满足紧凑型RF应用需求的微型定向耦合器介绍

在3G，4G和MIMO等高级无线应用中，仔细测量和管理RF输出功率至关重要，既可以在拥挤的频谱中实现有效的无线电性能，又可以延长电池寿命。定向耦合器用于采样去往天线的非常小部分的RF功率，同时不影响接收功率。使用此采样功率读数，器件可以最佳地管理其PA级的增益，从而管理其频谱问题和功耗。

虽然这些耦合器在概念上类似于用于测量负载的直流或交流线路电流（或功率）的分流器，但就其共性而言也是如此。它们实际上是非常不同的组件。由于定向耦合器是RF器件，因此它们的操作，设计和物理实现理论必须与RF世界兼容，而不是DC或AC电源线世界。诸如分流电阻器，电磁线圈传感器，光隔离器或霍尔效应器件的功率耦合器和传感器与RF耦合器情况无关。更加困难的是，当今许多RF应用需要在几GHz甚至更高频率的高频率下提供可靠的性能。

定向耦合器基础

定向耦合器是一种四端口器件（图1）。端口功能和名称是：

端口1：输入或接收电源端口，应用感兴趣的信号。

端口2：发送或输出电源端口，其中输入信号退出并进入下一级（通常是天线）。

端口3：耦合端口或前向耦合端口，它是感兴趣的采样信号功率。

端口4：隔离或反向耦合端口，通常不在内部使用和端接，具有系统特性阻抗（大多数RF设计为50Ω，有线电视应用为75Ω），或者具有用户提供的外部端接。/p>

图1：定向耦合器的功能原理图非常简单;端口分配是任意的，耦合器是无源可逆组件。

对定向耦合器性能和灵敏度的全面分析涉及s参数（散射参数），矢量分析和复杂方程。但是，关键性能属性很简单：

指向性或隔离是端口3和端口4之间功率电平的差异，表示耦合器隔离两个相反行进（正向和反向）信号的程度。所有信号路径之间总会有一些无意的耦合，因为不可能构建一个完美的耦合器。

耦合因子或损耗是耦合端口（3）和隔离端口（4）的功率损耗量。具有相当高的方向性，与故意转移到耦合端口的功率相比，无意中传输到隔离端口的功率可以忽略不计。典型值介于10和20 dB之间，但某些应用可能需要40 dB。

传输或主线损耗是耦合器主线的总损耗，是插入的结果损失和耦合损失。该值被添加到传递到耦合和隔离端口的功率的理论减少（耦合损耗）。耦合器的损耗大约为0.5到3dB。

输入功率是耦合器在输入端口（端口1）处理的最大功率。

其他问题包括带宽和通带平坦度。耦合器可以被设计和指定用于在诸如无线手机所需的较窄频带上操作，或者用于跨越数十年的更宽频带。对于所有带宽，尤其是宽带带宽，性能平坦度与频率的关系可能会成为一个问题。

在一些关键应用中，如系统测试，耦合器的驻波比（SWR）也是一个因素，因为这些反射在内部来回传播，并且会增加或减少感兴趣信号的功率电平。

建筑选择比比皆是

原则上，端口标签（P1到P4）是任意的。任何端口都可以指定为输入，与其直接相连的端口将是传输端口;相邻端口是耦合端口，对角端口是隔离端口。实际上，根据信号功率水平，耦合器结构可能不是对称和可逆的，而是构造成使得从端口1到端口2的路径可以处理更高的功率水平，而端口3到端口4的路径只需要处理更低的水平。此外，较高功率的耦合器可以使用较大的连接器用于端口1和2（信号路径），较小的连接器用于采样路径（端口3和4）。

有许多方法可以构建定向耦合器。在数百甚至数千瓦的更高功率水平下，波导用于路径。在几十瓦和几百瓦的中等水平下，耦合器可以用同轴电缆构建。这些是有效的设计，但相对昂贵且大，因此不适合便携式应用。

