耦合端电压同向叠加产生输出,而在隔离端电压反向抵消无输出。

平行耦合结构的耦合强弱与两条传输线之间的距离有直接关系,线间距越大,耦合越弱。平行耦合线耦合器示意图如图所示。

分支耦合

分支线定向耦合器由若干垂直方向的耦合分支线和两条水平方向的主传输线构成。各线长度及各线间距均为λ/4,可以通过多种传输线形式加以实现,这里以应用最为广泛的微带双分支定向耦合器为例进行分析,微带双分支定向耦合器示意图如图所示。

由于该耦合器两路耦合电磁波依次到达耦合端和隔离端的路程不同,从而产生相位差,由此实现定向的目的。当信号从输入端进入耦合器时,到达耦合端的路径共有两条,即A→B→C和A→D→C,由于两路径路程相同,使得两路信号累加并经由耦合端输出;信号到达隔离端的路径也有两条,即A→D和A→B→C→D,由于两条路径路程相差λ/2,相位相差π,使得两路信号产生抵消效果,导致隔离端无输出。由于双分支定向耦合器带宽较窄,通常采用增加分支数这一方法增大其工作带宽。

应用领域

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),如下图所示。这种电路常见于室内分布系统,来自两路功率放大器的信号f1和f2经过3dB定向耦合器后,每路的输出均包含了f1和f2两个频率分量,每个频率分量的幅度减少3dB。如果将其中一个输出端接上吸收负载,另外一路输出可以作为无源互调测量系统的功率源。如果需要进一步提高隔离度,可以外加一些器件如滤波器和隔离器。一个良好设计的3dB电桥的隔离度可以做到33dB以上。

用于接收机的抗干扰性测量或杂散测量

在射频测试和测量系统中,经常可以见到下图所示的电路。如果DUT (被测器件或设备)是接收机,则通过定向耦合器的耦合端可以向接收机注入一个邻道干扰信号,再通过接在定向耦合器的直通端的综合测试仪来测试接收机抗千扰性能。如果DUT是一台蜂窝手机,则通过接在定向耦合器耦合端的综合测试仪可以打开手机的发射机,再用频谱分析仪来测景手机的杂散输出。

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,下图是定向耦合器用于蜂窝基站测量的典型应用,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。

用于功率在线测量

在通过式功率测量技术中,定向耦合器是一个十分关键的器件。下图所示是典型的通过式大功率测最系统原理图,来自被测放大器的正向功率被定向耦合器正向耦合端(3端)取样出一小部分送至功率计,而来自负载的反射功率则被反向耦合端(4端)取样出一小部分送至功率计。