汽車雷達、5G 蜂窩、物聯網等射頻 (RF) 應ying用yong中zhong，電dian子zi係xi統tong對dui射she頻pin源yuan的de使shi用yong量liang與yu日ri俱ju增zeng。所suo有you這zhe些xie射she頻pin源yuan都dou需xu要yao設she法fa監jian測ce和he控kong製zhi射she頻pin功gong率lv水shui平ping，同tong時shi又you不bu能neng造zao成cheng傳chuan輸shu線xian和he負fu載zai的de損sun耗hao。此外，某些應用需要大功率發射器輸出，因此設計人員需要設法監測輸出信號，而非直接連接敏感儀器

，以免受高信號電平影響導致損壞。

　　

另外還有諸多其他挑戰：在較寬的頻率範圍內如何確定射頻負載（如天線）的特性；在發射器處於廣播狀態時如何監測負載變化和駐波比
，以防止大反射功率和放大器損壞等。

　　

隻(zhi)需(xu)將(jiang)定(ding)向(xiang)耦(ou)合(he)器(qi)接(jie)入(ru)傳(chuan)輸(shu)線(xian)，這(zhe)些(xie)要(yao)求(qiu)和(he)挑(tiao)戰(zhan)便(bian)可(ke)迎(ying)刃(ren)而(er)解(jie)。此(ci)方(fang)法(fa)可(ke)精(jing)確(que)監(jian)測(ce)線(xian)路(lu)中(zhong)的(de)射(she)頻(pin)能(neng)量(liang)流(liu)，同(tong)時(shi)將(jiang)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)降(jiang)低(di)已(yi)知(zhi)的(de)固(gu)定(ding)量(liang)。在(zai)采(cai)樣(yang)過(guo)程(cheng)中(zhong)，定(ding)向(xiang)耦(ou)合(he)器(qi)對(dui)主(zhu)線(xian)信(xin)號(hao)的(de)幹(gan)擾(rao)極(ji)小(xiao)。此(ci)外(wai)
，還(hai)能(neng)分(fen)離(li)正(zheng)向(xiang)和(he)反(fan)射(she)功(gong)率(lv)
，允(yun)許(xu)監(jian)測(ce)回(hui)波(bo)損(sun)耗(hao)或(huo)駐(zhu)波(bo)比(bi)
，從(cong)而(er)在(zai)廣(guang)播(bo)時(shi)提(ti)供(gong)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)反(fan)饋(kui)。

　　

本文討論了定向耦合器的操作，介紹了三種拓撲及 Anaren、M/A-Com 和 Analog Devices 推出的相關產品。然後
，本文詳細介紹了典型的產品特征
，並展示了有效的使用方法。

　　

什麼是定向耦合器？

定向耦合器是一種測量設備，可接入信號發生器

、矢量網絡分析儀和發射器等射頻源與負載之間的傳輸線
，用於測量從射頻源到負載的射頻功率（正向分量），以及從負載反射回射頻源的功率（反射分量）。若測得正向和反射分量
，即可計算總功率、負載的回波損耗和駐波比。

　

三端口（左）和四端口定向耦合器（右）的原理圖符號。（圖片來源：Digi-Key Electronics）tongchangqingkuangxia
，dianyuanlianjieouheqideshuruduankou
，fuzaizelianjieshuchuhuochuanshuduankou。ouheduankoushuchushishuaijianhoudezhengxiangxinhao。shuaijianzhirusanduankoushebeiyuanlituzhongsuoshi。zaisanduankoushebeizhong，geliduankouyizaineibuduanjie；erzaisiduankoushebeizhong，gaiduankoushuchuyufanshexinhaochengzhengbi。yuanlitufuhaoneidejiantoubiaoshifenlianglujing。liru，zaisiduankoupeizhizhong

