深入讨论定向耦合器的方向性--方向性对功率、驻波比和回波损耗测量的影响

 图 1 和例 1 例 2 阐明了方向性的影响。可以看到，方向性为 25dB 的在线功率计或天线监测仪比方向性为 40dB 的误差要大得多。这种误差将影响判断天线是否符合指标，同时也会在监测天线时造成错误报警(比如在一切正常的情况下报警，更糟糕的是，在有问题的时候没有报警！)

方向性是定向耦合器在一个发射系统中辨别入射波和反射波的能力的一个度量标准，或品质因数。定向耦合器的方向性取决于耦合电路中的电场分量和磁场分量。当这两个源产生的分量被平衡时方向性是最佳的。电、磁场分量的值取决于耦合板上的耦合电容、电感。

定向耦合器是一种无源器件，它用于传输线功率取样，并且能够辨别入射波和反射波，定向耦合器可以测量正向和反射功率及电压驻波比和回波损耗。定向耦合器也是功率计，天线监测仪和分析仪的关键组成部分。

在图1和2中，双定向耦合器有一对主端口(也就是正向与反射)和一对耦合输出端口(同样也是正向与反射)。功率从入射主端口(P1)输入，会在正向耦合端(P3)产生一个功率取样，取样大小为主输入功率减去耦合度。当功率从主反射端口(P2)输入时，反射功率取样也将由反射耦合端(P4)产生。

耦合功率 == 100 mW

因此，主入射端口(P1)100W 的输入将在耦合入射端口(P3)产生一个 100mW 的输出。

与此同时，主反射端口(P2)4W 的输入将在耦合反射端口(P4)产生 4mW 的取样。注意，这些数据是基于假定耦合反射端口与主入射端口完全隔离，同时耦合入射端口与主反射端口理想隔离的情况的。

在实际应用中，各端口之间的隔离度是有限的。隔离度与耦合度的差值定义为耦合器的方向性。矢量网络分析仪可测出隔离度和耦合度从而得出方向性。

在图二中，在主反射端(P2)接一良好负载，在主入射端口(P1)加一激励然后在耦合反射端(P4)测量输出，从而得到隔离度。然后将耦合器倒转过来测耦合度。在主入射端口(P1)接一良好负载，在主反射端(P2)加一激励然后在耦合反射端(P4)测量输出，从而得到耦合度。

在双定向耦合器中，主反射端口(P2)到耦合隔离端(P4)的耦合度与主入射端口(P1)到耦合入射端口(P3)的耦合度相同。同时，主入射端口(P1)到耦合隔离端(P4)的隔离度与主反射端口(P2)到耦合入射端口(P3)的隔离度相同。得知了隔离度与耦合度，方向性为：

方向性(dB) = 隔离度(dB)－耦合度(dB)

比如，测出隔离度为 55dB，耦合度为 30dB，则定向耦合器的方向性为 55dB-30dB =25dB。

由于耦合器的隔离度是有限的，主入射端口(P1)的功率输入会产生耦合隔离端口(P4)的功率输出。你可以把这想象成部分输入功率不经意地“漏”到耦合隔离端(P4)。泄漏功率等于主输入功率减去隔离度。相似地，主反射端口(P2)的功率输入会产生耦合入射端口(P3)的功率输出。可以发现，有限的隔离度是造成方向性误差的根源。

这里有一个有趣的现象，每个耦合端含有两个输出，这两个输出分别来自两个主端口。耦合反射端口(P4)产生的输出来自于主反射端口(P2，减去耦合度)和主入射端口(P1，减去隔离度)。同样的，连接入射端口(P3)输出的功率来自于主入射端口 (P1，减去耦合度)和主反射端口(P2，减去隔离度)。

功率计测量主线功率是通过获取定向耦合器耦合端的输出再加上耦合度。由功率计测量的主反射端口(P2)功率等于两个的功率相加。这两个功率，一是耦合反射功率(P4)加上耦合度，二是主入射功率(P1)减去隔离度再加上耦合度。

