在3G，4G和MIMO等高級無線應用中，仔細測量和管理RF輸出功率至關重要，既可以在擁擠的頻譜中實現有效的無線電性能，又可以延長電池壽命。定向耦合器用于采樣去往天線的非常小部分的RF功率，同時不影響接收功率。使用此采樣功率讀數，器件可以最佳地管理其PA級的增益，從而管理其頻譜問題和功耗。

雖然這些耦合器在概念上類似于用于測量負載的直流或交流線路電流（或功率）的分流器，但就其共性而言也是如此。它們實際上是非常不同的組件。由于定向耦合器是RF器件，因此它們的操作，設計和物理實現理論必須與RF世界兼容，而不是DC或AC電源線世界。諸如分流電阻器，電磁線圈傳感器，光隔離器或霍爾效應器件的功率耦合器和傳感器與RF耦合器情況無關。更加困難的是，當今許多RF應用需要在幾GHz甚至更高頻率的高頻率下提供可靠的性能。

定向耦合器基礎

定向耦合器是一種四端口器件（圖1）。端口功能和名稱是：

端口1：輸入或接收電源端口，應用感興趣的信號。

端口2：發送或輸出電源端口，其中輸入信號退出并進入下一級（通常是天線）。

端口3：耦合端口或前向耦合端口，它是感興趣的采樣信號功率。

端口4：隔離或反向耦合端口，通常不在內部使用和端接，具有系統特性阻抗（大多數RF設計為50Ω，有線電視應用為75Ω），或者具有用戶提供的外部端接。/p>

圖1：定向耦合器的功能原理圖非常簡單;端口分配是任意的，耦合器是無源可逆組件。

對定向耦合器性能和靈敏度的全面分析涉及s參數（散射參數），矢量分析和復雜方程。但是，關鍵性能屬性很簡單：

指向性或隔離是端口3和端口4之間功率電平的差異，表示耦合器隔離兩個相反行進（正向和反向）信號的程度。所有信號路徑之間總會有一些無意的耦合，因為不可能構建一個完美的耦合器。

耦合因子或損耗是耦合端口（3）和隔離端口（4）的功率損耗量。具有相當高的方向性，與故意轉移到耦合端口的功率相比，無意中傳輸到隔離端口的功率可以忽略不計。典型值介于10和20 dB之間，但某些應用可能需要40 dB。

傳輸或主線損耗是耦合器主線的總損耗，是插入的結果損失和耦合損失。該值被添加到傳遞到耦合和隔離端口的功率的理論減少（耦合損耗）。耦合器的損耗大約為0.5到3dB。

輸入功率是耦合器在輸入端口（端口1）處理的最大功率。

其他問題包括帶寬和通帶平坦度。耦合器可以被設計和指定用于在諸如無線手機所需的較窄頻帶上操作，或者用于跨越數十年的更寬頻帶。對于所有帶寬，尤其是寬帶帶寬，性能平坦度與頻率的關系可能會成為一個問題。

在一些關鍵應用中，如系統測試，耦合器的駐波比（SWR）也是一個因素，因為這些反射在內部來回傳播，并且會增加或減少感興趣信號的功率電平。

建筑選擇比比皆是

原則上，端口標簽（P1到P4）是任意的。任何端口都可以指定為輸入，與其直接相連的端口將是傳輸端口;相鄰端口是耦合端口，對角端口是隔離端口。實際上，根據信號功率水平，耦合器結構可能不是對稱和可逆的，而是構造成使得從端口1到端口2的路徑可以處理更高的功率水平，而端口3到端口4的路徑只需要處理更低的水平。此外，較高功率的耦合器可以使用較大的連接器用于端口1和2（信號路徑），較小的連接器用于采樣路徑（端口3和4）。

有許多方法可以構建定向耦合器。在數百甚至數千瓦的更高功率水平下，波導用于路徑。在幾十瓦和幾百瓦的中等水平下，耦合器可以用同軸電纜構建。這些是有效的設計，但相對昂貴且大，因此不適合便攜式應用。