，shuruduankouzhixiangouheduankou，biaomingtajieshoulezhengxiangfenliang，ershuchuduankoulianjiegeliduankou
，houzheyongyuduqufanshexinhao。duankouhaobingweibiaozhunhua，yinzhizaoshangbutongeryousuochayi。buguo，gegegongyingshangdeduankoumingmingxiangduitongyi。

　　

耦合器是對稱設備，各端口連接可互換。對於三端口設備
，反接輸入和輸出端口會使端口 3 成為隔離端口。在四端口設備中，反接輸入和輸出端口會使耦合和隔離端口互換。

　　

耦合器的輸出為射頻信號。耦合和隔離端口的輸出通常連接峰值或 RMS 檢測器
，後者可產生與正向和反射功率電平相關的基帶信號。定向耦合器與相關檢測器組合構成反射計。

　　

在某些情況下，兩個定向耦合器背靠背連接可形成雙定向耦合器，以便最大程度地減少耦合端口和隔離端口之間的泄漏。

　　

定向耦合器規格

定向耦合器具有幾個關鍵特性
，包括帶寬
、額定輸入功率、插入損耗

、頻率平坦度
、耦合係數
、方向性、隔離度和殘餘電壓駐波比 (VSWR)。

　　

帶寬：耦合器的帶寬表示頻率範圍，以赫茲為單位。在該頻率範圍內
，耦合器可在規格範圍內工作。

　　

額定輸入功率：對於連續波 (CW) 和(he)脈(mai)衝(chong)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)
，耦(ou)合(he)器(qi)具(ju)有(you)最(zui)大(da)額(e)定(ding)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)，以(yi)瓦(wa)特(te)為(wei)單(dan)位(wei)。該(gai)值(zhi)表(biao)示(shi)在(zai)不(bu)降(jiang)低(di)性(xing)能(neng)或(huo)造(zao)成(cheng)物(wu)理(li)損(sun)壞(huai)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，設(she)備(bei)可(ke)處(chu)理(li)的(de)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)。

　　

插入損耗：用於描述設備接入主傳輸路徑而引起的功率損耗，以分貝 (dB) 為單位。

　　

頻率平坦度：頻率平坦度指在設備特定帶寬內主傳輸路徑的幅值響應變化，該值是輸入信號頻率變化的函數
，以 dB 為單位。

　　

耦合係數：耦合係數是指耦合器所有端口正確端接時
，輸入功率與耦合端口輸出功率的比值
，以 dB 為單位。這是定向耦合器的主要特性之一。耦合端口的輸出與直通路徑（從輸入到輸出）的功率水平成正比，比例係數為已知值。耦合端口輸出可連接示波器等其他儀器，而不存在儀器過載的危險。

　　

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

　　

方向性：所有端口正確端接時，耦合端口與隔離端口的功率比值，以 dB 為單位。對於三端口耦合器，通常進行兩次功率測量：一次在正常正向端接情況下進行，另一次則在輸入和輸出端口反接的情況下進行。該規格用於衡量正向和反射分量的分離程度
；通常，方向性越大，耦合器的性能越好。方向性不能直接測量

，隻能通過隔離度和反接隔離度的測量值來計算。

　　

殘餘 VSWR：耦合器所有端口正確端接時測得的駐波比。該值用於衡量耦合器的固有阻抗匹配。

　

定向耦合器拓撲

定向耦合器設計可通過若幹方式實現，其中三種最常見的拓撲分別是射頻變壓器
、電阻橋和耦合傳輸線。基於射頻變壓器的拓撲使用兩台射頻變壓器（圖 2）。其中，變壓器 T1 用於檢測輸入和負載之間的主線電流。另一變壓器 T2 用於檢測主線的對地電壓。耦合係數取決於變壓器匝數比 N。

 

基於射頻變壓器的定向耦合器拓撲使用兩台射頻變壓器來檢測主線上的正向和反射分量。（圖片來源：Digi-Key Electronics）通過結合耦合線上每台變壓器的感應電壓，再將結果相加，即可對這類定向耦合器進行理論操作分析（圖 3）。Vin 是正向電壓，VL 是反射電壓。