內(nèi)容摘要：定性地對(duì)3 dB定向耦合器原理及結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行說(shuō)明分析；介紹了3 dB定向耦合器現(xiàn)行功用,、主要性能指標(biāo)參數(shù),。通過(guò)3 dB定向耦合器在全固態(tài)調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用介紹，說(shuō)明3 dB定向耦合器在使用性能上的多元化以及應(yīng)用的廣泛化,，為3 dB定向耦合器在射頻電路設(shè)計(jì)思路上提供一些借鑒,。

     關(guān)鍵詞：3 dB定向耦合器；耦合度,；隔離度,；調(diào)頻發(fā)射

    引言

    在微波、雷達(dá),、廣播電視,、通信系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)遇到需要耦合射頻功率的問(wèn)題,，定向耦合器就是一種具有方向性的功率分配器,，它能從主傳輸線系統(tǒng)的正向波中按一定比例分出一部分功率，實(shí)現(xiàn)功率的分支,、分配或反向合成,。3 dB定向耦合器就是一種特殊的定向耦合器，它廣泛用于功率合成,、功率分配,、恒阻濾波器、多工器,、移相器,、衰減器和能量倍增器等。

    1 3 dB定向耦合器的原理

    1．1 結(jié)構(gòu)特性

    3 dB定向耦合器(如圖1)是依靠框內(nèi)兩根平行的帶狀線的定向耦合作用,，分出一半能量饋送到與之對(duì)稱的另一根帶狀線上,，信號(hào)從“1”端輸入，則有一半能量饋送到與之對(duì)稱的另一根帶狀線“2”端,，剩下的另一半能量直接送到“4”端,，如果“2”端和“4”端均與耦合器匹配，則沒(méi)有能量送到“3”端,。

   
    通常在工程中會(huì)遇到“1／4波長(zhǎng)諧振腔”,，同樣原理,，帶狀線為λ／4整數(shù)倍時(shí)，兩帶狀線問(wèn)耦合最大,。為了將體積縮到最小,，帶狀線長(zhǎng)度應(yīng)是中心頻率的1／4波長(zhǎng)。

    本文只定性說(shuō)明定向耦合器的工作原理：從能量耦合情況的角度進(jìn)行討論,。如圖2所示,，當(dāng)信號(hào)由帶狀線的端口1輸入時(shí)，帶狀線1-4中有交變電流I1流過(guò),，由于帶狀線2-3與1-4線相互靠近,，故2-3線中便耦合有能量，此能量既通過(guò)電場(chǎng)(以耦合電容C表示),，又通過(guò)磁場(chǎng)耦合過(guò)來(lái),。通過(guò)C的耦合在帶狀線2-3中引起的電流為IC1，IC2,，分別流向端口2和端口3,。同時(shí)，由于交變磁場(chǎng)的作用,，在2-3線上感應(yīng)有電流IL,，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電流IL的方向與I1方向相反,。因此,，由圖2可見(jiàn)，若能量從端口1輸入,，則端口2有耦合能量輸出,，所以端口2稱為耦合端。而在端口3,，因?yàn)殡妶?chǎng)耦合電流IC2和磁場(chǎng)耦合電流IL的方向相反,，如果剛好使IC2=IL，則能量互相抵消,，故端口3無(wú)能量輸出,，是隔離端。端口4也有能量輸出,，它是通過(guò)λ／4帶狀線直接傳輸過(guò)來(lái)的,，稱為直通端。由于耦合輸出的能量具有一定的方向性,，故稱它為定向耦合器,。

    在理想狀況下，經(jīng)證明,，當(dāng)帶狀線長(zhǎng)度為λ／4時(shí),，兩線間耦合最大，并且輸入端口1和輸出端口2,，4與耦合器相匹配時(shí),，端口3沒(méi)有能量輸出，而端口2和4各輸出信號(hào)源功率的一半,。,，U2與U1同相，U4滯后U190°(因?yàn)?-4線長(zhǎng)為λ／4),，所以U2和U4間相差90°,。

    1．2 功率分配

    當(dāng)作為功率分配時(shí)，如果端口1為輸入端,，所加輸入信號(hào)電壓為U1,，可得：

   
    由此可見(jiàn)，當(dāng)輸入功率由端口1注入時(shí),，在端口2和4分別得到輸入功率的一半,。因?yàn)樵?，4端口功率下降一倍,，也即下降3 dB,，所以稱為3 dB定向耦合器。
1．3 功率合成
    3 dB定向耦合器也可用作功率合成,?？蓪尚盘?hào)源分別加于耦合器互為隔離的端口上(即1，3端口或2,，4端口),，且兩信號(hào)源相差90°，如圖3所示,。

