在3G，4G和MIMO等高級(jí)無線應(yīng)用中，仔細(xì)測量和管理RF輸出功率至關(guān)重要，既可以在擁擠的頻譜中實(shí)現(xiàn)有效的無線電性能，又可以延長電池壽命。定向耦合器用于采樣去往天線的非常小部分的RF功率，同時(shí)不影響接收功率。使用此采樣功率讀數(shù)，器件可以最佳地管理其PA級(jí)的增益，從而管理其頻譜問題和功耗。

雖然這些耦合器在概念上類似于用于測量負(fù)載的直流或交流線路電流（或功率）的分流器，但就其共性而言也是如此。它們實(shí)際上是非常不同的組件。由于定向耦合器是RF器件，因此它們的操作，設(shè)計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)理論必須與RF世界兼容，而不是DC或AC電源線世界。諸如分流電阻器，電磁線圈傳感器，光隔離器或霍爾效應(yīng)器件的功率耦合器和傳感器與RF耦合器情況無關(guān)。更加困難的是，當(dāng)今許多RF應(yīng)用需要在幾GHz甚至更高頻率的高頻率下提供可靠的性能。

定向耦合器基礎(chǔ)

定向耦合器是一種四端口器件（圖1）。端口功能和名稱是：

端口1：輸入或接收電源端口，應(yīng)用感興趣的信號(hào)。

端口2：發(fā)送或輸出電源端口，其中輸入信號(hào)退出并進(jìn)入下一級(jí)（通常是天線）。

端口3：耦合端口或前向耦合端口，它是感興趣的采樣信號(hào)功率。

端口4：隔離或反向耦合端口，通常不在內(nèi)部使用和端接，具有系統(tǒng)特性阻抗（大多數(shù)RF設(shè)計(jì)為50Ω，有線電視應(yīng)用為75Ω），或者具有用戶提供的外部端接。/p>

圖1：定向耦合器的功能原理圖非常簡單;端口分配是任意的，耦合器是無源可逆組件。

對(duì)定向耦合器性能和靈敏度的全面分析涉及s參數(shù)（散射參數(shù)），矢量分析和復(fù)雜方程。但是，關(guān)鍵性能屬性很簡單：

指向性或隔離是端口3和端口4之間功率電平的差異，表示耦合器隔離兩個(gè)相反行進(jìn)（正向和反向）信號(hào)的程度。所有信號(hào)路徑之間總會(huì)有一些無意的耦合，因?yàn)椴豢赡軜?gòu)建一個(gè)完美的耦合器。

耦合因子或損耗是耦合端口（3）和隔離端口（4）的功率損耗量。具有相當(dāng)高的方向性，與故意轉(zhuǎn)移到耦合端口的功率相比，無意中傳輸?shù)礁綦x端口的功率可以忽略不計(jì)。典型值介于10和20 dB之間，但某些應(yīng)用可能需要40 dB。

傳輸或主線損耗是耦合器主線的總損耗，是插入的結(jié)果損失和耦合損失。該值被添加到傳遞到耦合和隔離端口的功率的理論減少（耦合損耗）。耦合器的損耗大約為0.5到3dB。

輸入功率是耦合器在輸入端口（端口1）處理的最大功率。

其他問題包括帶寬和通帶平坦度。耦合器可以被設(shè)計(jì)和指定用于在諸如無線手機(jī)所需的較窄頻帶上操作，或者用于跨越數(shù)十年的更寬頻帶。對(duì)于所有帶寬，尤其是寬帶帶寬，性能平坦度與頻率的關(guān)系可能會(huì)成為一個(gè)問題。

在一些關(guān)鍵應(yīng)用中，如系統(tǒng)測試，耦合器的駐波比（SWR）也是一個(gè)因素，因?yàn)檫@些反射在內(nèi)部來回傳播，并且會(huì)增加或減少感興趣信號(hào)的功率電平。

建筑選擇比比皆是

原則上，端口標(biāo)簽（P1到P4）是任意的。任何端口都可以指定為輸入，與其直接相連的端口將是傳輸端口;相鄰端口是耦合端口，對(duì)角端口是隔離端口。實(shí)際上，根據(jù)信號(hào)功率水平，耦合器結(jié)構(gòu)可能不是對(duì)稱和可逆的，而是構(gòu)造成使得從端口1到端口2的路徑可以處理更高的功率水平，而端口3到端口4的路徑只需要處理更低的水平。此外，較高功率的耦合器可以使用較大的連接器用于端口1和2（信號(hào)路徑），較小的連接器用于采樣路徑（端口3和4）。

有許多方法可以構(gòu)建定向耦合器。在數(shù)百甚至數(shù)千瓦的更高功率水平下，波導(dǎo)用于路徑。在幾十瓦和幾百瓦的中等水平下，耦合器可以用同軸電纜構(gòu)建。這些是有效的設(shè)計(jì)，但相對(duì)昂貴且大，因此不適合便攜式應(yīng)用。

