使用表面贴装式定向耦合器缩小射频功率监测设备的尺寸

对于参与非射频电路分析或实际电路板和台式工作的工程师来说，他们感兴趣的主要信号参数是设计中特定点的电压和电流。这些参数可以使用电压表、示波器或电流检测电阻来测量。

相比之下，有线和无线射频领域的工作人员关注的则是以瓦特或毫瓦 (mW) 为单位的功率，或以 1 mW (dBm) 为基准的分贝 (dB)。然而，测量射频功率并非易事，因为不存在类似电压或电流那样简单的，也不会干扰功率传输信号拾取点。相反，要使用独特的信号变送器和方案来评估射频功率水平。

定向耦合器是最常见的方法之一，这是一种无源装置，既可以“拾取”具有规定耦合度的射频信号，又可在信号和采样端口之间提供高隔离度。

这是一项经过充分验证的技术，让我们了解一下定向耦合器的工作原理。然后，我们将探讨材料的进步如何推动耦合器的发展，从而将耦合器缩小为适合低功耗电路的微型表面贴装技术 (SMT) 器件。

定向耦合器的工作原理

通用四端口耦合器具有无源射频功能，包括耦合端口（正向）和隔离（反向或反射）端口（图 1，上图）。定向耦合器是一种三端口结构，无需使用隔离端口；这种配置用于只需要单一前向耦合（定向）输出的应用（图 1，下图）。

定向耦合器的作用是在信号传输线中进行功率采样，而不改变线路特性。这有点类似于使用高阻抗电压表，以免给待测线路上的电源增加负载。

借助这种定向耦合技术，可以使用简单的低电平检测器或场强计和功率测量设备来测量信号功率。一小部分固定的输入功率会从输入端口 P1 入射至耦合端口 P3，供测量使用。剩余的输入功率被输送（称为通过或输出）至发射端口 P2。

定向耦合器的一个重要优势在于其单向功率耦合特性；仅耦合单向传输功率；任何意外进入输出端口的功率都会被耦合至未使用的端接隔离端口 P4，而非端口 P3，但这种情况不会对定向耦合器的定向流动造成干扰。

图 1：定向耦合器是一种三端口无源射频功能器件，可将 P1 上的部分入射功率转移到耦合端口 P3 进行测量，而不会影响从输入端口 P1 到发射（输出）端口 P2 的主要单路径；定向耦合器是四端口双向耦合器的单向子器件。（图片来源：Wikipedia）

这些顶级参数用于指定定向耦合器：

• 耦合度：传输到耦合端口 (P3) 的输入功率（在 P1 处）的比例。
• 方向性：该参数表示耦合器区分正向波与反向波传播的能力，可从耦合 (P3) 端口和隔离 (P4) 端口观察。
• 隔离度：输送至非耦合负载的功率大小（P4）。
• 插入损耗：指输入功率在传输端口的衰减量，包含分流至耦合端口与隔离端口的功率分量。
• 回波损耗：该参数表示由于阻抗不匹配而反射回 P1 端口的功率大小。

采用先进材料可缩小定向耦合器的体积

有很多种方法用来构建定向耦合器。从历史上看，定向耦合器通过波导或同轴电缆来实现，而这些对于更高功率的应用来说仍然是必需的。然而，现代低端射频电路（例如基站中的电路）需要小得多的耦合器。这可以通过在高介电常数陶瓷基板上使用带状线或微带工艺来实现。

微带线是一种平面传输线技术，使用由电介质基板与接地平面隔离的导电带。完整的器件（如天线、耦合器、滤波器及功分器）均由基板上的金属化图形结构形成，且具有高精度尺寸特性。相比其他传输线技术，使用微带线技术构建的小型器件更轻、更紧凑，而且通常更便宜。这类器件可以处理大约十瓦的中等级功率。

使用高 K 材料作为基板可以缩短射频信号的波长并减小器件的整体尺寸。请注意，学术文献有时使用小写 k，在更正式材料中称为 κ（希腊语 kappa）。

利用由高 K 材料制造的定向耦合器和 Knowles 的高精度薄膜微带工艺技术，射频设计人员可以在保持严格性能公差的同时，减小射频电路的尺寸、重量和功率 (SWaP)。

这些高 K 材料的优势效果非常显著，如图 2 对比所示：三种常见电介质材料（PTFE、FR-4 和氧化铝）以及 Knowles 开发的三种定制基板（PG、CF 和 CG）在 25 千兆赫 (GHz) 时的介电常数及对应波长。他们的 CF 基板的介电常数为 25，而 FR-4 材料的介电常数为 4.8。因此，采用 CF 材料制造的器件波长缩短至 FR-4 材料器件的 2/5，实现了器件尺寸的大幅缩小。

图 2：薄膜微带线定向耦合器（左）利用极高 K 介电基板，显著减小了器件尺寸和重量（右）。（图片来源：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带线技术和高 K 值电介质基板的定向耦合器，且每个耦合器分别支持千兆赫频谱内的不同范围和带宽（如图 3 中的上、下两图所示）。

图 3：FPC06073（上图）和 FPC07182（下图）耦合器在各自频段内均具有出色的性能，包括四个高级参数：回波损耗、插入损耗、耦合系数和隔离度。（图片来源：Knowles Precision Devices）

FPC06073 50 欧姆 (Ω) SMT 定向耦合器涵盖 4 至 8 GHz，耦合系数为 10 dB，方向性为 20 dB。该器件外形小巧，约为 4.3 × 2.0 × 0.38 毫米 (mm) (0.170 × 0.080 × 0.015 英寸 (in.))，非常适合紧凑型设计。该器件的额定功率为 25 瓦（连续）。图 3 所示的四个指标的性能，尤其是耦合度和插入损耗在整个频带内相对平坦，工作和存储温度均规定为 -55˚C 至 125˚C。

FPC07182 SMT 耦合器的频率更高，达到 20 至 40 GHz。与 FPC060073 一样，该器件具有 10 dB 耦合度，但方向性也是 10 dB。这款 50 Ω 器件的尺寸更小，仅为 1.65 × 1.270 × 0.254 毫米（0.065 × 0.050 × 0.010 英寸），可处理高达 14 瓦的功率，并在整个 20 GHz 带宽内表现出非常平坦的耦合度和插入损耗。

结语

基于高介电常数陶瓷基板和微带线技术的定向耦合器，现可在几乎看不见的 SMT 设备中实现这种射频功能，并在其规定的千兆频段内具有出色的性能和功率处理能力。

相关内容

1：Knowles Precision Devices，《利用高 K 材料和精密薄膜微带线技术降低射频电路的 SWaP》

https://info.knowlescapacitors.com/hubfs/White%20Papers/Device_Minaturization_WP_V7.pdf

2：DigiKey，《射频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，《攻克射频功率的检测难题》 （引用自 Analog Devices 的材料）

https://www.digikey.com/en/articles/solving-the-rf-power-detection-challenge

4：DigiKey，《微型定向耦合器能够满足紧凑型射频应用的需求》

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