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。

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。

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。

频率平坦度：频率平坦度指在设备特定带宽内主传输路径的幅值响应变化，该值是输入信号频率变化的函数，以 dB 为单位。

耦合系数：耦合系数是指耦合器所有端口正确端接时，输入功率与耦合端口输出功率的比值，以 dB 为单位。这是定向耦合器的主要特性之一。耦合端口的输出与直通路径（从输入到输出）的功率水平成正比，比例系数为已知值。耦合端口输出可连接示波器等其他仪器，而不存在仪器过载的危险。

隔离度：所有端口正确端接时，输入端口与隔离端口的功率比值，以 dB 为单位。

方向性：所有端口正确端接时，耦合端口与隔离端口的功率比值，以 dB 为单位。对于三端口耦合器，通常进行两次功率测量：一次在正常正向端接情况下进行，另一次则在输入和输出端口反接的情况下进行。该规格用于衡量正向和反射分量的分离程度；通常，方向性越大，耦合器的性能越好。方向性不能直接测量，只能通过隔离度和反接隔离度的测量值来计算。

残余 VSWR：耦合器所有端口正确端接时测得的驻波比。该值用于衡量耦合器的固有阻抗匹配。

定向耦合器拓扑

定向耦合器设计可通过若干方式实现，其中三种最常见的拓扑分别是射频变压器、电阻桥和耦合传输线。基于射频变压器的拓扑使用两台射频变压器（图 2）。其中，变压器 T1 用于检测输入和负载之间的主线电流。另一变压器 T2 用于检测主线的对地电压。耦合系数取决于变压器匝数比 N。

基于射频变压器的定向耦合器拓扑使用两台射频变压器来检测主线上的正向和反射分量。（图片来源：Digi-Key Electronics）通过结合耦合线上每台变压器的感应电压，再将结果相加，即可对这类定向耦合器进行理论操作分析（图 3）。Vin 是正向电压，VL 是反射电压。

图 3：通过分析耦合线上两台变压器的电压，对基于变压器的耦合器进行分析。（图片来源：Digi-Key Electronics）上图中，为了计算耦合线上的耦合端口电压 (VF') 和隔离端口电压 (VR')，接入电流检测变压器，但移除了电压检测变压器。同样，下图中移除了电流检测变压器，在端口接入电压检测变压器，即可计算 VF" 和 VR"。耦合端口电压 VF 可通过 VF' 与 VF" 相加求得：

隔离端口电压等于反射电压除以变压器匝数比的负数。负号表示反射电压与正向电压 180° 异相。

这类定向耦合器在较宽的频率范围内性能良好，例如 M/A-Com 的 MACP-011045 带宽范围为 5 至 1225 MHz。这款基于变压器的耦合器耦合系数为 23 dB，额定功率为 10 W。隔离度取决于频率，频率范围从 30 MHz 以下至 1 GHz 以上时，对应的隔离度范围为 45 dB 至 27 dB。该设备采用表面贴装封装，尺寸为 6.35 mm x 7.11 mm x 4.1 mm，因此可兼容大多数无线应用。

基于耦合传输线的耦合器由同轴电缆或印刷电路传输线构成。该机制将两条或多条传输线（长度通常为波长的 1/4）紧密排列，从而使少量受控的信号功率从主线泄漏到一条或多条耦合线

使用耦合传输线的双定向耦合器示例。传输线长度通常为设计频带中心波长的 1/4。（图片来源：Digi-Key Electronics）输入连接端口 1，大部分功率传输至连接端口 2 的负载。少量功率耦合到连接端口 3 和 4 的辅线。端口 3 是耦合端口。该端口的功率水平占输入功率的百分比值固定。耦合系数可用于描述耦合端口功率，取决于耦合线的几何排布。反射功率耦合到端口 4（隔离端口）。

