射頻應用定向耦合器簡介

作為矢量網絡分析儀（VNA）的一部分，定向耦合器使我們能夠通過其S參數來表征設備的性能。閱讀本文以了解有關此重要設備的更多信息。

定向耦合器是微波和毫米波系統中常見的無源元件。它們將傳輸線中的前向和后向波分開，使我們能夠通過測量設備輸入端的反射功率來確定DUT（被測設備）的反射系數。測量和控制發射機輸出功率電平也需要這種能力。

在本文中，我們將研究定向耦合器的主要性能指標和基本操作。但在此之前，讓我們簡要地了解一下定向耦合器最重要的應用之一：矢量網絡分析儀（VNA）。

VNA的基本操作

圖1說明了VNA設計的基本測量。

矢量網絡分析儀的操作。

圖1. VNA的操作。圖像由泰克公司提供。

VNA使用內部源向DUT施加已知輸入。部分激勵信號在DUT的輸入端反射。另一部分激勵信號通過DUT并在其輸出端出現。VNA測量輸入和輸出端口處的入射和反射波，以通過其S參數表征DUT的性能。然而，這樣做需要一個能夠分離正向和反向波的設備。

圖2顯示了VNA基本操作的更詳細框圖。

矢量網絡分析儀操作的詳細圖。

圖2:VNA操作過程的詳細示意圖。圖片由David M. Pozar提供

上述圖表中不同模塊的功能將在本系列文章中稍后解釋?，F在，請注意，DUT的輸入和輸出端口直接連接到信號分離硬件，使我們能夠測量前向和后向行波。該硬件對VNA的精度有直接影響，通常實現為定向耦合器或電橋。在本文的其余部分，我們將更詳細地探討定向耦合器。

定向耦合器

定向耦合器的基本思想是使用兩個耦合結構來分離前向和后向波。這些耦合結構可以實現：

微帶線

帶狀線

同軸接口

波導

為了更好地理解這些器件的工作原理，請考慮圖3所示的雙孔波導定向耦合器。

雙孔波導定向耦合器示意圖

圖3.雙孔波導定向耦合器。圖片由Steve Arar提供

在這種情況下，耦合結構是兩個波導，它們共享一個帶有兩個孔的公共壁。進入端口1的波大部分被傳輸到端口2。然而，流經主波導的一部分功率通過兩個孔耦合到次波導。如圖所示，每個孔在次波導中輻射出向前波和向后波。

考慮出現在端口 3 的波。該波由兩部分組成，每個孔一個。來自右孔的波比來自左孔的波傳播的距離長。

通過調整孔之間的間距，這兩個組件可以在感興趣的頻率下相位差為180度。如果是這樣的話，波分量相互抵消，并且理想情況下，至少沒有功率被傳遞到端口3。為了獲得這種抵消，兩個孔需要間隔λ/4，其中λ是波導中的波長。因為理想情況下RF功率為零，端口3被稱為定向耦合器的隔離端口。

在端口4出現的波也由兩個孔貢獻的兩個波分量組成。然而，在這種情況下，這兩個波分量理想地傳播相同的距離，而與孔的間距無關。這兩個分量同相并相加，因此輸入功率的一部分將出現在端口4。這使得端口4成為定向耦合器的耦合端口。

對于兩個孔之間的給定間距，隔離端口處的波抵消發生在特定波長處。如果波長或間距發生變化，波抵消將不完美。因此，耦合器表現出令人滿意的響應的頻帶是有限的。為了增加可用帶寬，可以將上述理論擴展到設計多孔結構。

通用原理圖符號

圖4顯示了定向耦合器的兩個常用示意圖符號。請記住，定向耦合器的端口編號沒有固定的方法，因此這里的端口編號與圖3中的不一致。

用于表示定向耦合器的兩個示意圖符號。

圖4.表示定向耦合器的兩個示意圖。圖片由David M. Pozar提供

入射到輸入端口（端口1）的功率的一小部分固定出現在耦合端口（端口3）。其余的輸入功率被傳遞到直通端口（端口2）。理想情況下，沒有功率被傳遞到隔離端口（端口4）。耦合器是互易電路。因此，當信號入射到端口2時，端口1是直通端口，端口4是耦合端口，端口3是隔離端口。

