定向耦合器射频工程师入门：定向耦合器

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定向耦合器（射频工程师入门：定向耦合器）
汽车雷达、5G 蜂窝、物联网等射频(RF) 应用中，电子系统对射频源的使用量与日俱增。所有这些射频源都需要设法监测和控制射频功率水平，同时又不能造成传输线和负载的损耗。此外，某些应用需要大功率发射器输出，因此设计人员需要设法监测输出信号，而非直接连接敏感仪器，以免受高信号电平影响导致损坏。
另外还有诸多其他挑战：在较宽的频率范围内如何确定射频负载（如天线）的特性；在发射器处于广播状态时如何监测负载变化和驻波比，以防止大反射功率和放大器损坏等。
只需将定向耦合器接入传输线，这些要求和挑战便可迎刃而解。此方法可精确监测线路中的射频能量流，同时将功率水平降低已知的固定量。在采样过程中，定向耦合器对主线信号的干扰极小。此外，还能分离正向和反射功率，允许监测回波损耗或驻波比，从而在广播时提供负载变化反馈。
本文讨论了定向耦合器的操作，介绍了三种拓扑及 Anaren、M/A-Com 和 Analog Devices 推出的相关产品。然后，本文详细介绍了典型的产品特征，并展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，可接入信号发生器、矢量网络分析仪和发射器等射频源与负载之间的传输线，用于测量从射频源到负载的射频功率（正向分量），以及从负载反射回射频源的功率（反射分量）。若测得正向和反射分量，即可计算总功率、负载的回波损耗和驻波比。
【定向耦合器射频工程师入门：定向耦合器】三端口（左）和四端口定向耦合器（右）的原理图符号。（图片来源：Digi-Key Electronics）通常情况下，电源连接耦合器的输入端口，负载则连接输出或传输端口。耦合端口输出是衰减后的正向信号。衰减值如三端口设备原理图中所示。在三端口设备中，隔离端口已在内部端接；而在四端口设备中，该端口输出与反射信号成正比。原理图符号内的箭头表示分量路径。例如，在四端口配置中，输入端口指向耦合端口，表明它接收了正向分量，而输出端口连接隔离端口，后者用于读取反射信号。端口号并未标准化，因制造商不同而有所差异。不过，各个供应商的端口命名相对统一。
耦合器是对称设备，各端口连接可互换。对于三端口设备，反接输入和输出端口会使端口 3 成为隔离端口。在四端口设备中，反接输入和输出端口会使耦合和隔离端口互换。
耦合器的输出为射频信号。耦合和隔离端口的输出通常连接峰值或 RMS 检测器，后者可产生与正向和反射功率电平相关的基带信号。定向耦合器与相关检测器组合构成反射计。
在某些情况下，两个定向耦合器背靠背连接可形成双定向耦合器，以便最大程度地减少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：耦合器的带宽表示频率范围，以赫兹为单位。在该频率范围内，耦合器可在规格范围内工作。
额定输入功率：对于连续波 (CW) 和脉冲输入信号，耦合器具有最大额定输入功率，以瓦特为单位。该值表示在不降低性能或造成物理损坏的情况下，设备可处理的最大功率。
插入损耗：用于描述设备接入主传输路径而引起的功率损耗，以分贝 (dB) 为单位。

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