定向耦合器的基础知识解析

定向耦合器是一种极具使用价值的无源射频器件，其可从主传输路径中提取一小部分能量，并将其导向至一个或多个耦合端口。由于耦合端口与主传输路径之间具有高隔离度时较为有利，因此定向耦合器端口间的隔离度通常较高。目前，主要有两种类型的定向耦合器：具有一个耦合端口和一个端接端口的标准定向耦合器；以及具有正向和反向耦合端口的双定向耦合器。此外，还存在其他类型的双定向耦合器，根据耦合至正向或反向端口的耦合端口的种类，这些双定向耦合器被称为正向耦合器和反向耦合器。

常见定向耦合器示意图

需要注意的重要一点是，定向耦合器所提供的耦合量对主传输路径插入损耗的理论最小值具有直接影响。端口的耦合量越小，插入损耗越低。通常，耦合端口的额定功率水平低于主传输路径的额定功率水平，当主传输路径功率与耦合强度的差值超出耦合端口的功率处理能力时，则可能发生故障。一般情况下，采用精密内部匹配端接方式的三端口定向耦合器的定向性高于采用外部端接方式的四端口定向耦合器。

另一个需要考虑的因素在于定向耦合器端接端口的端接类型。如果端接电阻设置为与传输线路的固有阻抗（通常为50欧姆）相等，该端接端口处的能量可以极小的反射量被吸收。然而，当端接端口处短路或开路，或者与传输线路的特性阻抗不匹配时，该端口处的能量将被反射回主传输路径。此外，当端接端口的功率超出端接器的功率限制，则可能会发生故障。这一情况在已匹配的端接端口失效并变为反射负载时将变得尤其糟糕，其将导致主传输路径内产生破坏性的功率水平。

定向耦合器通常用于测试测量应用。此间一例为通过采用双定向耦合器的方式，或通过以定向耦合器实施多项测试的方式，测量传输线路的输入功率和反射功率。这在除去耦合器本身的损耗之后，可作为电压驻波比的一种度量。其他用途例如包括信号采样、信号注入以及功率通量监测，其中，为了实现最佳的准确度，用户还得考虑定向耦合器本身的损耗。

当实施精确测量时，还需要根据定向耦合器的质量考虑端口之间的隔离度。无论如何耦合，耦合器端口之间通常存在一定程度的泄露。这一泄露量通常称为隔离度，用于衡量耦合器设计的防泄漏能力。定向耦合器的定向性为隔离度与耦合系数之比，是耦合器的一个常见性能指标。

与大多数射频/微波器件一样，器件参数确切值在不同频率下并不保持绝对一致。上述耦合系数、插入损耗、定向性、隔离度等通常均为频率因子。当进行高灵敏度测量时，上述各因子以及所有制造公差均须考虑在内。此外，定向耦合器还具有工作带宽这一参数。在设计时，需要在以上所提及的各参数之间进行权衡折衷，因此耦合器的最优设计最终取决于其应用。

大多数定向耦合器因端口直流接地而不允许直流电流通过，只有某些定向耦合器可允许直流电流通过。对于允许直流电流通过的定向耦合器而言，重要的一点是，须将电流保持于额定值以下，以防电阻性损耗导致发热或影响端接性能。为了满足目标性能，双定向耦合器（或称双向耦合器）的所有端口均须接地。此外，重要的一点是，接地质量和连接负载须与定向耦合器的端口阻抗匹配。

90度或180度电桥也通常被称为“耦合器”。 虽然这些器件的物理设计通常与定向耦合器看起来非常相似，但是其工作方式与定向耦合器有本质不同。然而，由于此类器件可在输出和耦合端口之间进行功率分配（3dB分配），因此当其被误认为耦合系数极低的定向耦合器时，有可能造成损坏。