3dB定向耦合器在調頻廣播發射機功率分配與合成的應用

李 健 吳廷昊

（作者單位：廣西廣播電視技術中心欽州分中心）

3dB定向耦合器在調頻廣播發射機功率分配與合成的應用

李 健 吳廷昊

（作者單位：廣西廣播電視技術中心欽州分中心）

本文通過實例分析了3dB定向耦合器在調頻廣播發射機功率分配與合成方面的應用，介紹如何運用網絡分析儀對3dB定向耦合器構成的功率分配，并對合成器主要技術指標進行了測試，。

3dB定向耦合器；調頻廣播發射機；功率分配與合成；網絡分析儀；相位分析

定向耦合器是一種具有方向性的功率分配器，它能從主傳輸線系統的正向波中按一定比例分出一部分功率，實現功率的分配與合成。3dB定向耦合器是一種特殊的定向耦合器，因其具有結構簡單、性能穩定等特點，被廣泛應用在全固態調頻廣播發射機中。

1　3dB定向耦合器功率分配與合成工作原理

1.1功率分配

當端口1的輸入信號功率為P、相位為0°（簡記為P∠0°）時，在耦合端口2得到的信號功率為?P，相位與端口1相同（簡記為?P∠0o）。在直通端4得到的信號功率為?P，相位比端口1滯后90o（簡記為?P∠-90o），實現了功率分配。端口3因能量相互抵消而無輸出。因為在端口1輸入功率時，端口2和4分別得到輸入功率的一半（即功率下降3dB），所以稱3dB定向耦合器。各端口功率、相位關系如圖1所示。

圖1　3dB定向耦合器功率分配示意圖

1.2功率合成

當端口1和3同時有功率相等的信號P輸入且端口3的信號相位比端口1滯后90o時（兩端口相差90o），在端口4得到的信號功率為2P∠-90o。而在端口2，由于兩路信號幅度相等，相位差180o互相抵消。各端口功率、相位關系如圖2所示。

圖2　3dB定向耦合器功率合成示意圖

2　3dB定向耦合器在調頻廣播發射機功率分配與合成的應用

2.1應用舉例

現以凱騰5kW全固態調頻發射機（如圖3）為例進行說明。3dB定向耦合器主要應用在1︰4分配器和4︰1合成器中。

圖3　5kW調頻廣播發射機原理框圖

在圖3中，激勵器輸出的射頻功率信號經1︰4分配器輸出功率相同的四路信號后，分別接入功放1至功放4進行功率放大（理想狀態為等幅同相放大），4路功放輸出信號通過4︰1合成器后合成為1路輸出，再經定向耦合器后送至工器或天線。

1︰4功率分配器（如圖4）是將激勵器輸出的射頻信號經1︰4分配成大小相等、相位不同的4路信號供給4個1.5kW功率放大器進行放大。1︰4功率分配器內共有3個3dB耦合器，第1個3dB耦合器將輸入信號分成2路，2路信號再各自經過一個3dB耦合器，這樣就分成了4路輸出。3dB耦合器中的吸收負載安裝在分配器內部。假設端口1的輸入信號為P∠0o，經1︰4功率分配器后，各輸入、輸出端口功率和相位關系如圖4所示。

4︰1功率合成器（如圖5）是將4 路1.5kW功率放大器的輸出功率合成為1路功率輸出。因發射機末級功放輸出功率較大，在4︰1功率合成器內的3個3dB耦合器的吸收負載，采用端口外接的方式，吸收負載帶散熱裝置。4︰1功率合成器的4個輸入端口不僅要求輸入功率大小相等，而且相位也有嚴格要求。假設合成器輸入端口1～4與分配器輸出端口1～4的功率、相位相對應，經4︰1合成器后，各輸入、輸出端口功率和相位關系如圖5所示。理想狀態下，合成器的功率輸出是其輸入端的4倍，相位與1︰4分配器相位相差180o。

圖4　1︰4功率分配器原理圖

圖5　4︰1功率合成器原理圖

2.2分配器、合成器主要指標測試

主要技術指標包括：插入損耗、相互隔離度、回波損耗。

測試儀器使用天津德力NA7100A矢量網絡分析儀，插入損耗、相互隔離度、回波損耗可以在儀器屏幕上直接讀出。

網絡分析儀的掃頻信號源發出掃頻信號，信號通過儀器輸出口送到待測件（分配器、合成器），信號通過待測件后，再經儀器信號輸入口送回網絡分析儀。網絡分析儀對輸出和輸入信號進行比較可得出待測設備的傳輸指標，如插入損耗、隔離度。對輸出和反射信號進行比較可得出待測設備的反射指標，如回波損耗。

現以1︰4功率分配器指標測試為例進行說明，4︰1功率合成器指標測試方法與此類似。

插入損耗和相互隔離度測試：將1︰4分配器的輸入、輸出端口與網絡分析儀的測試端口1和2分別相連，其余3個端口接匹配負載，使用網絡分析儀的“傳輸測量”可得到1︰4分配器插入損耗讀數。更換不同的連接端口，就可以測試出4︰1合成器各端口的插入損耗、相互隔離度讀數。

回波損耗測試：將1︰4分配器的輸入端口與矢量網絡分析儀的測試端口1相連，其余4個端口接匹配負載，使用儀器的“反射測量”可得到1︰4分配器回波損耗讀數。

3　結語

在調頻廣播發送系統的末級功放及大功率合成系統中，由3dB定向耦合器構成的功率分配與合成器件發揮著重要作用。掌握3dB定向耦合器功率分配與合成工作原理及指標的測試方法，對維護好調頻廣播發射機提供了很大幫助。

吳廷昊（1966-）,男，仫佬族，廣西河池市羅城仫佬族自治縣人，碩士學位，高級工程師。研究方向：廣播電視發送技術。

李健（1968-），女，漢族，廣西欽州市靈山縣人，大專學歷，助理工程師。研究方向：廣播電視發送技術。