3 dB定向耦合器及其在调频广播中的应用

摘要：定性地对3 dB定向耦合器原理及结构特性进行说明分析；介绍了3 dB定向耦合器现行功用、主要性能指标参数。通过3 dB定向耦合器在全固态调频广播发射机中的应用介绍，说明3 dB定向耦合器在使用性能上的多元化以及应用的广泛化，为3 dB定向耦合器在射频电路设计思路上提供一些借鉴。
关键词：3 dB定向耦合器；耦合度；隔离度；调频发射

0 引言
在微波、雷达、广播电视、通信系统中，经常会遇到需要耦合射频功率的问题，定向耦合器就是一种具有方向性的功率分配器，它能从主传输线系统的正向波中按一定比例分出一部分功率，实现功率的分支、分配或反向合成。3 dB定向耦合器就是一种特殊的定向耦合器，它广泛用于功率合成、功率分配、恒阻滤波器、多工器、移相器、衰减器和能量倍增器等。

1 3 dB定向耦合器的原理
1．1 结构特性
3 dB定向耦合器(如图1)是依靠框内两根平行的带状线的定向耦合作用，分出一半能量馈送到与之对称的另一根带状线上，信号从“1”端输入，则有一半能量馈送到与之对称的另一根带状线“2”端，剩下的另一半能量直接送到“4”端，如果“2”端和“4”端均与耦合器匹配，则没有能量送到“3”端。

通常在工程中会遇到“1／4波长谐振腔”，同样原理，带状线为λ／4整数倍时，两带状线问耦合最大。为了将体积缩到最小，带状线长度应是中心频率的1／4波长。

本文只定性说明定向耦合器的工作原理：从能量耦合情况的角度进行讨论。如图2所示，当信号由带状线的端口1输入时，带状线1-4中有交变电流I1流过，由于带状线2-3与1-4线相互靠近，故2-3线中便耦合有能量，此能量既通过电场(以耦合电容C表示)，又通过磁场耦合过来。通过C的耦合在带状线2-3中引起的电流为IC1，IC2，分别流向端口2和端口3。同时，由于交变磁场的作用，在2-3线上感应有电流IL，根据电磁感应定律，感应电流IL的方向与I1方向相反。因此，由图2可见，若能量从端口1输入，则端口2有耦合能量输出，所以端口2称为耦合端。而在端口3，因为电场耦合电流IC2和磁场耦合电流IL的方向相反，如果刚好使IC2=IL，则能量互相抵消，故端口3无能量输出，是隔离端。端口4也有能量输出，它是通过λ／4带状线直接传输过来的，称为直通端。由于耦合输出的能量具有一定的方向性，故称它为定向耦合器。
在理想状况下，经证明，当带状线长度为λ／4时，两线间耦合最大，并且输入端口1和输出端口2，4与耦合器相匹配时，端口3没有能量输出，而端口2和4各输出信号源功率的一半。，U2与U1同相，U4滞后U190°(因为1-4线长为λ／4)，所以U2和U4间相差90°。
1．2 功率分配
当作为功率分配时，如果端口1为输入端，所加输入信号电压为U1，可得：

由此可见，当输入功率由端口1注入时，在端口2和4分别得到输入功率的一半。因为在2，4端口功率下降一倍，也即下降3 dB，所以称为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。可将两信号源分别加于耦合器互为隔离的端口上(即1，3端口或2，4端口)，且两信号源相差90°，如图3所示。

由此可见，当两信号源电压振幅相等，即U2=U4、相位相差90°，同时分别加于端口2和端口4时，则端口1和端口3总的输出电压分别为：

从功率的角度看，如端口2和端口4的输入功率分别为P2=U2／R，P4=U2／R，则端口1的输出功率为P1=0，而端口3的输出功率为2P2=2P4。
显然3 dB定向耦合器作为功率合成时，端口3为输出端，其输出功率为两输入功率之和，即二功率合成。
1．4 指标参数
耦合度C：输入功率P1与耦合端的输出功率P3之比，一般用分贝表示，即：

式中：P1／P3称为功率耦合系数；设E1为主线输入端电压；E3为耦合端电压；S31表示波由主线输入端到耦合端的传输系数。
因P1≥P3，故耦合度大于等于0 dB。C表征耦合的强弱，当P1一定时，P3越大，C越小。故0 dB，3 dB定向耦合器为强定向耦合器；20 dB，30 dB定向耦合器为弱定向耦合器。分贝值越大，表明耦合越弱。
隔离度D：输入功率P1与隔离端的输出功率P4之比，一般用分贝表示，即：

式中：E4为隔离端电压；S41表示波由主线输入端到隔离端的传输系数。
方向性：耦合端的输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比，一般用分贝表示，即：

式中：S11为输入端在其他各端口均接匹配负载情况下的反射系数，在实际中要求各端口的驻波比尽可能接近1。
频带宽度：耦合度、隔离度、输入驻波比等参数均满足要求时定向耦合器的工作频带宽度。通常要求工作频带越宽越好。

2 3 dB定向耦合器在调频广播中的应用
调频发射就是将音频信号和高频载波调制为调频波，使高频载波的频率随音频信号发生变化，再对所产生的已调制信号进行激励、放大和一系列的阻抗匹配，最后通过调频天线将功率信号发送出去。我国的调频发射机频率范围为88～108MHz，校园广播频率范围为76～87MHz，西方国家校园广播频率范围为70～90 MHz。
3 dB定向耦合器具有方向性的功率分配器，它能从主传输线系统的正向波中按一定比例分出一部分功率，实现功率的分支、分配或合成，并且有结构简单，性能稳定，体积小巧等优良特点，在全固态调频广播发射机中已被广泛应用。主要用在功率分配、功率合成、衰减、双激励自动切换等用途。
图4是一款国产全固态10 kW调频广播发射机原理方框图。