射频工程师必知必会 —— 一文读懂定向耦合器
定向耦合器是射频电路设计中常用的一种射频无源器件，它将线路中传输的射频功率耦合到另一个线路里。定向耦合器的基本特征是它只将信号耦合到指定的方向。
本篇文章主要参考维 基 百 科和一篇《定向耦合器原理与应用》的文章。
图片也来自于百科和参考文章。致谢。
定向耦合器是无源和可逆网络。理论上，定向耦合器是无耗电路，而且其各个端口均应是匹配的。图1（b）定义了定向耦合器各端口的属性。当信号从端口1输入时，大部分信号从端口2直通输出，其中一小部分信号从端口3耦合出来，端口4通常接一个匹配负载。如果要将定向耦合器反过来使用，则端口1和2，端口3和4的属性要互换定义。定向耦合器可以由同轴，波导，微带和带状线电路构成。通常，定向耦合器用于信号取样以进行测量和监测，信号分配及合成；此外，作为网络分析仪，天线分析仪和通过式功率计[1]等测试仪器的核心部件，定向耦合器所起的作用是正向和反射信号的取样。定向耦合器的方向性是一项至关重要的指标，尤其是作为信号合成和反射测量应用时。如图1（b）所示，在理想情况下，当信号功率从端口1输入时，输出功率只应出现在端口2和端口3，而端口4是完全隔离的，没有功率输出。但是在实际情况下，总有一些功率会泄漏到端口4。设端口1的输入功率为P1，端口2，3和4的输出功率分别为P2，P3和P4，则定向耦合器的特性可以由耦合度，插入损耗，隔离度和方向性等四项指标来表征，单位均为dB。请注意在以下的描述中，所有的指标均表示为正数，而在实际应用中，则是用负数来进行各种计算的。耦合度表示从端口1输入的功率和被耦合到端口3部分的比值，表示为：
耦合度(C) = 10×log(P1 /P3)
请注意端口1的输入功率有一部分功率是被耦合到端口3的，所以应导入一个“耦合损耗”的概念，下表表示了在各种耦合度下的耦合损耗值：
通常所说的从端口1到端口2的插入损耗是传输损耗和耦合损耗之和。在定向耦合器的产品说明中通常会对此加以特别说明。当定向耦合器用于测试和测量时，选取的耦合度比较小，如20dB或30dB甚至更小；而作为功率合成系统或者信号分配系统应用时，则会采用比较大的耦合度，如3dB，5dB和7dB等。
前面提到，在理想的定向耦合器中，端口4是没有功率输出的，而实际上总会有一些功率从这个端口泄漏出来，这就是隔离度的指标，表示为：
端口3的输出功率和端口4输出功率之间的比值定义为方向性，表示为：
需要特别说明的是耦合度，隔离度和方向性之间的关系为：
方向性(D)=隔离度(I) -耦合度(C)
耦合度是一项设计指标，是根据使用要求而选定的，通常为6、10、20和30dB，这样隔离度指标也随之而变化；而方向性则是一个常数。在大部分定向耦合器的指标中，通常只标出方向性指标，隔离度指标可以根据耦合度计算出来。如：
则隔离度(I) = 30 + 25 = 55dB
3 几种常见的耦合器无论是测试和测量应用还是系统内部应用，定向耦合器都是一种应用极为广泛的微波器件，以下举例说明。
4.1 定向耦合器用于功率合成系统：
在多载频合成系统中，通常会用到3dB的定向耦合器（俗称3dB电桥），如图2。图2的电路常见于互调测量系统和多载频的室内分布系统中。在这些应用中，要求定向耦合器有很高的方向性（隔离度）以避免信号源之间产生额外的互调分量，为了提高隔离度，也可以外加一些器件如滤波器或铁氧体隔离器来改善。图示3dB定向耦合器（P/N 753345）的频率范围为800-2170MHz，方向性高达30dB，换算成隔离度为33dB。发射机的在线测量和监测可能是定向耦合器最为广泛的应用之一。
图3是一个蜂窝基站的典型测量应用，如果发射机的输出功率为43dBm（20W），定向耦合器的耦合度为30dB，插入损耗（线路损耗加耦合损耗）为0.15dB，则耦合端有13dBm（20mW）的信号送到基站测试仪，定向耦合器的直通输出为42.85dBm（19.3W），而泄漏到隔离端的功率则被一个负载吸收掉了作为通过式功率计的核心器件，定向耦合器可用于正向和反射功率的取样，见图4。
其中端口3用于检测正向功率，端口4用于检测反射功率。请注意在这种应用场合，定向耦合器的方向性（隔离度）指标对测试精度至关重要，尤其是反射功率的测试精度。假设发射机的输出功率为50dBm（100W），被测负载的驻波比为1.5（反射功率为4W），定向耦合器的耦合度为30dB。假如隔离度为无穷大，则在端口4测到的功率即为反射功率（4mW）。但由于隔离度不可能为无穷大，出现在端口4的除了真正的反射功率以外，还有一部分从端口1泄漏过来的功率，这二部分功率矢量叠加后，功率计认为这些都是反射功率，从而导致了测试误差。