Anaren 的 11302-20 是典型的耦合传输线定向耦合器，频率范围为 190 至 400 MHz，可处理功率高达 100 W。该设备的标称耦合系数为 20 dB，插入损耗为 0.3 dB。封装采用表面贴装形式，尺寸为 16.51 x 12.19 x 3.58 mm，可用于监测中等功率发射器的功率水平和 VSWR 测量。这类耦合器的尺寸与频率范围有关，工作频率越低，长度越长。因此，常用于 UHF 和高频应用，对应的设备尺寸较小。

最后一种定向耦合器拓扑是定向桥，电路与经典的惠斯通电桥有关。Analog Devices 的 ADL5920 RMS 和 VSWR 检测器采用了该拓扑（图 5）。

Analog Devices 的 ADL5920 RMS 和 VSWR 检测器所用的双向电桥简化原理图。在所有端口正确端接的情况下，分析得出方向性为 33 dB，计算如图所示）ADL5920 使用电阻桥来分离传输线上的正向和反射电压。如图所示，在所有端口正确端接的情况下，可计算出低频设备的理论方向性。求得的方向性为 33 dB。电桥中，VREV 和 VFWD 输出信号传输至 RMS 级联检测器（动态范围为 60 dB）。检测器输出可线性读取，以 dB 为单位。由正向输出和反射输出之差得出的第三输出电压与回波损耗成正比，以 dB 为单位。基于电桥的耦合器频率范围为 9 kHz 至 7 GHz，匹配负载为 50 ? 时，额定功率为 33 dBm (2 W)。频率范围为 10 MHz 至 7 GHz 时，对应的插入损耗范围为 0.9 dB 至 2 dB。该设备采用 5 x 5 mm 表面贴装封装，厚度为 0.75 mm。

Analog Devices 针对 ADL5920 推出了 ADL5920-EVALZ 评估板。这款配置齐全的评估板需要连接 5 V、200 mA 电源。输入、输出以及主要输出均通过 2.92 mm 连接器连接。以下原理图显示了 ADL5920 所需的典型连接（图 6）。该评估板是轻松试用 ADL5920 的理想工具。

ADL5920-EALZ 评估板原理图显示了 Analog Devices 的 ADL5920 双向 RMS 和 VSWR 检测器所需的典型连接。（图片来源：Analog Devices）以电阻桥实现的定向耦合器提供的频率范围最宽，基本接近直流 (DC)。基于变压器和传输线的耦合器带宽限制较多，但额定功率更大。

上述设备中任何一类都可提取输入功率样本以用于信号监控电路。借助示波器或频谱分析仪等传统仪器来测量所得样本，即可确定功率水平、频率和调制度。数据也可以整合到反馈回路，从而调整输出以保持在所需范围内。

负载状态可由电压驻波比 (VSWR) 表示。使用耦合端口和隔离端口的输出（即正向电压和反射电压），即可计算输出端口的负载 VSWR。

总结

对于射频系统设计人员而言，定向耦合器是相当有用的测量设备。它不仅可提供射频功率电平的幅值比例视图，还可分离正向和反射信号分量，有助于负载特性分析。如上所述，目前共有三种常用耦合器拓扑可提供这些输出，不仅封装小巧，而且兼容无线设备。

单片微波集成电路设计中的无源组件技术：耦合器，功分器和合路器

功率分配器将输入端口的信号分成两个或多个部分，每个输出端口的幅度相等或不相等。耦合器执行相同的功能，通常只有两个输出端口，并且往往只将少量功率耦合到第二个输出端口。耦合器通常用于从信号路径采样少量的功率，其中耦合输出连接到功率计以监视主信号功率电平或馈入混频器以对信号发生器进行锁相。功率分配器用于在功率放大器中的几个晶体管之间分配功率，或者在更复杂的系统中将信号向下发送给多于一条路径中。由于此处仅考虑无源元件，因此分路器和耦合器是互易的器件，当它们以相反方向使用时，它们充当功率合路器并将一个或多个信号组合在一起成为一个输出端口。

