射频应用定向耦合器简介

作为矢量网络分析仪（VNA）的一部分，定向耦合器使我们能够通过其S参数来表征设备的性能。阅读本文以了解有关此重要设备的更多信息。

定向耦合器是微波和毫米波系统中常见的无源元件。它们将传输线中的前向和后向波分开，使我们能够通过测量设备输入端的反射功率来确定DUT（被测设备）的反射系数。测量和控制发射机输出功率电平也需要这种能力。

在本文中，我们将研究定向耦合器的主要性能指标和基本操作。但在此之前，让我们简要地了解一下定向耦合器最重要的应用之一：矢量网络分析仪（VNA）。

VNA的基本操作

图1说明了VNA设计的基本测量。

矢量网络分析仪的操作。

图1. VNA的操作。图像由泰克公司提供。

VNA使用内部源向DUT施加已知输入。部分激励信号在DUT的输入端反射。另一部分激励信号通过DUT并在其输出端出现。VNA测量输入和输出端口处的入射和反射波，以通过其S参数表征DUT的性能。然而，这样做需要一个能够分离正向和反向波的设备。

图2显示了VNA基本操作的更详细框图。

矢量网络分析仪操作的详细图。

图2:VNA操作过程的详细示意图。图片由David M. Pozar提供

上述图表中不同模块的功能将在本系列文章中稍后解释。现在，请注意，DUT的输入和输出端口直接连接到信号分离硬件，使我们能够测量前向和后向行波。该硬件对VNA的精度有直接影响，通常实现为定向耦合器或电桥。在本文的其余部分，我们将更详细地探讨定向耦合器。

定向耦合器

定向耦合器的基本思想是使用两个耦合结构来分离前向和后向波。这些耦合结构可以实现：

微带线

带状线

同轴接口

波导

为了更好地理解这些器件的工作原理，请考虑图3所示的双孔波导定向耦合器。

双孔波导定向耦合器示意图

图3.双孔波导定向耦合器。图片由Steve Arar提供

在这种情况下，耦合结构是两个波导，它们共享一个带有两个孔的公共壁。进入端口1的波大部分被传输到端口2。然而，流经主波导的一部分功率通过两个孔耦合到次波导。如图所示，每个孔在次波导中辐射出向前波和向后波。

考虑出现在端口 3 的波。该波由两部分组成，每个孔一个。来自右孔的波比来自左孔的波传播的距离长。

通过调整孔之间的间距，这两个组件可以在感兴趣的频率下相位差为180度。如果是这样的话，波分量相互抵消，并且理想情况下，至少没有功率被传递到端口3。为了获得这种抵消，两个孔需要间隔λ/4，其中λ是波导中的波长。因为理想情况下RF功率为零，端口3被称为定向耦合器的隔离端口。

在端口4出现的波也由两个孔贡献的两个波分量组成。然而，在这种情况下，这两个波分量理想地传播相同的距离，而与孔的间距无关。这两个分量同相并相加，因此输入功率的一部分将出现在端口4。这使得端口4成为定向耦合器的耦合端口。

对于两个孔之间的给定间距，隔离端口处的波抵消发生在特定波长处。如果波长或间距发生变化，波抵消将不完美。因此，耦合器表现出令人满意的响应的频带是有限的。为了增加可用带宽，可以将上述理论扩展到设计多孔结构。

通用原理图符号

图4显示了定向耦合器的两个常用示意图符号。请记住，定向耦合器的端口编号没有固定的方法，因此这里的端口编号与图3中的不一致。

用于表示定向耦合器的两个示意图符号。

图4.表示定向耦合器的两个示意图。图片由David M. Pozar提供

入射到输入端口（端口1）的功率的一小部分固定出现在耦合端口（端口3）。其余的输入功率被传递到直通端口（端口2）。理想情况下，没有功率被传递到隔离端口（端口4）。耦合器是互易电路。因此，当信号入射到端口2时，端口1是直通端口，端口4是耦合端口，端口3是隔离端口。

