在汽车雷达、5G蜂窝网络以及物联网等现代射频（RF）应用中，电子系统对射频源的依赖不断增加。为了保证系统的稳定性和性能，监测和控制射频功率水平变得至关重要。这些射频源的输出功率极高，可能会对传输线和负载造成损耗。设计人员需要找到一种有效的监测手段，以便能够在不直接连接敏感仪器的情况下，进行信号监测，避免高信号电平可能带来的损坏。
在这些应用中，面对的挑战不仅仅是简单的功率监测。如何在宽频带范围内精确确定射频负载（如天线）的特性、如何在发射器处于广播状态时有效监测负载的变化和驻波比，以防止反射功率过大或放大器损坏等问题，都需要有效解决。
为了应对这些挑战，将定向耦合器接入传输线是一个行之有效的解决方案。定向耦合器能够精确地监测线路中的射频能量流，并且能够将功率水平降低一个已知的固定量。这种设备在采样过程中对主线信号的干扰非常小，同时还能有效分离正向和反射功率，从而监测回波损耗或驻波比，为广播状态下的负载变化提供反馈。
定向耦合器的基本介绍
定向耦合器是一种重要的测量设备，通常用于射频源与负载之间的传输线中。它的主要功能是测量从射频源到负载的正向射频功率以及从负载反射回射频源的功率（即反射功率）。通过测量这些正向和反射功率，能够进一步计算出总功率、负载的回波损耗和驻波比。
定向耦合器一般分为三端口和四端口两种类型。在三端口的定向耦合器中，电源通过输入端口连接，负载连接到输出或传输端口。耦合端口输出的是经过衰减的正向信号。三端口设备中的隔离端口通常已经内部端接，而在四端口设备中，隔离端口输出的信号与反射信号成正比。四端口配置中，输入端口与耦合端口的箭头指示了正向分量的接收，而输出端口则连接到隔离端口，以读取反射信号。
在实际应用中，定向耦合器的端口连接方式是对称的，各端口连接可以互换。例如，在三端口设备中，若反接输入和输出端口，则端口3会变成隔离端口。而在四端口设备中，反接输入和输出端口会导致耦合端口和隔离端口的位置互换。
定向耦合器的输出是射频信号，耦合和隔离端口的输出通常连接到峰值或RMS检测器，这些检测器能够产生与正向和反射功率电平相关的基带信号。定向耦合器与检测器组合形成了反射计，在某些应用中，两个定向耦合器可以背靠背连接，形成双定向耦合器，以最大限度地减少耦合端口和隔离端口之间的泄漏。
定向耦合器的关键规格
定向耦合器具有几个重要的特性指标，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：带宽指的是耦合器能够在规格范围内正常工作的频率范围，单位为赫兹（Hz）。
额定输入功率：这是指耦合器能够处理的最大功率，单位为瓦特（W）。该值表示在不降低性能或造成物理损坏的情况下，耦合器所能处理的最大功率。对于连续波（CW）和脉冲输入信号，额定输入功率是一个关键参数。
插入损耗：插入损耗描述了设备接入主传输路径所引起的功率损耗，单位为分贝（dB）。
频率平坦度：频率平坦度表示在设备特定带宽内主传输路径的幅值响应变化，它是输入信号频率变化的函数，单位为dB。
耦合系数：耦合系数是指在所有端口正确端接的情况下，输入功率与耦合端口输出功率的比值，单位为dB。耦合系数是定向耦合器的重要特性之一，描述了耦合端口的输出与直通路径（从输入到输出）的功率水平的比例。
隔离度：隔离度指的是在所有端口正确端接的情况下，输入端口与隔离端口之间的功率比值，单位为dB。
方向性：方向性衡量了耦合端口与隔离端口之间的功率比值，单位为dB。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：残余VSWR表示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。
定向耦合器的拓扑结构
定向耦合器的设计可以采用多种拓扑结构，其中最常见的三种分别是基于射频变压器的拓扑、基于电阻桥的拓扑和基于耦合传输线的拓扑。
基于射频变压器的拓扑结构通常使用两台射频变压器。变压器T1用于检测输入和负载之间的主线电流，而变压器T2则用于检测主线的对地电压。耦合系数由变压器的匝数比N决定。通过将每台变压器的感应电压结合起来并相加，可以对这类定向耦合器进行理论分析。
例如，M/A-Com的MACP-011045是一款基于变压器的耦合器，具有5至1225 MHz的带宽范围。其耦合系数为23 dB，额定功率为10 W。隔离度依赖于频率，在频率范围从30 MHz以下至1 GHz以上时，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，适用于大多数无线应用。
另一种常见的拓扑结构是基于耦合传输线的设计。这种耦合器由同轴电缆或印刷电路传输线构成，将两条或多条传输线（长度通常为波长的1/4）紧密排列，从而使少量受控信号功率从主线泄漏到耦合线。
以Anaren的11302-20为例，这是一款典型的耦合传输线定向耦合器，频率范围为190至400 MHz，可处理高达100 W的功率。该设备的标称耦合系数为20 dB，插入损耗为0.3 dB。它采用表面贴装形式，尺寸为16.51 x 12.19 x 3.58 mm，适用于监测中等功率发射器的功率水平和VSWR测量。
最后一种拓扑结构是电阻桥，这种结构与经典的惠斯通电桥有关。Analog Devices的ADL5920 RMS和VSWR检测器就是采用了这种电阻桥拓扑。在所有端口正确端接的情况下，ADL5920的方向性为33 dB。电阻桥通过分离传输线上的正向和反射电压，实现对功率和驻波比的检测。
ADL5920-EVALZ评估板是Analog Devices为ADL5920推出的配置齐全的评估工具，连接5 V、200 mA电源即可使用。输入、输出及主要输出通过2.92 mm连接器
连接。这款评估板提供了对ADL5920的全面测试功能，是试用该检测器的理想选择。电阻桥实现的定向耦合器具有最宽的频率范围，几乎可以覆盖直流（DC）范围，而基于变压器和传输线的耦合器则在带宽上有所限制，但它们能够处理更大的额定功率。
上述设备中的每一种都能够提取输入功率的样本，用于信号监控电路。通过示波器或频谱分析仪等传统仪器，用户可以测量这些样本，以确定功率水平、频率和调制度。这些数据还可以被整合进反馈回路中，用于调整输出，以确保它保持在所需的范围内。
在测量和监控负载状态时，电压驻波比（VSWR）是一个重要指标。通过使用耦合端口和隔离端口的输出（即正向电压和反射电压），可以计算出输出端口的负载VSWR。这对于评估系统性能和优化信号传输具有重要意义。
定向耦合器是射频系统设计中的重要测量工具。它不仅能够提供射频功率电平的幅值比例视图，还能够有效分离正向和反射信号分量，从而对负载特性进行深入分析。三种主要的定向耦合器拓扑—基于射频变压器的、基于耦合传输线的和基于电阻桥的—各有其独特的优点，能够满足不同应用场景下的需求。
基于射频变压器的拓扑结构在频率范围和隔离度上表现优异，适合于需要较高频率精度的应用。基于耦合传输线的耦合器则因其设计简单和功率处理能力强而受到青睐，特别适用于中等功率范围的应用。电阻桥类型的耦合器提供了最宽的频率范围，是对低频和宽频带信号监测的理想选择。
在实际应用中，这些耦合器的选择和使用应根据具体需求来决定，例如频率范围、功率处理能力和插入损耗等参数。通过合适的定向耦合器，设计人员可以更好地监测和控制射频系统的性能，确保设备在高功率和高频率环境下的稳定运行。