Coupler之八：微带耦合器应用

功率检测

下图是大功率PA的Layout图（来自于网上），输入信号经过3dB电桥耦合器，功率分配后，再经过两只功放管放大功率，再经过同样的3dB电桥耦合器，功率合成后，经红色路径到达天线辐射出去。

红色是平行双线微带耦合器的主信号蓝色路径，接天线；

蓝色是功率检测口的路径，通常接对数检波器芯片，因为芯片通常不能直接检测大功率红色信号，所以此位置的平行双线微带耦合器，只耦合出一个微弱的信号，以符合检波器芯片的信号电平。

图中有两个大功率3dB电桥，似乎带有神奇的叉指电容接地，何老师猜测这个耦合器是悬置微带的宽边结构（公众号文章42~45的耦合器全部是窄边耦合结构），很巧妙的设计思路（Layout工程师很牛啊），后续有精力再对这个3dB电桥做深入剖析。

驻波检测

驻波检测电路用两个完全相同的定向耦合器（如下图所示），分别检测前向功率电平（dB）和反向功率电平（dB），二者之差就是回波损耗（dB），再换算成驻波（VSWR）。

驻波检测电路也可以用一个定向耦合器（如下图所示），耦合线的两端输出的信号分别表示前向功率电平（dB）和反向功率电平（dB），二者之差就是回波损耗（dB），再换算成驻波（VSWR）。

但只用一个定向耦合器，前向反向耦合线的隔离度和匹配调试时会互相影响，过程较麻烦。

而用两个定向耦合器的驻波检测电路，前向反向耦合线的隔离度和匹配调试是互相独立的，没这个麻烦事。

驻波检测精度问题

上节讲到驻波检测原理，有个公式：

主线回波损耗(dB) = 前向耦合功率电平(dB) –反向耦合功率电平(dB)

这个公式有个前提：耦合器的指标是理想的，尤其是耦合器的隔离度（定向性）指标是理想的无穷大。虽然耦合线的回波损耗也对驻波检测精度有影响，但主要影响因素仍然是隔离度（定向性）。

下图显示了耦合器定向性对驻波检测精度的影响：

如果用定向性为20dB的耦合器去测量阻抗失配的主信号线，得到的回波损耗测试值是15dB，那么主信号线实际的回波损耗范围是11.1~22.2dB，如上图的红色细线所示。

如果采用定向性为30dB的耦合器去测量上述同一根主信号线，测得的回波损耗测试值也是15dB，那么实际的回波损耗范围13~16dB，检测精度确实提高了，如上图所示的蓝色细线所示。

如果用定向性为20dB的耦合器去测量阻抗失配的某个主信号线，得到的回波损耗测试值是20dB，那么实际的回波损耗范围是14~∞dB之间，如上图所示的绿色粗虚线所示。

驻波（回波损耗）值依赖于测量信号的相位和反射信号相位的差异，符合矢量叠加原理：

相控阵通道校准

相控阵的工作原理：每个天线辐射单元都拥有独立的TRX通道，在数字域精确控制每个TX发射通道（或者RX接收通道）的相位，从而控制发射TX（或接收RX）天线方向图形状。

但由于器件的分散性，每个TX（或RX）的幅度和相位都是不同的，都是随环境而变化的，所以需要校准电路。

校准所需的耦合器用于提取TX校准信号，或者注入RX校准信号。所以每个通道都需要相同特征的耦合器，以平行双线微带窄边耦合的方式实现，如下图所示校准板Layout图（图片来自网上）：

各通道的耦合器与多级威尔金森功分器（或开关矩阵）连接。

平行双线微带窄边耦合器常用于功率检测电路，例如驻波检测；

驻波检测原理公式：

主线回波损耗(dB) = 前向耦合功率电平(dB) –反向耦合功率电平(dB)

驻波检测精度强烈依赖于耦合器的定向性；

平行双线微带窄边耦合器也常用于相控阵通道校准；

原文始发于微信公众号（看图说RF）：045_Coupler之八：微带耦合器应用

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