值得一提的是，耦合器的隔离端口几乎总是被终止的，如图5所示。当隔离端口被永久终止时，通常使用图4中最上面的示意图符号。

具有端接隔离端口的定向耦合器。

图5.具有端接隔离端口的定向耦合器。图像由Krytar提供

同向和反向波耦合器

在图3和图4中，耦合端口位于直通端口的一侧。这种定向耦合器被称为前向波或同向耦合器。也可以构建耦合端口与输入端口位于同一侧的耦合器。这种类型的耦合器被称为后向波耦合器。

在图6的左侧，部分（a）和（b）显示了反向耦合的微带耦合器。在图6的右侧，部分（c）显示了用于比较的前向波导耦合器。

一种背向波微带耦合器和一种正向波波导耦合器。

图6。 (a)和(b)部分：反向波微带耦合器。 (c)部分：正向波波导耦合器。图片由J. C. Whitaker提供

对于进入端口1的RF波，微带耦合器的耦合端口与输入端口位于同一侧。波导实现的耦合端口位于相反侧。

定向耦合器的特性

表征定向耦合器的三个有用量是：

耦合系数（C）

方向性系数（D）

隔离系数（I）

在讨论这些因素时，我们将使用图4中的以下权力术语：

P1，输入功率

P2，通过功率

P3，耦合功率

P4，隔离电源

耦合系数定义为：

方程式1

耦合因子指定了耦合端口上出现的输入功率的分数。例如，如果耦合因子为20 dB，则输入功率的1/100会转移到耦合端口。

方向性参数由方程式2给出：

方程式2

以及隔离参数，根据方程式3：

方程式3

使用理想的定向耦合器，隔离端口处的功率为零（P4=0），因此我们具有无限的方向性和隔离性。在实践中，一些非零功率转移到隔离端口。例如，使用双孔波导定向耦合器，耦合孔在主波导和次波导中产生反射，一小部分射频功率出现在隔离端口。

方向性（以及隔离）系数是耦合器分离前后波能力的度量（稍后详细介绍）。方向性通常在30至40dB的范围内。从上面的方程式中，您可以很容易地验证这三个量之间的关系：

方程式4

理解方向性

首先，为什么耦合端口和隔离端口（P3和P4）的功率比被称为方向性可能并不明显。方向性一词有望表征定向耦合器如何能够很好地分离正向和反向行波。但是P3和P4的比率是否表征了这一特征？

为了回答这个问题，让我们更仔细地研究对正向和反向波的响应。首先，考虑一个功率为P1的正向传播波进入端口1。输入信号如图7中的蓝色曲线所示。

向前传播的波。

图7. 前向行进波。图片由Steve Arar提供

特色图像由是德科技提供

根据耦合因子，入射波的一部分会转移到耦合端口（端口3）。假设该波分量的功率为P3，正向。现在考虑通过定向耦合器的相同功率（P1）的反向传播波：功率为P1的波入射到端口2。

由于端口3是该波的隔离端口，因此反向行波（图8）理论上应该对其没有影响。然而，由于非理想性，一小部分反向行波也会转移到端口3。设该分量的功率为P3，backward。

反向行进波。

图8.后向行进波。图片由Steve Arar提供

假设存在正向和反向波。在这种情况下，耦合端口（端口3）的整体波由两部分组成：图7中的绿色信号和图8中的红色信号。显然，设备的方向性取决于功率分量P3，forward与P3，backward的比率。P3，forward相对于P3，backward的值越高，方向性越大，设备越接近其理想工作状态。

因为定向耦合器是可逆装置，我们可以从图7中的第一个思想实验中得出P3，反向。传输到该装置的隔离端口（端口4）的功率等于P3，反向。因此，我们只需要向端口1施加一个正向行波，并测量出现在耦合和隔离端口处的功率。

耦合功率与隔离端口处出现的功率之比给出了器件的指向性。在定向耦合器的实际应用中通常需要高指向性（35 dB或更高）。我们将在稍后的文章中继续讨论这个问题，届时我们将学习定向耦合器的有限指向性如何在VNA中产生误差。