制作MMIC耦合器​的最简单方法是使用两条足够靠近的传输线，以使它们的场模式彼此相互作用。当微带传输线放置的间隔距离等于或小于衬底高度时就会出现这种情况。一个例子是图1所示的单段微带耦合线路定向耦合器，其中端口1处的功率输入传播到端口2，其中一些功率耦合到端口3，并且与端口2处的信号相位差为90°。而来到端口4的功率输出应该为零或非常小，因此该功率与输入功率的比率（以分贝为单位）称为耦合器的隔离度。耦合器质量的另一个衡量指标是方向性，它等于隔离度减去耦合因子，换句话说，与端口3的耦合功率相比，端口4更好地隔离了多少dB的功率。

图1、单段微带耦合线定向耦合器

耦合器设计为微带耦合线段，其长度为中心频率的四分之一波长。简单来说，微带线越接近，耦合系数越高（以分贝为单位耦合度=20log（V3 / V1），其中V1和V3分别是端口1和3处的电压），并且传输到耦合端口的功率就越多。通过使用标准CAD模拟器中的等效元件调整λcenter/ 4微带线的宽度和间隔，可以轻松实现这种类型的耦合器的设计，并且Web上也可以获得详细的设计规则和文献。直通和耦合端口之间的90°相位差意味着这是一个正交耦合器，这在设计平衡式混频器时非常有用。

当传输线以这种方式耦合时，它们可以以两种模式传播：每条线上的电压相同的偶模式，以及每条线上的电压具有相反极性的奇模式。从这种类型的耦合器获得宽带响应的关键是确保两种模式的传播速度相同。这可以使用所谓的摆动线（wiggly line）耦合器来实现，其中耦合器的锯齿边缘使奇模式减慢到更接近偶模式的传播速度。多节点方法还使设计人员能够获得更高的耦合因子，例如-3 dB，而单截面方法一般只能实现-10 dB至-20 dB这样的耦合度典型值。类似的宽带双路分路器是EG Cristal和L. Young 描述的多段耦合微带定向耦合器。

分支线耦合器

如图2所示，分支线耦合器由微带长度构成，微带长度是中心频率波长的四分之一，其中两个具有与系统相同的特性阻抗（Z0）;另外两个的阻抗为（Z0/ sqrt(2)）。这种耦合器的耦合值通常相当高，例如-3 dB，耦合和发射信号的相位相差90°（正交），使这种耦合器成为混合耦合器。这只是分支线耦合器的一个例子;可以改变串联和分流臂的阻抗，以产生不同的耦合比。该耦合器的一个特征是所有端口都以直流方式连接，如果在混频器电路中使用，这可能是一个考虑因素。

图2、分支线耦合器

Rat-Race(环形)耦合器

如图3所示，环形耦合器的微带传输线设计为中心频率波长的四分之一和四分之三，特征阻抗为Z0 /sqrt(2)。当它匹配微带圈并且在其它端口以不同的相位组合时它会对输入信号进行分路。信号在发射端口同相，与输入端口相差90°;它们也在耦合端口处于同相位，与输入端口相差270°，因此传输和耦合信号现在彼此相差180°的相位。该特性用于许多混频器电路中。信号在隔离端口处异相合路，因此功率不会从这里传播。关于这种电路类型的更多信息可以在相关文献中找到。

图3、环形（Rat-race）耦合器

Lange耦合器

Lange耦合器，如图4所示，基本上是一个3dB耦合器，在与输入相对的两个端口之间平均分配功率，其中一个端口与另一个端口的相位相差90°。设计原则在J. Lange的原始论文中描述，Lange耦合器具有大约一个倍频程的带宽。多个耦合线的走线宽度和间隔决定了阻抗和耦合度，而耦合线的长度决定了频率响应。耦合线部分的长度约为最低工作频率下的耦合线波长的四分之一，而最高工作频率下的半波长。由于键合线和多条线的组合补偿了奇模和偶模的色散，因此实现了这种宽带宽。