在手機和小型基站的功率水平下，耦合器可以構建為PC板帶狀線，陶瓷基組件（類似于雙工器和SAW濾波器），甚至是微型線繞設備。雖然帶狀線是最便宜的并且可以提供優異的性能，但它需要PC板上相對大量的空間。它還受到周圍組件的影響，因此限制了整個組件和電路板布局。由于尺寸，位置和接近度問題，基于帶狀線的耦合器通常用作獨立耦合器的核心。與任何其他小型IC一樣，PC板安裝和焊接的陶瓷基和線繞耦合器是便攜式應用中最常用的單元。

定向耦合器模型跨度實現，頻率

< p>雖然不適用于手機，但Hirose HDH-00810GID（40）是0.8 GHz定向耦合器（圖2），用于儀器儀表和基站（該系列的其他成員可用于其他頻率）。它的核心是帶狀線設計，并采用耐腐蝕的鋁制外殼和不銹鋼SMA連接器。耦合指定為10±1 dB，最大插入損耗為0.3 dB。該裝置可以處理高達10 W的功率，滿足小型基站的需求。這些50Ω耦合器不包括連接器，尺寸為20×80 mm，高度為10 mm。

圖2：基于電路板帶狀線芯構建的定向耦合器通常安裝在一個帶有分立連接器的小型獨立外殼中;在這里，顯示的Hirose HDH-00810GID（40）耦合器大約為20×80 mm，并且具有SMA型連接器。

來自M/A-Com的MACP-009596-CA0160是定向的示例耦合器采用線繞技術制造（圖3）。這種寬帶75Ω耦合器針對CATV應用，規定使用5至1000 MHz。盡管有“線繞”，非集成結構，但該單元的PC板占地面積僅為3.8×4.0 mm（圖4）。

圖3：來自M/A-Com的線繞MACP-009596-CA0160定向耦合器是用于CATV應用的寬帶組件，可通過簡單的類似變壓器的原理圖處理5至1000 MHz。/p>

圖4：盡管MACP-009596-CA0160的非單片實現，但它并不比SOT-6 IC大得多。

在指定的頻率范圍內耦合損耗為10 dB，而傳輸（干線）損耗在1.1到1.4 dB（典型值）范圍內，具體取決于在頻段內進行測量的位置，以及1.4到1.7 dB（最大值） ）。類似地，方向性在18到22 dB之間變化，最小值在14到20 dB之間。

單片陶瓷器件，來自Anaren的Xinger系列中的DC4759J5020AHF定向耦合器用于4700至5900 MHz的中寬頻譜，例如更高（5 GHz）的Wi-Fi頻段，以及點對點（P2P）和點對多點（P2MP）應用。 50Ω器件采用6引腳表面貼裝封裝，占位面積為1.3×2.0 mm。從4900到5500 MHz的平均耦合為19.4 dB（典型值）;在更寬的4700到5900 MHz范圍內，它是19.7 dB（圖5）。插入損耗在較窄頻段為0.14 dB（典型值）和0.27 dB（最大值），在4700至5900 MHz范圍內為0.17 dB/0.32 dB（典型值/最大值）。

圖5：Anaren DC4759J5020AHF 20 dB耦合器的扁平插入損耗表明它非常適合4700至5900 MHz頻段，現在越來越受歡迎與擁擠的2.4 GHz頻段相比，新一代Wi-Fi由于帶寬更多，干擾源更少（如微波爐和ISM用戶）。

DC4759J5020AHF也可用于需要寬帶前端的設計 - 即使在給定時間只有一小部分頻譜是感興趣的，例如多頻段智能手機。例如，在整個頻率范圍內，0到8500 MHz的插入損耗低于0.4 dB（圖6）。這樣，在其他可能感興趣的信號遠離其較窄的4700至5900 MHz直接感興趣的頻段的情況下，其插入不會對用戶產生不利影響。

圖6：DC4759J5020AHF的關鍵參數也提供0至8500 MHz頻譜，使IC成為可能的耦合器寬帶系統;請注意，在寬頻率范圍內插入損耗低于0.5 dB。