功率耦合器和功率檢測器的基本原理及應(yīng)用差異

在很多射頻電路中，功率檢測是不可或缺的，Power coupler 和Power detector 有什么區(qū)別呢？

Power coupler

Coupling（耦合）

耦合在電子電路中是指兩個或兩個以上的電路元件或電路網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出之間存在緊密配合與相互影響，并通過相互作用從一側(cè)向另一側(cè)傳輸能量的現(xiàn)象。

舉個例子：

我們知道，任何信號都會向外輻射，只是輻射信號大小有區(qū)別而已。

如上圖，LTE信號向外輻射，疊加到WIFI信號上，并且影響到WIFI信號。

當LTE信號強度較大的時候，WIFI信號會受到很大的干擾，誤碼率將很差，收到的信息經(jīng)過調(diào)制后將會出現(xiàn)偏差，不是原來發(fā)出的信號了或產(chǎn)生多次諧波。比如WIFI發(fā)出的信息是"1314LJJ"（一閃一閃亮晶晶），受到LTE band40較強干擾后，收到的信息可能是"1314L"，“大鵬” 變“大朋” 了！就問你怕不怕。。。

這種耦合就是壞的方面了。

既然有壞的方面，那么就會有好的方面。

我們知道變化的磁場產(chǎn)電場，變化的電場產(chǎn)生磁場，又根據(jù)耦合原理，耦合器產(chǎn)生了。

如圖二，RF信號在路徑上傳輸，其邊上有一根平行導(dǎo)線，導(dǎo)線會受到RF路徑上的信號影響，產(chǎn)生相應(yīng)的耦合信號。

如圖三，RF信號從port 1 傳輸?shù)絧ort 2的過程中，產(chǎn)生了耦合信號，耦合信號會從Port 3 和Port 4輸出

我們可以在port3和Port4檢測到相應(yīng)的信號（耦合信號的功率相對RF的信號弱許多）。

耦合形式多種多樣，耦合器架構(gòu)也是多種多樣的，以上是耦合器（平行線架構(gòu)）的原理簡單介紹。

那么耦合器有什么作用呢？在射頻里，最常用的就是功率取樣檢測，功率合成，功率測量，VSWR簡單測量等，也稱之為power coupler（功率耦合器）

我們先介紹一下應(yīng)用，然后再說一下相應(yīng)參數(shù)。

一、功率取樣檢測(定向耦合器)

在WIFI或一些小基站里，RF SOC會帶一個提升線性度的DPD功能，這個DPD需要根據(jù)輸出功率的大小來調(diào)整SOC的

RF輸出信號強度/線性度，這個時候，就需要power coupler來將功放的輸出功率轉(zhuǎn)換成耦合功率再輸出給DPD管腳，SOC再根據(jù)DPD反饋的功率大小來調(diào)整輸出測信號的強度/線性度。

打個比方：現(xiàn)在我的WIFI 輸出功率是23dBm,EVM是5%超過了法規(guī)，這個時候，我啟用DPD功能，WIFI輸出功率為23dBm, EVM為3%，就滿足法規(guī)認證要求。（這里僅僅是舉個“栗子”，方便理解，數(shù)值不一定合理哈，勿怪）

二、功率合成

如圖五，在功放輸出后用的3dB Hybrid coupler,即我們常說的3dB電橋，此處的作用是功率合成（這個耦合器是另外一種架構(gòu)制作的）

理論上功率增加3dB,如兩個PA輸出為30dBm,經(jīng)過3dB Hybrid coupler 合成后，輸出為33dBm.

實際輸出會略低一些，一般是在2-2.5dB左右。

這個coupler是功率合成的應(yīng)用

三、功率測量

這個多見于功率計：按照被測信號走向，功率計一般分為直通式功率計和終端式功率計

終端式功率計：

1. 不能測量較大的功率，一般都是1W以下（可測功率取決于耦合器上限功率，終端負載上限功率，及檢測單元的上限功率）
2. 可以測量各種調(diào)制信號的功率（僅僅測試功率）

直通式功率計

（1）直通式功率計具有大功率測量能力, 因為是輸出端口2可以外接天線，信號可以輻射出去，所以相應(yīng)可以承載的功率較大，上限取決耦合器的上限功率，檢測單元的上限功率

（2）直通式功率計可測量帶寬相對較窄，其帶寬取決于定向耦合器的可測量帶寬。

（3）由于定向耦合器的耦合度存在，直通式功率計不能用于太小的功率測量。這個和終端式功率計正好各有所長。

下面講一下耦合器的參數(shù)：

1.方向性

2.耦合度（S31 ）

3.插損（S21 ）

4.隔離度（S41 ）

5.VSWR或RL（S11/S22）

方向性：是指定向耦合器在發(fā)射系統(tǒng)中辨別入射波和反射波的能力的一個品質(zhì)因素。定向耦合器的方向性取決于耦合電路中的電場和磁場分量。當兩個信號產(chǎn)生的分量被平衡時候方向性最佳。（電場和磁場分量取決于耦合電路中的耦合電容/電感）

方向性公式：方向性（dB）=隔離度-耦合度

耦合度：是指射頻信號輸入口和耦合口之間的功率比值

耦合度公式：耦合度（dB）=10log(輸入信號功率/耦合信號功率)

插入損耗：這個就不解釋了

隔離度：是指端口1到端口4的功率比值

隔離公式：隔離度（dB）=10log(輸入信號功率/隔離終端功率)

VSWR：這里不做介紹了（VSWR=(1+Rho)/(1-Rho)）

從上面的公式可以看出，各個參數(shù)之間都有相互關(guān)系，針對各個參數(shù)：

1.在其他參數(shù)相同的情況下，方向性越大越好，其測量的數(shù)值精度越高。

2.耦合度，根據(jù)自己系統(tǒng)需求選擇

3.在其他參數(shù)相同的情況下，隔離度當然越大越好啦（減少信號可能產(chǎn)生的干擾）

4.插損越低越好

5.VSWR這個就不用講了

Power detector

Power Detector可以將輸入的射頻信號轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出（射頻信號通過一個非線性元件時，將會產(chǎn)生交流信號和直流信號），然后根據(jù)電壓和功率曲線，通過電壓值來計算射頻信號的功率。

Power Detector有很多種類，從ADI的官網(wǎng)上，我們能看到目前主流的有哪些：

我們來看一個射頻里常用的簡單的Power Detector

射頻信號輸入，然后輸出電壓信號，注意了：這種器件是沒有射頻輸出的。

那么在應(yīng)用的時候就要特別注意，如果你是直通式插入在RF路徑上的，就要選Power coupler,如果不是直通 式選擇Power Detector.

區(qū)別不僅僅在于輸入，輸出端口的問題，還要注意的是，當你在射頻路徑上使用Power detector的時候，它處于電路中的并聯(lián)位置，產(chǎn)生了分支，主路徑上的功率將會被分走一半，即3dB。

在設(shè)計的時候，要考慮到3dB的功率分攤，避免輸出滿足不了需求。

如上為power coupler 和power detector 一些基本原理及應(yīng)用差異。