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射頻工程師必學:如何設計定向耦合器電路?(一)
- 2021-03-13-

  在諸如汽車雷達,5G蜂窩和物聯網之類的射頻(RF)應用中,電子系統對射頻源的使用正在日益增加。所有這些RF源都需要嘗試監視和控制RF功率電平,而不會造成傳輸線和負載的損失。另外,某些應用需要大功率發射機輸出,因此設計人員需要嘗試監視輸出信號,而不是直接連接敏感儀器,以避免因高信號電平而造成損壞。

  還有其他許多挑戰:如何確定寬頻率范圍內的射頻負載(例如天線)的特性;發射機處于廣播狀態時如何監視負載變化和駐波比,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。此方法可以準確地監視線路中的RF能量流,同時將功率水平降低已知的固定量。在采樣過程中,定向耦合器對干線信號的干擾最小。此外,可以將前向和反射功率分開,從而可以監控回波損耗或駐波比,從而在廣播期間提供負載變化反饋。

  本文討論了定向耦合器的操作,并介紹了Anaren,M / A-Com和ADI公司的三種拓撲結構和相關產品。然后,本文詳細介紹了典型的產品功能,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量設備,可以連接到RF源和負載之間的傳輸線,例如信號發生器,矢量網絡分析儀和發射機,以測量從RF源到負載的RF功率(前向分量)。并且功率從負載反射回射頻源(反射組件)。如果測量了前向和反射分量,則可以計算總功率,負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備(圖1)。

  

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

  通常,電源連接到耦合器的輸入端口,而負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。衰減值顯示在三端口設備的示意圖中。在三端口設備中,隔離端口在內部端接。在四端口設備中,端口輸出與反射信號成比例。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。端口號不是標準的,并且因制造商而異。但是,每個供應商的端口命名是相對統一的。

  耦合器是一個對稱設備,每個端口的連接是可互換的。對于三端口設備,反轉輸入和輸出端口將使端口3成為隔離端口。在四端口設備中,反轉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。耦合和隔離端口的輸出通常連接到峰值或RMS檢測器,該檢測器產生與正向和反射功率電平有關的基帶信號。定向耦合器和相關檢測器的組合構成反射計。

  在某些情況下,兩個定向耦合器背對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,耦合系數,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,耦合器可以在規格范圍內工作。

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

  插入損耗:用于描述由設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:頻率平坦度是指設備特定帶寬內主傳輸路徑的幅度響應變化。該值是輸入信號的頻率變化的函數,以dB為單位。

  耦合系數:耦合系數是指當耦合器的所有端口正確端接時,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),并且比例系數是一個已知值。耦合端口輸出可以連接到其他儀器,例如示波器,而不會造成儀器過載的風險。

  隔離度:當所有端口正確端接時,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)。

  對于三端口耦合器,通常執行兩次功率測量:一個在正常的正端接下執行,另一個在輸入和輸出端口反向連接的條件下執行。該規范用于測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。方向性不能直接測量,只能通過隔離和反向隔離的測量值來計算。

  殘余VSWR:當耦合器的所有端口正確端接時測得的駐波比。該值用于測量耦合器的固有阻抗匹配。


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