在諸如汽車?yán)走_(dá)，5G蜂窩和物聯(lián)網(wǎng)之類的射頻（RF）應(yīng)用中，電子系統(tǒng)對(duì)射頻源的使用正在日益增加。所有這些RF源都需要嘗試監(jiān)視和控制RF功率電平，而不會(huì)造成傳輸線和負(fù)載的損失。另外，某些應(yīng)用需要大功率發(fā)射機(jī)輸出，因此設(shè)計(jì)人員需要嘗試監(jiān)視輸出信號(hào)，而不是直接連接敏感儀器，以避免因高信號(hào)電平而造成損壞。

　　還有其他許多挑戰(zhàn)：如何確定寬頻率范圍內(nèi)的射頻負(fù)載（例如天線）的特性；發(fā)射機(jī)處于廣播狀態(tài)時(shí)如何監(jiān)視負(fù)載變化和駐波比，以防止高反射功率和放大器損壞等。

　　僅通過(guò)將定向耦合器連接到傳輸線，即可輕松解決這些要求和挑戰(zhàn)。此方法可以準(zhǔn)確地監(jiān)視線路中的RF能量流，同時(shí)將功率水平降低已知的固定量。在采樣過(guò)程中，定向耦合器對(duì)干線信號(hào)的干擾最小。此外，可以將前向和反射功率分開，從而可以監(jiān)控回波損耗或駐波比，從而在廣播期間提供負(fù)載變化反饋。

　　本文討論了定向耦合器的操作，并介紹了Anaren，M / A-Com和ADI公司的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相關(guān)產(chǎn)品。然后，本文詳細(xì)介紹了典型的產(chǎn)品功能，并演示了有效的使用方法。

　　什么是定向耦合器？

　　定向耦合器是一種測(cè)量設(shè)備，可以連接到RF源和負(fù)載之間的傳輸線，例如信號(hào)發(fā)生器，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和發(fā)射機(jī)，以測(cè)量從RF源到負(fù)載的RF功率（前向分量）。并且功率從負(fù)載反射回射頻源（反射組件）。如果測(cè)量了前向和反射分量，則可以計(jì)算總功率，負(fù)載的回波損耗和駐波比。

　　定向耦合器的四端口電路可以配置為三端或四端設(shè)備（圖1）。

　三端口（左）和四端口定向耦合器（右）的示意圖。 （圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　通常，電源連接到耦合器的輸入端口，而負(fù)載連接到輸出或傳輸端口。耦合端口的輸出是衰減的正向信號(hào)。衰減值顯示在三端口設(shè)備的示意圖中。在三端口設(shè)備中，隔離端口在內(nèi)部端接。在四端口設(shè)備中，端口輸出與反射信號(hào)成比例。原理圖中的箭頭指示組件路徑。例如，在四端口配置中，輸入端口指向耦合端口，表示它接收了前向分量，而輸出端口則連接到隔離端口，該隔離端口用于讀取反射信號(hào)。端口號(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)的，并且因制造商而異。但是，每個(gè)供應(yīng)商的端口命名是相對(duì)統(tǒng)一的。

　　耦合器是一個(gè)對(duì)稱設(shè)備，每個(gè)端口的連接是可互換的。對(duì)于三端口設(shè)備，反轉(zhuǎn)輸入和輸出端口將使端口3成為隔離端口。在四端口設(shè)備中，反轉(zhuǎn)輸入和輸出端口將互換耦合端口和隔離端口。

　　耦合器的輸出是射頻信號(hào)。耦合和隔離端口的輸出通常連接到峰值或RMS檢測(cè)器，該檢測(cè)器產(chǎn)生與正向和反射功率電平有關(guān)的基帶信號(hào)。定向耦合器和相關(guān)檢測(cè)器的組合構(gòu)成反射計(jì)。

　　在某些情況下，兩個(gè)定向耦合器背對(duì)背連接以形成雙向定向耦合器，以最大程度地減小耦合端口和隔離端口之間的泄漏。

　　定向耦合器規(guī)格

　　定向耦合器具有幾個(gè)關(guān)鍵特性，包括帶寬，額定輸入功率，插入損耗，頻率平坦度，耦合系數(shù)，方向性，隔離度和殘余電壓駐波比（VSWR）。

　　帶寬：耦合器的帶寬代表頻率范圍，以赫茲為單位。在此頻率范圍內(nèi)，耦合器可以在規(guī)格范圍內(nèi)工作。

　　額定輸入功率：對(duì)于連續(xù)波（CW）和脈沖輸入信號(hào)，耦合器具有以瓦特為單位的最大額定輸入功率。該值表示設(shè)備在不降低性能或造成物理?yè)p壞的情況下可以處理的最大功率。

　　插入損耗：用于描述由設(shè)備連接到主傳輸路徑引起的功率損耗，以分貝（dB）為單位。

　　頻率平坦度：頻率平坦度是指設(shè)備特定帶寬內(nèi)主傳輸路徑的幅度響應(yīng)變化。該值是輸入信號(hào)的頻率變化的函數(shù)，以dB為單位。

　　耦合系數(shù)：耦合系數(shù)是指當(dāng)耦合器的所有端口正確端接時(shí)，耦合端口的輸入功率與輸出功率之比，以dB為單位。這是定向耦合器的主要特征之一。耦合端口的輸出與直接路徑的功率水平成正比（從輸入到輸出），并且比例系數(shù)是一個(gè)已知值。耦合端口輸出可以連接到其他儀器，例如示波器，而不會(huì)造成儀器過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)。

　　隔離度：當(dāng)所有端口正確端接時(shí)，輸入端口與隔離端口的功率比，以dB為單位。

　　方向性：正確端接所有端口后，耦合端口與隔離端口的功率比（以dB為單位）。

　　對(duì)于三端口耦合器，通常執(zhí)行兩次功率測(cè)量：一個(gè)在正常的正端接下執(zhí)行，另一個(gè)在輸入和輸出端口反向連接的條件下執(zhí)行。該規(guī)范用于測(cè)量前向和反射組件的分離程度；通常，方向性越大，耦合器的性能越好。方向性不能直接測(cè)量，只能通過(guò)隔離和反向隔離的測(cè)量值來(lái)計(jì)算。

　　殘余VSWR：當(dāng)耦合器的所有端口正確端接時(shí)測(cè)得的駐波比。該值用于測(cè)量耦合器的固有阻抗匹配。