    2 3 dB定向耦合器在調(diào)頻廣播中的應(yīng)用

    調(diào)頻發(fā)射就是將音頻信號(hào)和高頻載波調(diào)制為調(diào)頻波，使高頻載波的頻率隨音頻信號(hào)發(fā)生變化,，再對(duì)所產(chǎn)生的已調(diào)制信號(hào)進(jìn)行激勵(lì),、放大和一系列的阻抗匹配，最后通過(guò)調(diào)頻天線將功率信號(hào)發(fā)送出去,。我國(guó)的調(diào)頻發(fā)射機(jī)頻率范圍為88～108MHz,，校園廣播頻率范圍為76～87MHz，西方國(guó)家校園廣播頻率范圍為70～90 MHz。

    3 dB定向耦合器具有方向性的功率分配器,，它能從主傳輸線系統(tǒng)的正向波中按一定比例分出一部分功率,，實(shí)現(xiàn)功率的分支、分配或合成,，并且有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，性能穩(wěn)定，體積小巧等優(yōu)良特點(diǎn),，在全固態(tài)調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)中已被廣泛應(yīng)用。主要用在功率分配,、功率合成,、衰減、雙激勵(lì)自動(dòng)切換等用途,。

    圖4是一款國(guó)產(chǎn)全固態(tài)10 kW調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)原理方框圖,。

    3 dB定向耦合器在該款調(diào)頻發(fā)射機(jī)中主要用在正交二分配器和正交合成器中。

    激勵(lì)器輸出的射頻功率送入前級(jí)放大器,，射頻功率經(jīng)過(guò)前級(jí)放大器放大后送入3 dB定向耦合器(正交二分配器)的輸入端,，假設(shè)相位為0°，3 dB定向耦合器將輸入端的射頻功率分成大小相等,、相位相差90°的兩路信號(hào)到耦合端和直通端,，隔離端接假負(fù)載。耦合端接上面的同相四分配器,，相位為0°,。直通端接下面的同相四分配器，相位為90°,。相位為0°的信號(hào)經(jīng)過(guò)PA1～PA4功率放大器放大后,，再經(jīng)過(guò)同相四合成器合成后送入末級(jí)大功率3 dB定向耦合器(正交合成器)的“4”端，相位為90°的信號(hào)經(jīng)過(guò)PA5～PA8功率放大器放大后,，再經(jīng)過(guò)同相四合成器合成后送入末級(jí)大功率3 dB定向耦合器(正交合成器)的“2”端．末級(jí)大功率3 dB定向耦合器“3”端接假負(fù)載,，“1”端輸出．相位為90°。再經(jīng)過(guò)濾波器濾波,、定向耦合器(取樣禍合器)耦合輸出最后由天線將已調(diào)波信號(hào)發(fā)射出去,。

    3 dB定向耦合器還可以用在調(diào)頻發(fā)射機(jī)的雙激勵(lì)器自動(dòng)切換上，如圖5所示,。

    主激勵(lì)器和備激勵(lì)器的射頻輸出同時(shí)接到3 dB定向耦合器的“2”端和“4”端,，“3”端接假負(fù)載，“1”端接到調(diào)頻發(fā)射機(jī)的功率放大通道上,。調(diào)頻發(fā)射機(jī)開(kāi)啟工作時(shí),，主備激勵(lì)器同時(shí)工作，當(dāng)主備激勵(lì)器功率初起時(shí)，主備激勵(lì)器的取樣就送到控制盒,，主或備激勵(lì)器的取樣到了保護(hù)點(diǎn),，控制盒就發(fā)出指令去封鎖備用激勵(lì)器，只有主激勵(lì)器工作,。當(dāng)正在工作的主激勵(lì)器出現(xiàn)故障無(wú)射頻輸出時(shí),，主激勵(lì)器取樣消失，于是控制盒發(fā)出指令解除處于封鎖狀態(tài)的備用激勵(lì)器的封鎖,，同時(shí)封鎖出現(xiàn)故障的主激勵(lì)器,，這樣就實(shí)現(xiàn)了雙激勵(lì)器自動(dòng)切換。

    3 結(jié)語(yǔ)

    隨著國(guó)家電信網(wǎng),、廣電網(wǎng),、互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合的飛速發(fā)展，射頻領(lǐng)域?qū)映霾桓F的新技術(shù),、新器件不斷涌現(xiàn),。3 dB定向耦合器應(yīng)用隨著三網(wǎng)融合技術(shù)的發(fā)展而不斷創(chuàng)新。筆者設(shè)想射頻微帶線和帶狀線技術(shù)與固態(tài)元器件的集成,，將成為未來(lái)射頻集成電路的雛態(tài),，到時(shí)將會(huì)有體積小、重量輕,、頻帶寬,、低功耗、性能穩(wěn)定,、價(jià)格低的射頻集成電路應(yīng)用于各領(lǐng)域,。3 dB定向耦合器技術(shù)也將在其中起到重要的作用。