在手機(jī)和小型基站的功率水平下，耦合器可以構(gòu)建為PC板帶狀線，陶瓷基組件（類似于雙工器和SAW濾波器），甚至是微型線繞設(shè)備。雖然帶狀線是最便宜的并且可以提供優(yōu)異的性能，但它需要PC板上相對(duì)大量的空間。它還受到周圍組件的影響，因此限制了整個(gè)組件和電路板布局。由于尺寸，位置和接近度問題，基于帶狀線的耦合器通常用作獨(dú)立耦合器的核心。與任何其他小型IC一樣，PC板安裝和焊接的陶瓷基和線繞耦合器是便攜式應(yīng)用中最常用的單元。

定向耦合器模型跨度實(shí)現(xiàn)，頻率

< p>雖然不適用于手機(jī)，但Hirose HDH-00810GID（40）是0.8 GHz定向耦合器（圖2），用于儀器儀表和基站（該系列的其他成員可用于其他頻率）。它的核心是帶狀線設(shè)計(jì)，并采用耐腐蝕的鋁制外殼和不銹鋼SMA連接器。耦合指定為10±1 dB，最大插入損耗為0.3 dB。該裝置可以處理高達(dá)10 W的功率，滿足小型基站的需求。這些50Ω耦合器不包括連接器，尺寸為20×80 mm，高度為10 mm。

圖2：基于電路板帶狀線芯構(gòu)建的定向耦合器通常安裝在一個(gè)帶有分立連接器的小型獨(dú)立外殼中;在這里，顯示的Hirose HDH-00810GID（40）耦合器大約為20×80 mm，并且具有SMA型連接器。

來自M/A-Com的MACP-009596-CA0160是定向的示例耦合器采用線繞技術(shù)制造（圖3）。這種寬帶75Ω耦合器針對(duì)CATV應(yīng)用，規(guī)定使用5至1000 MHz。盡管有“線繞”，非集成結(jié)構(gòu)，但該單元的PC板占地面積僅為3.8×4.0 mm（圖4）。

圖3：來自M/A-Com的線繞MACP-009596-CA0160定向耦合器是用于CATV應(yīng)用的寬帶組件，可通過簡單的類似變壓器的原理圖處理5至1000 MHz。/p>

圖4：盡管MACP-009596-CA0160的非單片實(shí)現(xiàn)，但它并不比SOT-6 IC大得多。

在指定的頻率范圍內(nèi)耦合損耗為10 dB，而傳輸（干線）損耗在1.1到1.4 dB（典型值）范圍內(nèi)，具體取決于在頻段內(nèi)進(jìn)行測量的位置，以及1.4到1.7 dB（最大值） ）。類似地，方向性在18到22 dB之間變化，最小值在14到20 dB之間。

單片陶瓷器件，來自Anaren的Xinger系列中的DC4759J5020AHF定向耦合器用于4700至5900 MHz的中寬頻譜，例如更高（5 GHz）的Wi-Fi頻段，以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（P2MP）應(yīng)用。 50Ω器件采用6引腳表面貼裝封裝，占位面積為1.3×2.0 mm。從4900到5500 MHz的平均耦合為19.4 dB（典型值）;在更寬的4700到5900 MHz范圍內(nèi)，它是19.7 dB（圖5）。插入損耗在較窄頻段為0.14 dB（典型值）和0.27 dB（最大值），在4700至5900 MHz范圍內(nèi)為0.17 dB/0.32 dB（典型值/最大值）。

圖5：Anaren DC4759J5020AHF 20 dB耦合器的扁平插入損耗表明它非常適合4700至5900 MHz頻段，現(xiàn)在越來越受歡迎與擁擠的2.4 GHz頻段相比，新一代Wi-Fi由于帶寬更多，干擾源更少（如微波爐和ISM用戶）。

DC4759J5020AHF也可用于需要寬帶前端的設(shè)計(jì) - 即使在給定時(shí)間只有一小部分頻譜是感興趣的，例如多頻段智能手機(jī)。例如，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，0到8500 MHz的插入損耗低于0.4 dB（圖6）。這樣，在其他可能感興趣的信號(hào)遠(yuǎn)離其較窄的4700至5900 MHz直接感興趣的頻段的情況下，其插入不會(huì)對(duì)用戶產(chǎn)生不利影響。

圖6：DC4759J5020AHF的關(guān)鍵參數(shù)也提供0至8500 MHz頻譜，使IC成為可能的耦合器寬帶系統(tǒng);請(qǐng)注意，在寬頻率范圍內(nèi)插入損耗低于0.5 dB。