作者： Bill Schweber

對(duì)于參與非射頻電路分析或?qū)嶋H電路板和臺(tái)式工作的工程師來說，他們感興趣的主要信號(hào)參數(shù)是設(shè)計(jì)中特定點(diǎn)的電壓和電流。這些參數(shù)可以使用電壓表、示波器或電流檢測(cè)電阻來測(cè)量。

相比之下，有線和無線射頻領(lǐng)域的工作人員關(guān)注的則是以瓦特或毫瓦 (mW) 為單位的功率，或以 1 mW (dBm) 為基準(zhǔn)的分貝 (dB)。然而，測(cè)量射頻功率并非易事，因?yàn)椴淮嬖陬愃齐妷夯螂娏髂菢雍?jiǎn)單的，也不會(huì)干擾功率傳輸信號(hào)拾取點(diǎn)。相反，要使用獨(dú)特的信號(hào)變送器和方案來評(píng)估射頻功率水平。

定向耦合器是最常見的方法之一，這是一種無源裝置，既可以“拾取”具有規(guī)定耦合度的射頻信號(hào)，又可在信號(hào)和采樣端口之間提供高隔離度。

這是一項(xiàng)經(jīng)過充分驗(yàn)證的技術(shù)，讓我們了解一下定向耦合器的工作原理。然后，我們將探討材料的進(jìn)步如何推動(dòng)耦合器的發(fā)展，從而將耦合器縮小為適合低功耗電路的微型表面貼裝技術(shù) (SMT) 器件。

定向耦合器的工作原理

通用四端口耦合器具有無源射頻功能，包括耦合端口（正向）和隔離（反向或反射）端口（圖 1，上圖）。定向耦合器是一種三端口結(jié)構(gòu)，無需使用隔離端口；這種配置用于只需要單一前向耦合（定向）輸出的應(yīng)用（圖 1，下圖）。

定向耦合器的作用是在信號(hào)傳輸線中進(jìn)行功率采樣，而不改變線路特性。這有點(diǎn)類似于使用高阻抗電壓表，以免給待測(cè)線路上的電源增加負(fù)載。

借助這種定向耦合技術(shù)，可以使用簡(jiǎn)單的低電平檢測(cè)器或場(chǎng)強(qiáng)計(jì)和功率測(cè)量設(shè)備來測(cè)量信號(hào)功率。一小部分固定的輸入功率會(huì)從輸入端口 P1 入射至耦合端口 P3，供測(cè)量使用。剩余的輸入功率被輸送（稱為通過或輸出）至發(fā)射端口 P2。

定向耦合器的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于其單向功率耦合特性；僅耦合單向傳輸功率；任何意外進(jìn)入輸出端口的功率都會(huì)被耦合至未使用的端接隔離端口 P4，而非端口 P3，但這種情況不會(huì)對(duì)定向耦合器的定向流動(dòng)造成干擾。

圖 1：定向耦合器是一種三端口無源射頻功能器件，可將 P1 上的部分入射功率轉(zhuǎn)移到耦合端口 P3 進(jìn)行測(cè)量，而不會(huì)影響從輸入端口 P1 到發(fā)射（輸出）端口 P2 的主要單路徑；定向耦合器是四端口雙向耦合器的單向子器件。（圖片來源：Wikipedia）

這些頂級(jí)參數(shù)用于指定定向耦合器：

• 耦合度： 傳輸?shù)今詈隙丝?(P3) 的輸入功率（在 P1 處）的比例。
• 方向性： 該參數(shù)表示耦合器區(qū)分正向波與反向波傳播的能力，可從耦合 (P3) 端口和隔離 (P4) 端口觀察。
• 隔離度： 輸送至非耦合負(fù)載的功率大?。≒4）。
• 插入損耗： 指輸入功率在傳輸端口的衰減量，包含分流至耦合端口與隔離端口的功率分量。
• 回波損耗： 該參數(shù)表示由于阻抗不匹配而反射回 P1 端口的功率大小。

采用先進(jìn)材料可縮小定向耦合器的體積

有很多種方法用來構(gòu)建定向耦合器。從歷史上看，定向耦合器通過波導(dǎo)或同軸電纜來實(shí)現(xiàn)，而這些對(duì)于更高功率的應(yīng)用來說仍然是必需的。然而，現(xiàn)代低端射頻電路（例如基站中的電路）需要小得多的耦合器。這可以通過在高介電常數(shù)陶瓷基板上使用帶狀線或微帶工藝來實(shí)現(xiàn)。

微帶線是一種平面?zhèn)鬏斁€技術(shù)，使用由電介質(zhì)基板與接地平面隔離的導(dǎo)電帶。完整的器件（如天線、耦合器、濾波器及功分器）均由基板上的金屬化圖形結(jié)構(gòu)形成，且具有高精度尺寸特性。相比其他傳輸線技術(shù)，使用微帶線技術(shù)構(gòu)建的小型器件更輕、更緊湊，而且通常更便宜。這類器件可以處理大約十瓦的中等級(jí)功率。

