RF 定向耦合器的基礎知識以及有效使用方法

汽車雷達、5G 蜂巢、物聯網等射頻 (RF) 應用，正在提升 RF 來源在電子系統中的使用量。所有這些來源都需要一種方法，既能監控 RF 功率水平，同時又不會在傳輸線和負載中造成損耗。此外，有些應用需要大功率發射器輸出，因此設計人員需要設法監控輸出訊號，而不是直接連接到敏感性儀器，以免可能因高訊號位準而損壞。

其他的難題還包括：如何確定 RF 負載 (如天線) 在較寬頻率範圍內的特性；以及如何在發射器發射時監控負載變化和駐波比，以避免發生高反射功率並損壞放大器。

若想應對這些要求和難題，只需在傳輸線中插入定向耦合器。這樣可精準監控線路中的 RF 能量流，同時將功率水平降至已知的固定量。在採樣過程中，定向耦合器只會給主線訊號帶來極少的干擾，並能區分前向功率與反射功率，允許監控回波損耗或駐波比，進而在發射時提供負載變化回饋。

本文將討論定向耦合器的運作，並介紹三種拓樸以及 Anaren、M/A-Com、Analog Devices 等公司提供的相關產品。接著會檢視這些耦合器的典型特性，並說明如何有效地使用。

什麼是定向耦合器？

定向耦合器是一種測量元件，可插入 RF 來源 (如訊號產生器、向量網路分析器或發射器) 和負載之間的傳輸線中。此元件可測量從來源至負載的 RF 功率 (前向分量)，以及從負載反射回來源的功率 (反射分量)。在得知前向分量和反射分量後，即可計算負載的總功率、回波損耗和駐波比。

定向耦合器為四埠型電路，並配置為三或四端子元件 (圖 1)。

圖 1：三埠 (左) 與四埠型定向耦合器 (右) 的線路圖符號。(圖片來源：DigiKey)

來源通常是連接到耦合器的輸入埠，而負載則是連接到輸出或發射埠。耦合埠輸出是經過衰減的前向訊號，而衰減值可能如三埠型範例所示。在三埠型配置中，隔離埠在內部端接，但在四埠型配置中，此埠會被分接出來，且其輸出與反射訊號呈正比關係。線路圖符號內的箭頭表示分量路徑。例如，在四埠型配置中，輸入埠會導至耦合埠，表示此埠接收前向分量，而輸出埠則會鏈至隔離埠，讀取反射訊號。埠編號未經標準化，會因製造商而異；但埠的命名在各供應商之間則較為統一。

耦合器為對稱元件，因此連接可以逆向。若是三埠型元件，反轉輸入埠和輸出埠會使埠 3 成為隔離埠。在四埠型元件中，反轉輸入埠和輸出埠會導致耦合埠和隔離埠互換。

耦合器的輸出為 RF 訊號。耦合埠和隔離埠的輸出通常會連接到峰值或 RMS 偵測器，產生與前向和反射功率水平相關的基頻訊號。定向耦合器與相關偵測器形成的組合稱為反射計。

在某些情況下，兩個定向耦合器會背對背連接，形成雙定向耦合器。這麼做是為了將耦合埠和隔離埠之間的洩漏降到最低。

定向耦合器規格

定向耦合器有幾個關鍵特性，包括頻寬、額定輸入功率、插入損耗、頻率平坦度、耦合係數、方向性、隔離度以及殘留電壓駐波比 (VSWR)。

頻寬：耦合器的頻寬代表頻率範圍，以 Hz 為單位。在該範圍內，耦合器將按其規格工作。

額定輸入功率：對於連續波 (CW) 和脈衝輸入訊號，耦合器具有最大輸入功率額定值，以 W 為單位。這是元件在不會造成效能劣化或實體損壞下，可以處理的最大功率位準。

