定向耦合器——谈谈隔离度（四）

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最近博主在研项目涉及到定向耦合器，之前已经写过3片关于定向耦合器的文章，公式偏多，读起来多少有点晦涩难懂了，今天这篇文章从实际应用的角度看看定向耦合器：

1、为什么我们关心定向耦合器的隔离度
2、哪些端口阻抗影响定向耦合器的隔离度。
3、如何提高隔离度？

1、为什么关心定向耦合器的隔离度

耦合器是RF电路中的采样器件（电路），当定向耦合器存在时，尤其是高耦合度的定向耦合器往往就是大小信号分离/聚集的节点。此时隔离度指标就非常重要。（要注意所有大小信号的聚集节点处的隔离度都非常重要，）从定向耦合器的数据手册上，没有给出隔离度，而往往给出的是“方向性系数”。

该值定义为：Directivity=隔离度S₄₁(dB)-耦合系数S₃₁(dB)。

举个栗子：比如方向性系数是-25dB，耦合度为10dB，那么隔离度为-35dB。

为什么给的是方向性系数呢？留给大家去思考。

2、那些端口阻抗影响隔离度

耦合器作为4端口元件，其网络特性参数就已经确定了，只有：直通端端接阻抗Z_direct，耦合端的端接阻抗Z_coup变化时才会影响隔离度。

以耦合器XC0900-10S举例说明：

2.1、当端接阻抗都是50R时：

2.2当端接阻抗都是55R时（S₂₂=S₄₄=-25dB）：

从上面的对比可以看出，按照常规对回波损耗的要求，-25dB已然是非常好的指标了。但隔离度却差了10dB。

问题出在哪里呢？

常规对回波损耗要求：-15dB已经够用了，认为能量95%都可以进入端口，如果回波损耗达到-20dB，即表示能量99%都能进入端口。“够不够用”仅仅是从能量传输的角度说明。

但当涉及到隔离度时，-20dB，甚至-25dB的回波损耗都不够。

以上的例子仅仅方便大家感受当端口阻抗 稍微 偏离50R时，隔离度的变化。

既然-25dB的回波损耗都不够，多少才够呢？(为了方便分析，做了一个excel表格)

当S₂₂=S₄₄= -20dB时，无论端接阻抗值为多少，即不考虑相位，那么最差的情况，隔离度仅为-22dB。

当S22=S44=-30dB时，最差的情况，隔离度有-28.5dB。

问1：那什么是最差的情况呢？
答1：也就是通过3条路径泄露至port3的功率同相叠加。这是最差的情况。

3、如何提高隔离度？

问2：有没有一种可能，即使S22，S44不是很好，但隔离度反而很好呢？
答2：有可能的

问3：满足什么条件才能达到这个目标呢？
答3：当port2 和port4 的Γ等幅反向的时候。

问4：为什么port2 和port4 的Γ等幅反向的时候，隔离度好呢?
答4：因为两者路径损耗及时延完全相同，比如耦合微带线的定向耦合器，1→2→4和1→3→4的路径完全一样，本质上定向耦合器的对称性决定的。

port2 和port4 的Γ等幅反向的时，端口阻抗应该满足什么条件呢？

假设port2的反射系数是：Γ₂=Γ₀ e^jθ，那么port4的反射系数是：Γ₄=Γ₀ e^(jθ+π)，

根据归一化阻抗和反射系数的关系：z ̃=(1+Γ)/(1-Γ)

故有：

同理得到端口4的阻抗：

当Γ=0.03(-30dB)，两端口阻抗值（归一化）如下：

当Γ=0.1(-20dB)，两端口阻抗值（归一化）如下：

当Γ=0.18(-15dB)，两端口阻抗值（归一化）如下：

当Γ=0.3 (-10dB)，两端口阻抗值（归一化）如下：

从以上几组数据可看出：

1、随着Γ越大，阻抗越发散，也就是Z₂与Z₄阻抗稍有偏差，会非常影响隔离度。

2、Γ越小，波形越接近正弦，且虚部越关于x轴对称；

4、ADS验证

从洁仔制作的excel小工具中：我们找几个阻抗点试试水

case1

case2

case3

从上面3组仿真结果可以看出，只要我们阻抗选择的对，即使port2 和port4端口阻抗都只有-10dB，仍然可以达到比较好的隔离度

5、洁仔有话说

公式只是公式，记住了不代表掌握了，从不同的方面去理解它，横看成岭，侧看成峰。

就像洁仔的这篇博客，很多结论及应用场景洁仔都没有说的很直白，留给大家发挥。

留几个小问题，比如：

1、自干扰对消的策略问题？

2、为什么不是满足Γ等幅反向，隔离度不是无穷大或者极低，比如-60、-70dB以下？，瓶颈在什么地方，这个瓶颈和什么指标相关？

3、为什么端口稍微失配，对隔离度影响这么大？

4、隔离度最差的情况，是怎么计算的？为什么要换成电压？不用功率？

5、继问题4后，定向耦合器的隔离度不高会造成什么影响？尤其在测试中？比如矢网的使用中，会对测试精度造成什么误差？（这里推荐一本书《实用射频测试和测量》）

当你能够回答至少3个问题时，你对定向耦合器的理解也就差不多了。

前面谈了3期的定向耦合器

定向耦合器的“指标相关”(一)
关于定向耦合器（二）
关于定向耦合器（三）

里面推导了很多公式，洁仔一直秉持公式是辅助，物理意义才是目标。公式是为了帮助理解过程，不要本末倒置呀~

正确的直觉才是学习的高层次境界。——共勉！