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045_Coupler之八:微带耦合器应用

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发表于 2022-9-21 08:42 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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045_Coupler之八:微带耦合器应用

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EDA365原创     作者:何平华老师
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Coupler之八:微带耦合器应用。碎片三分钟逛《电巢》App,收获一丢丢。
平行双线微带耦合器常用于功率检测、驻波检测、相控阵通道校准等电路。
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功率检测
下图是大功率PALayout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。
: }* O6 c8 T5 l# L
! G. O6 ]8 ]+ k, P& S
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。

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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)。

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# C1 F: @2 Z1 o8 k! H7 c
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)。

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; _' N* {/ ~$ s
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。
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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:

8 y8 e+ [# O9 A/ Q* a4 l0 t( D9 D

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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:
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  P: f% q# ?9 V3 u9 `% M/ D

* A% S( X3 S# o! Z4 T, ^4 i
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。
* K7 R( w( e* k$ Y2 d4 w
. d" R9 s& p4 I* F) z( V6 K
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):
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. L0 o# j0 O) G  o
各通道的耦合器与多级威尔金森功分器(或开关矩阵)连接。

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总结
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;
出品|EDA365
作者|何平华老师

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注:本文为EDA365电子论坛原创文章,未经允许,不得转载

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