插入損耗：代表因元件插入主傳輸路徑而引起的功率損耗，以 dB 為單位。

頻率平坦度：頻率平坦度指定在元件額定頻寬範圍內，主傳輸路徑的振幅回應變化 (以 dB 為單位)，該變化取決於輸入訊號的頻率變化。

耦合係數或耦合因數：耦合係數是指耦合器在所有埠都正確端接時，輸入功率與耦合埠功率的比值，以 dB 為單位。這是定向耦合器的主要特性之一。耦合埠的輸出，與輸入至輸出這條直接路徑的功率位準呈正比，而比例值則為此已知因數。耦合輸出可連接到示波器等其他儀器，且不會讓儀器有過載危險。

隔離度：當所有埠都正確端接時，輸入埠功率與隔離埠功率的比值，以 dB 為單位。

方向性：當所有埠都正確端接時，耦合埠功率與隔離埠功率的比值，以 dB 為單位。對於三埠型耦合器，將進行兩次功率測量，一次是在常規的前向方向，另一次則是在輸入和輸出埠反轉的情況下。此規格用於測量前向分量與反射分量的分離程度；一般來說，方向性越高，耦合器效能便越好。方向性無法直接測量，但可根據隔離和反轉隔離的測量值計算出來。

殘留 VSWR：在耦合器的所有埠都正確端接時，所測得的駐波比。這可用於測量耦合器固有的阻抗匹配。

定向耦合器拓樸

定向耦合器設計可用幾種方式執行。最常見的三種拓樸為 RF 變壓器、電阻橋或耦合傳輸線。RF 變壓器型拓樸採用兩個 RF 變壓器 (圖 2)。在此拓樸中，變壓器 T₁ 感測輸入和負載之間的主線電流。第二個變壓器 T₂ 感測主線相對於接地的電壓。耦合因數由變壓器匝數比 (N) 所控制。

圖 2：RF 變壓器型定向耦合器拓樸使用兩個 RF 變壓器來感測主線的前向分量和反射分量。(圖片來源：DigiKey)

透過合併耦合線上每個變壓器的個別感應電壓，然後將結果相加，即可分析此類定向耦合器的理論操作 (圖 3)。V_in 為前向電壓， V_L 為反射電壓。

圖 3：藉由分析耦合線上兩個變壓器的個別電壓貢獻值，對變壓器型耦合器進行分析。(圖片來源：DigiKey)

上圖計算了電流感測變壓器對耦合線上耦合埠 (V_F’) 和隔離埠 (V_R’) 的貢獻值，但圖中移除了電壓感測變壓器。同樣地，下圖計算了電壓感測變壓器對這些埠的貢獻值 (V_F”和 V_R”)，但移除了電流感測變壓器。 耦合埠的電壓 V_F 由 V_F’ 和 V_F” 之和確定：

 方程式 1

耦合埠的最終電壓為輸入電壓除以變壓器匝數比。

同樣地，合併 VR’ 和 VR” 能得到隔離埠的電壓：

 方程式 2

隔離埠的電壓為反射電壓除以變壓器匝數比後的負值。負值符號表示反射電壓與前向電壓存在 180° 的相位差。

這類定向耦合器在較寬的頻率範圍內具有良好的效能，如 M/A-Com 的 MACP-011045 元件，頻寬範圍為 5 MHz 至 1225 MHz。這款變壓器型耦合器的耦合因數為 23 dB，額定功率為 10 W。隔離度與頻率相關，可從頻率低於 30 MHz 的 45 dB 變化為頻率超過 1 GHz 的 27 dB。此產品採用表面黏著式封裝，尺寸為 6.35 mm x 7.11 mm x 4.1 mm，可相容於多數的無線應用中。

耦合傳輸線型耦合器以同軸纜線或印刷電路傳輸線為基礎。此機制將緊密放置兩條或更多條的傳輸線 (長度通常為四分之一波長)，讓少量受控的訊號功率從主線洩露到一條或多條耦合線 (圖 4)。

圖 4：使用耦合傳輸線的雙定向耦合器示例。傳輸線通常為所設計中心頻率的四分之一波長部分。(圖片來源：DigiKey)