这就等于主反射端(P2)功率加上主入射功率(P1)与方向性的差(方向性系数 = 隔离度－耦合度)。由于功率计测量的反射功率实际上是混合功率，这就从本质上将主反射功率与误差合起来了。

此过程逻辑表述如下：

当主反射功率与方向性反射功率的结合并不是一个简单的相加时，首先，功率要被换成电压。其次，将两个电压矢量相加，得出最小电压和最大电压。得出的电压再被转换为最小和最大功率。这些最小与最大电压决定了方向性误差范围。同法将主入射功率与方向性功率相加。

功率公式：

例如：在 50Ω的系统中，功率为 4W 则对应的电压为

当电压要矢量相加时，电压可以被看作是有幅度和相位的矢量。由于电压的相位是未知的，故需要考虑极端情况(电压同相或反相)。两个电压反相时所得电压最小；当它们同相时，得到最大电压。

最小电压 = 电压 A - 电压 B

最大电压 = 电压 A+ 电压 B

图 3 为 4V 和 14V 电压合并的结果。

最小电压 = 14V-4V = 10V

最大电压 = 14V+4V = 18V

一旦确定了电压的最小值与最大值，就可以将它们转回成功率值。正向功率及反射功率可以用来计算 VSWR 和回波损耗的最小值与最大值。

电压驻波比(VSWR)和回波损耗都是与入射功率与反射功率相关的比率。Rho(反射系数)也是一个和入射反射功率有关的比率，常用于计算 VSWR。

Rho = 平方根(反射功率/入射功率)

VSWR = (1+Rho)/(1-Rho)

回波损耗 = 10 Log(反射功率/入射功率)

例如：反射功率为 4W 入射功率 100W

附录中附有电压驻波比和回波损耗表以供参考。

前后说到，定向耦合器有限的方向性导致了测量误差。因此，功率计和天线监测仪等设备中的定向耦合器测出的功率、电压驻波比和回波损耗的有一定的不确定度。下面的计算步骤一步步地将这些方向性误差进行量化。

在文章开头的图1和例1中，一个连接到天线上的100 W发射机其电压驻波比为1.5(-14dB 回波损耗)，用一个方向性为 25dB 的功率计或天线监测仪来测量功率、电压驻波比和回波损耗，假定所有设备的阻抗都是 50Ω，那由方向性产生的误差是多少？

首先计算与反射功率测量相关的方向性误差。方向性对于反射功率的测量有很大影响。因为反射功率与入射功率相比要小得多，只要入射功率有少量的“泄漏”，就会使反射功率测量产生很大的误差。

接下来计算入射功率的方向性误差。方向性对正向功率的测量影响较小，因为入射功率比反射功率大得多。但是，反射功率的“泄漏”(就是方向性正向功率)仍会导致的正向功率测量的少量误差。误差影响重大与否取决于实际应用。

 步骤 3) 电压驻波比和回波损耗

就像预期的一样，计算结果与在文章开头例1中列出的是一致的。“方向性表”(见附录)和“射频计算器” (www.bird-electronic.com) 同样能验证。

方向性是衡量定向耦合器或功率测量计分辨发射系统中入射波和反射波的能力的一个指标。方向性误差会对VSWR和回波损耗以及入射反射功率测量造成一定范围的影响，下表给出了这个范围的最小值和最大值。

例：用一个方向性为 25dB 的功率计测试一个实际电压驻波比为 1.50 的负载比如说天线，测量出的驻波比会在 1.33 到 1.70 间。

电压驻波比(VSWR = Voltage Standing Wave Ratio)

回波损耗(RL = Return Loss)

匹配效率(Eff = Match Efficiency)

正向功率(Pf = Forward Power)

反射功率(Pr = Reflected Power)

VSWR = [ 1+ Sqrt (Pr / Pf ) ] / [ 1 - Sqrt (Pr / Pf ) ]

RL = 10 x Log (Pr / Pf )

Rho = Sqrt (Pr / Pf )

例：入射功率为 100W，反射功率为 4W，则产生 VSWR = 1.5, RL = -14.0 dB, Rho = 0.20,匹配效率 = 96%