[发明专利]定向耦合器

说明书

技术领域

本发明涉及用在射频电路中的定向耦合器的实现方式。

背景技术

定向耦合器是涉及射频电磁场传输路径的一种布置。它给出 了测量信号，该信号的电平与在传输路径中特定方向上传播的场强度成 比例。大体上，在传输路径中相反方向上传播的场并不会影响到测量信 号的电平。定向耦合器具有至少三个端口：输入、输出、及测量端口。 输入到输入端口的信号能量被几乎全部被引导穿过耦合器到达输出端 口，并且该能量的一小部分被传递到测量端口。定向耦合器在输入和输 出端口之间的部分同时也是无线电设备传输路径的一部分，其继续到例 如发射机的天线。然后，与朝向天线传播的场真实强度成比例的测量信 号从测量端口被接收，该信号可能被用于发射机的控制目的。控制度部 分地依赖于定向耦合器的质量，即部分依赖于下述的质量：完全消除了 多少在关于被测量场相反方向上传播的场的影响。

在说明书和权利要求书中，“前向信号/场”意味着信号/场从 定向耦合器的输入端口传播到输出端口，并且“反转信号/场”意味着信 号/场从定向耦合器的输出端口传播到输入端口。

定向耦合器可以多种方式来设计。多数方式基于对四分之一 波长传输线的使用。图1示出了这种公知定向耦合器的实例。在该定向 耦合器中，被测量信号的传输路径包括传输导体110(为位于电路板PCB 上表面之上的第一导体带)和由电路板传导下表面组成的信号地GND。 第一导体带110的头部末端与被连接到信号地的导体垫一起组成了定向 耦合器的输入端口P1。相应地，第一导体带110的尾端与信号地一起组 成了定向耦合器的输出端口P2。此外，在电路板PCB的上表面上，还 有与第一导体带平行的第二导体带120，其中第二导体带的长度是处于 定向耦合器工作频率的波长λ的四分之一。导体带110和120之间的距 离例如是它们与地距离的十分之一。第二导体带120在其末端处以远离 第一导体带的方向延伸。第一延伸部121结束于第三端口或测量端口 P3。当使用定向耦合器时，电路已被耦合到测量端口，电路的阻抗Z等 于通过定向耦合器导体带和信号地及媒介共同形成的传输线的特征阻 抗Z₀。第二导体带的第二延伸部122结束于第四端口P4，其在本文中 还被称之为隔离端口。因此，实例的定向耦合器具有四个端口，如多数 其他定向耦合器一样。

第二导体带120用作传感导体：由于在它和第一导体带之间 的电磁耦合，馈给到输入端口的能量的一部分传递给第二导体带的电 路，传递给端口P3和P4的负载阻抗。当前向场的频率使前述的及绘制 于图1的λ/4条件获得满足时，传递给测量端口P3的能量达到其最大 值，并且传递给隔离端口P4的能量达到其最小值。在理想耦合器中后 一个能量为0，这是由于在耦合器中发生的偶数和奇数波形在基于第二 导体带120的传输线隔离端口处相互抵消。耦合器的方向性正是基于该 事实。即，如果相等频率的反向场在定向耦合器中存在，由于对称结构， 它的能量几乎不传递到测量端口P3。方向性的质量表现为在测量端口的 信号电平与隔离端口的信号电平之比。当这些场以相同的频率和强度传 播到相反方向传播时，该比例同在测量端口处由前向场(到测量端口) 所引起的信号电平与由反向场所引起的信号电平的比例关系是一回事。

图2示出了根据图1的定向耦合器的方向性和带宽的实例。 该视图示出了作为频率函数的两个传输系数的曲线。曲线201示出了在 测量端口处的信号电平与输入信号电平成比例的变化，并且曲线202示 出了在隔离端口处的信号电平与输入信号电平成比例的变化。表达为分 贝的系数差异指示了方向性的数值。从曲线中显示出方向性的最大值为 约20dB，该数值仅仅在下述频率范围内有效：其相对宽度仅仅是相应 四分之一波频率2.08GHz两侧的一小部分。超过10dB数值的方向性在 1.8-2.45GHz范围内，其相对宽度为约30％。曲线201还指示出，在定 向耦合器的工作范围中，测量端口的信号电平比穿过耦合器的信号电平 低约25dB。这意味着耦合器引起了穿过信号的0.014dB的衰减。

如果定向耦合器被用在当导体带110和120的平行部分长度 相应于半波长时的频率处，在第三和第四端口中的情况相反：传递到第 三端口P3的能量达到最小值，并且传递到第四端口P4的能量达到最大 值。如果然后定向耦合器被用在比相应于四分之一波长度的频率更低的 频率处，方向性将非常低。