[发明专利]定向耦合器

说明书

技术领域

本发明涉及用于射频电路中的定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是与射频电磁场的传输路径有关的装置。它给出的测量 信号电平传播到传输路径特定方向的场强度成正比。理论上，传播到 传输路径的相反方向的场不影响测量信号的电平。定向耦合器具有至 少三个端口：输入、输出和测量端口。进入输入端口的信号能量几乎 全部引导通过耦合器到达输出端口，且该能量的一小部分传输给测量 端口。定向耦合器在输入和输出端口之间的部分同时是无线电设备(其 延续到例如发送器的天线)的传输路径的一部分。然后从测量端口接 收与朝天线传播的实际场强度成正比的测量信号，该信号可以用于发 送器的调节目的。调节准确性部分取决于定向耦合器的质量，即以相 反方向传播的场相对于待测量场的效应被多么彻底地消除。

在该说明书和权利要求书中，“正向信号/场”指的是从定向耦合器 的输入端口向输出端口传播的信号/场，“反向信号/场”指的是从定向耦 合器的输出端口向输入端口传播的信号/场。

定向耦合器可以设计成若干种方式。它们大多数基于采用四分之一 波长的传输线。图1示出了这种公知定向耦合器的示例。其中，待测量 信号的传输路径包括传输导体120(其位于电路板PCB的上表面上的导 电带)和信号地线GND(由电路板的导电下表面构成)。传输导体120 的首端与局部信号地线一起构成定向耦合器的输入端口P1。相应地， 传输导体的尾端与信号地线一起构成定向耦合器的输出端口P2。此外， 在电路板PCB的上表面上有平行于传输导体的第二导电带130，该带的 长度是定向耦合器的操作频率时波长λ的四分之一。导电带120和130之 间的距离是例如它们离地线的距离的十分之一。第二导电带130远离传 输导体延伸至第二导电带130的末端。第一延续部分135终止于第三端 口或测量端口P3处。当定向耦合器使用时，如下电路已耦连到测量端 口上，该电路的阻抗Z等于由定向耦合器的导电带与信号地线和介质一 起构成的传输线的特征阻抗Z_O。第二导电带的第二延续部分136终止于 第四端口P4(在此也称为隔离端口)。因而，该示例的定向耦合器具 有四个端口，大多数其它定向耦合器也是如此。

第二导电带130用作传感导体：由于它与传输导体之间的电磁耦合， 供应给输入端口的能量的一部分传输给传感导体的电路，传输给端口 P3和P4的负载阻抗。当正向场的频率使得前述在图1表示的λ/4条件实现 时，传递给测量端口P3的能量处于其最大值，传递给隔离端口P4的能 量处于其最小值。后者能量在理想耦合器中为0，因为在耦合器中产生 的偶波形和奇波形基于传感导体130在传输线的隔离端口端部处彼此 抵消。耦合器的方向性基于这样一个事实。即，如果相等频率反向场 在定向耦合器中存在，由于对称结构使得几乎没有能量传输给测量端 口P3。方向性的质量表示为测量端口中的信号电平与隔离端口中的信 号电平的比例。当以相反方向传播的场具有相等的频率和强度时，这 与由测量端口中的正向场引起的信号电平与由测量端口中的反向场引 起的信号电平的比例是一回事。

图2示出了根据图1的定向耦合器的方向性和频带宽度的示例。该图 示出了作为频率函数的两个传输系数的曲线。曲线201示出了与输入信 号电平成比例的测量端口中的信号电平的变化，曲线202示出了与输入 信号电平成比例的隔离端口中的信号电平的变化。分贝表示的系数差 异表示了方向性的值。从这些曲线可以看出，方向性在大约20dB时处 于其最高值，该值仅在相对宽度仅为对应于四分之一波长的频率 2.08GHz两侧上百分之几的频率范围中有效。方向性在1.92-2.25GHz的 范围中超过值15dB，其相对宽度为约16％。曲线201也表示，在定向耦 合器的操作范围中，测量端口中的信号电平比传播通过耦合器的信号 电平低大约25dB。这意味着测量信号引起传播通过的信号的0.014dB衰 减。

如果定向耦合器在导电带120和130的平行部分的长度对应于半波 长的频率时使用，第三和第四端口的情况相反：传递给测量端口P3的 能量处于其最小值，传递给隔离端口P4的能量处于其最大值。同样， 如果定向耦合器在与对应于四分之一波长的频率相比较低的频率时使 用，方向性非常低。