图4、 Lange耦合器

除了宽带宽（定义为范围/中心频率50％带宽）之外，它们的关键特性是从输入端口反射的功率耦合到隔离电阻器而不会再反射回输入端口。通过这种方式，两个不匹配的器件可以在两个背靠背Lange耦合器之间并联组合，如图5所示，并且仍然能表现出来自整个电路的出色匹配特性。MC Tsai在文献中通过开发基于Lange结构的锥形耦合线结构，展示了更高的2至15 GHz带宽。Lange耦合器的主要缺点是它们通常比其它MMIC组件大，如图6所示，其中Lange耦合器被折叠以占用MMIC上的最小空间，因此它们仅适用于10 GHz以上的频率。他们的另一个限制是他们只提供双路功率分离，因此必须将它们组合成树形结构，以提供4路，8路或16路功率分配。

图5、两个功率放大器安装在两个 Lange耦合器之间

图6、可变增益放大器中使用的折叠式Lange耦合器

威尔金森（ Wilkinson）功分器

威尔金森（ Wilkinson）功分器也是一个3dB耦合器，在与输入相对的两个端口之间平均分配功率，两个端口彼此同相。威尔金森（ Wilkinson）功分器通常可以分为两种类型，分布式和集总元件Wilkinsons功分器。分布式威尔金森类似于J. Wilkinson的原始论文中描述的N路功率分配器，但MMIC中的四分之一波传输线和隔离电阻现在实现为微带传输线和在半导体衬底上的薄膜NiCr。威尔金森设计的基本原理如图7所示，其中微带线的长度为λ/ 4，阻抗为sqrt(2)*Z0，连接到公共节点的电阻与Z0具有相同的电阻。这些都成功地在共面波导（CPW）和微带线中，在频率高达110 GHz的MMIC上实现了。

图7、威尔金森双路功分器

分布式威尔金森合路器是低损耗元件，因此常用作功率放大器的最终输出合路器。它们还具有良好的隔离性，这意味着功率放大器将在许多合路器件中某个器件出现故障的情况下功放的性能不会严重恶化。带宽也很好（通常为30％），并且四分之一波长长度的微带线使得器件能够良好地同相合路，即使这些器件间隔很远。这种基于传输线的合路器也能够非常容忍MMIC工艺的变化。

Wilkinson合路器的主要缺点是它们物理尺寸很大，使得它们在低于10 GHz的频率下不合适，并且在高于（N=2）路合路时，不可能在平面结构中实现隔离电阻器关于公共节点的对称性，如图8中的三路威尔金森分路器所示。具有两个以上端口的合路器的解决方案是省略隔离电阻器。这不再是经典的威尔金森结构，设备之间的隔离度降低会恶化性能渐进退化的可能性，并增加奇模振荡的风险。但是，假设所有输出设备都是同相馈电的，则可以成功使用该结构。

图8、带隔离电阻的三路威尔金森分路器

集总（ lumped）器件Wilkinson只使用集总元件电容器和电感器来模拟四分之一波传输线（与传输线的等效电路类似）。典型的电路拓扑结构如图9所示，在混频器MMIC中用作RF和本振（LO）组合器的集总Wilkinson如图10所示。

图9、集总Wilkinson双路分路器的拓扑结构

图10、采用集总Wilkinson合路器的单端混频器MMIC

.集总Wilkinson的优势在于它非常紧凑，同时仍保持良好的带宽，隔离和工艺容差。缺点是它比分布式Wilkinsons的损耗更大，因此，在功率放大器的最后一个增益级之前，往往会用于信号分离;而且，它的分离端口之间具有较少的空间隔离。在平面环境中设计大于双路的分离器也更困难。