值得一提的是，耦合器的隔離端口幾乎總是被終止的，如圖5所示。當隔離端口被永久終止時，通常使用圖4中最上面的示意圖符號。

具有端接隔離端口的定向耦合器。

圖5.具有端接隔離端口的定向耦合器。圖像由Krytar提供

同向和反向波耦合器

在圖3和圖4中，耦合端口位于直通端口的一側。這種定向耦合器被稱為前向波或同向耦合器。也可以構建耦合端口與輸入端口位于同一側的耦合器。這種類型的耦合器被稱為后向波耦合器。

在圖6的左側，部分（a）和（b）顯示了反向耦合的微帶耦合器。在圖6的右側，部分（c）顯示了用于比較的前向波導耦合器。

一種背向波微帶耦合器和一種正向波波導耦合器。

圖6。 (a)和(b)部分：反向波微帶耦合器。 (c)部分：正向波波導耦合器。圖片由J. C. Whitaker提供

對于進入端口1的RF波，微帶耦合器的耦合端口與輸入端口位于同一側。波導實現的耦合端口位于相反側。

定向耦合器的特性

表征定向耦合器的三個有用量是：

耦合系數（C）

方向性系數（D）

隔離系數（I）

在討論這些因素時，我們將使用圖4中的以下權力術語：

P1，輸入功率

P2，通過功率

P3，耦合功率

P4，隔離電源

耦合系數定義為：

方程式1

耦合因子指定了耦合端口上出現的輸入功率的分數。例如，如果耦合因子為20 dB，則輸入功率的1/100會轉移到耦合端口。

方向性參數由方程式2給出：

方程式2

以及隔離參數，根據方程式3：

方程式3

使用理想的定向耦合器，隔離端口處的功率為零（P4=0），因此我們具有無限的方向性和隔離性。在實踐中，一些非零功率轉移到隔離端口。例如，使用雙孔波導定向耦合器，耦合孔在主波導和次波導中產生反射，一小部分射頻功率出現在隔離端口。

方向性（以及隔離）系數是耦合器分離前后波能力的度量（稍后詳細介紹）。方向性通常在30至40dB的范圍內。從上面的方程式中，您可以很容易地驗證這三個量之間的關系：

方程式4

理解方向性

首先，為什么耦合端口和隔離端口（P3和P4）的功率比被稱為方向性可能并不明顯。方向性一詞有望表征定向耦合器如何能夠很好地分離正向和反向行波。但是P3和P4的比率是否表征了這一特征？

為了回答這個問題，讓我們更仔細地研究對正向和反向波的響應。首先，考慮一個功率為P1的正向傳播波進入端口1。輸入信號如圖7中的藍色曲線所示。

向前傳播的波。

圖7. 前向行進波。圖片由Steve Arar提供

特色圖像由是德科技提供

根據耦合因子，入射波的一部分會轉移到耦合端口（端口3）。假設該波分量的功率為P3，正向?，F在考慮通過定向耦合器的相同功率（P1）的反向傳播波：功率為P1的波入射到端口2。

由于端口3是該波的隔離端口，因此反向行波（圖8）理論上應該對其沒有影響。然而，由于非理想性，一小部分反向行波也會轉移到端口3。設該分量的功率為P3，backward。

反向行進波。

圖8.后向行進波。圖片由Steve Arar提供

假設存在正向和反向波。在這種情況下，耦合端口（端口3）的整體波由兩部分組成：圖7中的綠色信號和圖8中的紅色信號。顯然，設備的方向性取決于功率分量P3，forward與P3，backward的比率。P3，forward相對于P3，backward的值越高，方向性越大，設備越接近其理想工作狀態。

因為定向耦合器是可逆裝置，我們可以從圖7中的第一個思想實驗中得出P3，反向。傳輸到該裝置的隔離端口（端口4）的功率等于P3，反向。因此，我們只需要向端口1施加一個正向行波，并測量出現在耦合和隔離端口處的功率。

耦合功率與隔離端口處出現的功率之比給出了器件的指向性。在定向耦合器的實際應用中通常需要高指向性（35 dB或更高）。我們將在稍后的文章中繼續討論這個問題，屆時我們將學習定向耦合器的有限指向性如何在VNA中產生誤差。