作者： Bill Schweber

對于參與非射頻電路分析或實際電路板和臺式工作的工程師來說，他們感興趣的主要信號參數是設計中特定點的電壓和電流。這些參數可以使用電壓表、示波器或電流檢測電阻來測量。

相比之下，有線和無線射頻領域的工作人員關注的則是以瓦特或毫瓦 (mW) 為單位的功率，或以 1 mW (dBm) 為基準的分貝 (dB)。然而，測量射頻功率并非易事，因為不存在類似電壓或電流那樣簡單的，也不會干擾功率傳輸信號拾取點。相反，要使用獨特的信號變送器和方案來評估射頻功率水平。

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”具有規定耦合度的射頻信號，又可在信號和采樣端口之間提供高隔離度。

這是一項經過充分驗證的技術，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步如何推動耦合器的發展，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 (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構，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）輸出的應用（圖 1，下圖）。

定向耦合器的作用是在信號傳輸線中進行功率采樣，而不改變線路特性。這有點類似于使用高阻抗電壓表，以免給待測線路上的電源增加負載。

借助這種定向耦合技術，可以使用簡單的低電平檢測器或場強計和功率測量設備來測量信號功率。一小部分固定的輸入功率會從輸入端口 P1 入射至耦合端口 P3，供測量使用。剩余的輸入功率被輸送（稱為通過或輸出）至發射端口 P2。

定向耦合器的一個重要優勢在于其單向功率耦合特性；僅耦合單向傳輸功率；任何意外進入輸出端口的功率都會被耦合至未使用的端接隔離端口 P4，而非端口 P3，但這種情況不會對定向耦合器的定向流動造成干擾。

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移到耦合端口 P3 進行測量，而不會影響從輸入端口 P1 到發射（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）

這些頂級參數用于指定定向耦合器：

• 耦合度： 傳輸到耦合端口 (P3) 的輸入功率（在 P1 處）的比例。
• 方向性： 該參數表示耦合器區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： 輸送至非耦合負載的功率大小（P4）。
• 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。

采用先進材料可縮小定向耦合器的體積

有很多種方法用來構建定向耦合器。從歷史上看，定向耦合器通過波導或同軸電纜來實現，而這些對于更高功率的應用來說仍然是必需的。然而，現代低端射頻電路（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陶瓷基板上使用帶狀線或微帶工藝來實現。

微帶線是一種平面傳輸線技術，使用由電介質基板與接地平面隔離的導電帶。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構形成，且具有高精度尺寸特性。相比其他傳輸線技術，使用微帶線技術構建的小型器件更輕、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功率。

使用高 K 材料作為基板可以縮短射頻信號的波長并減小器件的整體尺寸。請注意，學術文獻有時使用小寫 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，射頻設計人員可以在保持嚴格性能公差的同時，減小射頻電路的尺寸、重量和功率 (SWaP)。

這些高 K 材料的優勢效果非常顯著，如圖 2 對比所示：三種常見電介質材料（PTFE、FR-4 和氧化鋁）以及 Knowles 開發的三種定制基板（PG、CF 和 CG）在 25 千兆赫 (GHz) 時的介電常數及對應波長。他們的 CF 基板的介電常數為 25，而 FR-4 材料的介電常數為 4.8。因此，采用 CF 材料制造的器件波長縮短至 FR-4 材料器件的 2/5，實現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和高 K 值電介質基板的定向耦合器，且每個耦合器分別支持千兆赫頻譜內的不同范圍和帶寬（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均具有出色的性能，包括四個高級參數：回波損耗、插入損耗、耦合系數和隔離度。（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.))，非常適合緊湊型設計。該器件的額定功率為 25 瓦（連續）。圖 3 所示的四個指標的性能，尤其是耦合度和插入損耗在整個頻帶內相對平坦，工作和存儲溫度均規定為 -55?C 至 125?C。

FPC07182 SMT 耦合器的頻率更高，達到 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 14 瓦的功率，并在整個 20 GHz 帶寬內表現出非常平坦的耦合度和插入損耗。

結語

基于高介電常數陶瓷基板和微帶線技術的定向耦合器，現可在幾乎看不見的 SMT 設備中實現這種射頻功能，并在其規定的千兆頻段內具有出色的性能和功率處理能力。

相關內容

1：Knowles Precision Devices，《利用高 K 材料和精密薄膜微帶線技術降低射頻電路的 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用的需求》

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