在手机和小型基站的功率水平下，耦合器可以构建为PC板带状线，陶瓷基组件（类似于双工器和SAW滤波器），甚至是微型线绕设备。虽然带状线是最便宜的并且可以提供优异的性能，但它需要PC板上相对大量的空间。它还受到周围组件的影响，因此限制了整个组件和电路板布局。由于尺寸，位置和接近度问题，基于带状线的耦合器通常用作独立耦合器的核心。与任何其他小型IC一样，PC板安装和焊接的陶瓷基和线绕耦合器是便携式应用中最常用的单元。

定向耦合器模型跨度实现，频率

< p>虽然不适用于手机，但Hirose HDH-00810GID（40）是0.8 GHz定向耦合器（图2），用于仪器仪表和基站（该系列的其他成员可用于其他频率）。它的核心是带状线设计，并采用耐腐蚀的铝制外壳和不锈钢SMA连接器。耦合指定为10±1 dB，最大插入损耗为0.3 dB。该装置可以处理高达10 W的功率，满足小型基站的需求。这些50Ω耦合器不包括连接器，尺寸为20×80 mm，高度为10 mm。

图2：基于电路板带状线芯构建的定向耦合器通常安装在一个带有分立连接器的小型独立外壳中;在这里，显示的Hirose HDH-00810GID（40）耦合器大约为20×80 mm，并且具有SMA型连接器。

来自M/A-Com的MACP-009596-CA0160是定向的示例耦合器采用线绕技术制造（图3）。这种宽带75Ω耦合器针对CATV应用，规定使用5至1000 MHz。尽管有“线绕”，非集成结构，但该单元的PC板占地面积仅为3.8×4.0 mm（图4）。

图3：来自M/A-Com的线绕MACP-009596-CA0160定向耦合器是用于CATV应用的宽带组件，可通过简单的类似变压器的原理图处理5至1000 MHz。/p>

图4：尽管MACP-009596-CA0160的非单片实现，但它并不比SOT-6 IC大得多。

在指定的频率范围内耦合损耗为10 dB，而传输（干线）损耗在1.1到1.4 dB（典型值）范围内，具体取决于在频段内进行测量的位置，以及1.4到1.7 dB（最大值） ）。类似地，方向性在18到22 dB之间变化，最小值在14到20 dB之间。

单片陶瓷器件，来自Anaren的Xinger系列中的DC4759J5020AHF定向耦合器用于4700至5900 MHz的中宽频谱，例如更高（5 GHz）的Wi-Fi频段，以及点对点（P2P）和点对多点（P2MP）应用。 50Ω器件采用6引脚表面贴装封装，占位面积为1.3×2.0 mm。从4900到5500 MHz的平均耦合为19.4 dB（典型值）;在更宽的4700到5900 MHz范围内，它是19.7 dB（图5）。插入损耗在较窄频段为0.14 dB（典型值）和0.27 dB（最大值），在4700至5900 MHz范围内为0.17 dB/0.32 dB（典型值/最大值）。

图5：Anaren DC4759J5020AHF 20 dB耦合器的扁平插入损耗表明它非常适合4700至5900 MHz频段，现在越来越受欢迎与拥挤的2.4 GHz频段相比，新一代Wi-Fi由于带宽更多，干扰源更少（如微波炉和ISM用户）。

DC4759J5020AHF也可用于需要宽带前端的设计 - 即使在给定时间只有一小部分频谱是感兴趣的，例如多频段智能手机。例如，在整个频率范围内，0到8500 MHz的插入损耗低于0.4 dB（图6）。这样，在其他可能感兴趣的信号远离其较窄的4700至5900 MHz直接感兴趣的频段的情况下，其插入不会对用户产生不利影响。

图6：DC4759J5020AHF的关键参数也提供0至8500 MHz频谱，使IC成为可能的耦合器宽带系统;请注意，在宽频率范围内插入损耗低于0.5 dB。