分布式和集总Wilkinson组合器都集成在图11所示的J波段功率放大器MMIC中。紧凑在第一和第二以及第二和第三增益级之间可以看到集总的威尔金森分离器。较大的分布式Wilkinson组合器位于最后一级的输出匹配之后，并把RF功率一起输出到RFOW焊盘上。在该芯片中，最后一级的直流偏置通过较宽的四分之一波长短路短截线施加的，并沿分布式Wilkinson合路器馈送到有源器件上。

图11、使用分布式和集总Wilkinson分离器和合路器的功率放大器MMIC

分布式传输线合路器

分布式传输线技术涉及使用各种宽度的传输线将功率放大器输出级的低FET阻抗转换为更高的输出负载阻抗。这种合路器的总体布局如图12所示，文献中的一个例子可以在相关文献中找到。一个限制因素是线损限制了最小走线宽度，因此，设计人员可以使用最大走线阻抗。该技术的另外两个缺点是它是相当窄带（15％的相对带宽），并且需要外部T'型偏置。此外，该结构的尺寸往往非常大，因此在毫米波频率下才真正可行，同时必须注意确保电路的奇模稳定性。

图12、分布式传输线合路器

行波合路器

这些电路由AG Bert和D. Kaminsky 在文献中描述，由一组串联的不等功率分配器组成。例如，一个四路分路器由6 dB耦合器构成，接着是4.8 dB耦合器，接着是3 dB耦合器，如图13所示。6-dB耦合器占功率的四分之一，下一个耦合器占用剩余功率的三分之一，最后一个耦合器在最后两个端口之间分配剩余功率。结果是四分之一的入射功率耦合到四个输出端口中的每一个。

图13、行波四路分路器

相关文献中的两个例子使用片外设计，在一个封装内紧凑合成多个功率MMIC。KJ Russel在文献中进一步讨论了这种设计技术，可以应用于芯片设计中，但可能仅适用于毫米波频率。此串联连接的一个优点是，只需添加另一个具有10log10（N+1）耦合系数的功分器（其中N现在是分路器的总数），就可以在输入端添加额外的端口。唯一的限制端口数是能够准确地使各个功率分配器具有高耦合系数。

这种类型的合路器的优点包括宽带宽（50％），良好的隔离和低损耗，这有助于保持整个放大器的效率。缺点则包括，这种合路器需要预先匹配的器件以及能够再现耦合器精细特征的高分辨率工艺。

锥形传输线分路器（Tapered Transmission-Line Splitters）

锥形传输线可用于形成N路分路器或者合路器，例如W.Yau和J.M. Schellenberg 以及N. Nagai，E。Matkawa和K. Ono 在相应的文献中使用的Dolph-Chebychev技术，如图14所示。设计方法从Dolph-Chebychev抽头传输线开始，将负载阻抗（50Ω）转换为一个低得多（50 /N Ω）的阻抗。锥形传输线的曲线确定带内回波损耗，长度设定频带的低端频率。然后将传输线的大部分分段成非均匀耦合传输线的部分，在相邻线之间具有隔离电阻网络。在[35]中规定了实现端口之间相等相位和幅度分配的一般条件，并且总之，说明任何线路与其相邻线路之间的电容必须相等，从每条线路到地面的耦合电容必须相同，并且至不相邻的走线之间的耦合电容必须可以忽略不计。然后根据其奇模和偶模分析电路，以得出电阻器的值。由耦合线之间的电容的不对称性所引起的端口之间的任何后续不平衡都可以通过调整隔离电阻器的值来进行补偿。

图14、锥形传输线实现的六路分路器

这种类型结构的主要优点是它非常宽带（100％）并且在保持良好端口隔离的同时可以获得平面N路分离。缺点是，由于其尺寸，它仍然主要是片外技术，这可能将其限制在毫米波应用中。此外，这些器件还需要进一步设计匹配电路，因此设计技术并不简单。

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