使用高 K 材料作為基板可以縮短射頻信號(hào)的波長(zhǎng)并減小器件的整體尺寸。請(qǐng)注意，學(xué)術(shù)文獻(xiàn)有時(shí)使用小寫 k，在更正式材料中稱為 κ（希臘語 kappa）。

利用由高 K 材料制造的定向耦合器和 [Knowles] 的高精度薄膜微帶工藝技術(shù)，射頻設(shè)計(jì)人員可以在保持嚴(yán)格性能公差的同時(shí)，減小射頻電路的尺寸、重量和功率 (SWaP)。

這些高 K 材料的優(yōu)勢(shì)效果非常顯著，如圖 2 對(duì)比所示：三種常見電介質(zhì)材料（PTFE、FR-4 和氧化鋁）以及 Knowles 開發(fā)的三種定制基板（PG、CF 和 CG）在 25 千兆赫 (GHz) 時(shí)的介電常數(shù)及對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。他們的 CF 基板的介電常數(shù)為 25，而 FR-4 材料的介電常數(shù)為 4.8。因此，采用 CF 材料制造的器件波長(zhǎng)縮短至 FR-4 材料器件的 2/5，實(shí)現(xiàn)了器件尺寸的大幅縮小。

圖 2：薄膜微帶線定向耦合器（左）利用極高 K 介電基板，顯著減小了器件尺寸和重量（右）。（圖片來源：Knowles）

SMT 定向耦合器的性能示例

Knowles [FPC06073] 和 [FPC07182] 耦合器的性能和尺寸基于微帶線技術(shù)和高 K 值電介質(zhì)基板的定向耦合器，且每個(gè)耦合器分別支持千兆赫頻譜內(nèi)的不同范圍和帶寬（如圖 3 中的上、下兩圖所示）。

圖 3：FPC06073（上圖）和 FPC07182（下圖）耦合器在各自頻段內(nèi)均具有出色的性能，包括四個(gè)高級(jí)參數(shù)：回波損耗、插入損耗、耦合系數(shù)和隔離度。（圖片來源：Knowles Precision Devices）

FPC06073 50 歐姆 (Ω) SMT 定向耦合器涵蓋 4 至 8 GHz，耦合系數(shù)為 10 dB，方向性為 20 dB。該器件外形小巧，約為 4.3 × 2.0 × 0.38 毫米 (mm) (0.170 × 0.080 × 0.015 英寸 (in.))，非常適合緊湊型設(shè)計(jì)。該器件的額定功率為 25 瓦（連續(xù)）。圖 3 所示的四個(gè)指標(biāo)的性能，尤其是耦合度和插入損耗在整個(gè)頻帶內(nèi)相對(duì)平坦，工作和存儲(chǔ)溫度均規(guī)定為 -55?C 至 125?C。

FPC07182 SMT 耦合器的頻率更高，達(dá)到 20 至 40 GHz。與 FPC060073 一樣，該器件具有 10 dB 耦合度，但方向性也是 10 dB。這款 50 Ω 器件的尺寸更小，僅為 1.65 × 1.270 × 0.254 毫米（0.065 × 0.050 × 0.010 英寸），可處理高達(dá) 14 瓦的功率，并在整個(gè) 20 GHz 帶寬內(nèi)表現(xiàn)出非常平坦的耦合度和插入損耗。

結(jié)語

基于高介電常數(shù)陶瓷基板和微帶線技術(shù)的定向耦合器，現(xiàn)可在幾乎看不見的 SMT 設(shè)備中實(shí)現(xiàn)這種射頻功能，并在其規(guī)定的千兆頻段內(nèi)具有出色的性能和功率處理能力。

相關(guān)內(nèi)容

1：Knowles Precision Devices，《利用高 K 材料和精密薄膜微帶線技術(shù)降低射頻電路的 SWaP》

[https://info.knowlescapacitors.com/hubfs/White%20Papers/Device_Minaturization_WP_V7.pdf]

2：DigiKey，《射頻定向耦合器的基本原理及其有效使用方法》

[https://www.digikey.com/en/articles/the-fundamentals-of-rf-directional-couplers-and-how-to-use-them-effectively]

3：DigiKey，《攻克射頻功率的檢測(cè)難題》 （引用自 Analog Devices 的材料）

[https://www.digikey.com/en/articles/solving-the-rf-power-detection-challenge]

4：DigiKey，《微型定向耦合器能夠滿足緊湊型射頻應(yīng)用的需求》

[https://www.digikey.com/en/articles/tiny-directional-couplers-meet-demands-of-compact-rf-applications]