輸入施加到埠 1，大部分功率會傳送到埠 2 的負載。少量功率會耦合到連接埠 3 和埠 4 的次級線路。埠 3 為耦合埠。該處的功率位準是施加功率的固定百分比值。耦合係數取決於耦合線的幾何形狀，可描述耦合埠的功率。反射功率會耦合到埠 4，也就是隔離埠。

Anaren 的 11302-20 是典型的耦合傳輸線定向耦合器，涵蓋 190 至 400 MHz 的頻率範圍，能處理高達 100 W 的功率。此元件的標稱耦合係數為 20 dB，插入損耗為 0.3 dB，並採用 16.51 x 12.19 x 3.58 mm 的表面黏著式封裝，可用來監控中等功率發射器的功率位準和 VSWR 測量值。這種耦合器的尺寸與頻率範圍相關。隨著工作頻率的降低，其長度必須增加。這類元件通常用於尺寸較小的 UHF 和更高頻率。

最後一個定向耦合器拓樸是定向橋，這是一種與經典惠司同電橋相關的電路。此拓樸可搭配 Analog Devices 的 ADL5920 RMS 及 VSWR 偵測器使用 (圖 5)。

圖 5：Analog Devices 的 ADL5920 RMS 和 VSWR 偵測器所用的雙向橋簡化線路圖。此處的計算顯示，在正確端接條件下進行分析，可得出方向性為 33 dB。(圖片來源：Analog Devices)

ADL5920 使用電阻橋來分離傳輸線的前向與反射電壓。所示的計算可計算出額定端接下低頻元件的理論方向性值。方向性的計算結果是 33 dB。電橋的 V_REV 和 V_FWD 輸出，會饋送給動態範圍為 60 dB 的 RMS 偵測器級。偵測器輸出以線性方式進行讀取，以 dB 為單位。由前向與反射輸出差值得出的第三個輸出，則產生與回波損耗成正比的電壓，以 dB 為單位。此橋接型耦合器涵蓋 9 kHz 至 7 GHz 的頻率範圍，在匹配負載為 50 Ω 時，額定功率為 33 dBm (2 W)。插入損耗則在 10 MHz 的 0.9 dB 與 7 GHz 的 2 dB 之間變動。此元件採用 5 x 5 mm 表面黏著式封裝，厚度為 0.75 mm。

Analog Devices 還提供 ADL5920 的評估板，即 ADL5920-EVALZ。此板為全佔式板，需要 5 V、200 mA 的電源。輸入、輸出以及主輸出皆可藉由 2.92 mm 連接器取得。此線路圖顯示 ADL5920 所需的典型連接方式 (圖 6)。若想以最輕鬆的方式試用 ADL5920，這將是一個非常理想的工具。

圖 6：ADL5920-EALZ 評估板線路圖顯示 Analog Devices 的 ADL5920 雙向 RMS 和 VSWR 偵測器所需的典型連接方式。(圖片來源：Analog Devices)

電阻橋型定向耦合器能提供最寬廣的頻率範圍，與直流電 (DC) 非常相近。變壓器型與傳輸線型耦合器則頻寬有限，但兩者都能實現較高的功率限制。

這些元件都能以分線取出輸入功率樣本，以用於訊號監控電路。所得到的樣本可使用示波器或頻譜分析器等傳統儀器進行測量，以確定功率位準、頻率和調變。此外，這些資料也能整合為回授迴路的一部分，用來調整輸出，使其保持在所需的限制值內。

負載處的狀況由電壓駐波比 (VSWR) 來指示。輸出埠負載的 VSWR 可透過耦合埠輸出和隔離埠輸出 (分別代表前向電壓與反射電壓) 計算得出。

 方程式 3

回波損耗則可透過 VSWR 計算得出：

 方程式 4

結論

對 RF 系統設計人員來說，定向耦合器是極為有用的測量元件。此元件不僅能以振幅為標尺顯示 RF 功率位準，還能分離前向與反射訊號分量，幫助描述負載特性。如本文所述，目前有三種常見的耦合器拓樸可供選擇，這些耦合器能以與無線元件相容的小封裝提供上述輸出。