功率耦合器和功率检测器的基本原理及应用差异

在很多射频电路中，功率检测是不可或缺的，Power coupler 和Power detector 有什么区别呢？

Power coupler

Coupling（耦合）

耦合在电子电路中是指两个或两个以上的电路元件或电路网络的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象。

举个例子：

我们知道，任何信号都会向外辐射，只是辐射信号大小有区别而已。

如上图，LTE信号向外辐射，叠加到WIFI信号上，并且影响到WIFI信号。

当LTE信号强度较大的时候，WIFI信号会受到很大的干扰，误码率将很差，收到的信息经过调制后将会出现偏差，不是原来发出的信号了或产生多次谐波。比如WIFI发出的信息是"1314LJJ"（一闪一闪亮晶晶），受到LTE band40较强干扰后，收到的信息可能是"1314L"，“大鹏” 变“大朋” 了！就问你怕不怕。。。

这种耦合就是坏的方面了。

既然有坏的方面，那么就会有好的方面。

我们知道变化的磁场产电场，变化的电场产生磁场，又根据耦合原理，耦合器产生了。

如图二，RF信号在路径上传输，其边上有一根平行导线，导线会受到RF路径上的信号影响，产生相应的耦合信号。

如图三，RF信号从port 1 传输到port 2的过程中，产生了耦合信号，耦合信号会从Port 3 和Port 4输出

我们可以在port3和Port4检测到相应的信号（耦合信号的功率相对RF的信号弱许多）。

耦合形式多种多样，耦合器架构也是多种多样的，以上是耦合器（平行线架构）的原理简单介绍。

那么耦合器有什么作用呢？在射频里，最常用的就是功率取样检测，功率合成，功率测量，VSWR简单测量等，也称之为power coupler（功率耦合器）

我们先介绍一下应用，然后再说一下相应参数。

一、功率取样检测(定向耦合器)

在WIFI或一些小基站里，RF SOC会带一个提升线性度的DPD功能，这个DPD需要根据输出功率的大小来调整SOC的

RF输出信号强度/线性度，这个时候，就需要power coupler来将功放的输出功率转换成耦合功率再输出给DPD管脚，SOC再根据DPD反馈的功率大小来调整输出测信号的强度/线性度。

打个比方：现在我的WIFI 输出功率是23dBm,EVM是5%超过了法规，这个时候，我启用DPD功能，WIFI输出功率为23dBm, EVM为3%，就满足法规认证要求。（这里仅仅是举个“栗子”，方便理解，数值不一定合理哈，勿怪）

二、功率合成

如图五，在功放输出后用的3dB Hybrid coupler,即我们常说的3dB电桥，此处的作用是功率合成（这个耦合器是另外一种架构制作的）

理论上功率增加3dB,如两个PA输出为30dBm,经过3dB Hybrid coupler 合成后，输出为33dBm.

实际输出会略低一些，一般是在2-2.5dB左右。

这个coupler是功率合成的应用

三、功率测量

这个多见于功率计：按照被测信号走向，功率计一般分为直通式功率计和终端式功率计

终端式功率计：

1. 不能测量较大的功率，一般都是1W以下（可测功率取决于耦合器上限功率，终端负载上限功率，及检测单元的上限功率）
2. 可以测量各种调制信号的功率（仅仅测试功率）

直通式功率计

（1）直通式功率计具有大功率测量能力, 因为是输出端口2可以外接天线，信号可以辐射出去，所以相应可以承载的功率较大，上限取决耦合器的上限功率，检测单元的上限功率

（2）直通式功率计可测量带宽相对较窄，其带宽取决于定向耦合器的可测量带宽。

（3）由于定向耦合器的耦合度存在，直通式功率计不能用于太小的功率测量。这个和终端式功率计正好各有所长。

下面讲一下耦合器的参数：

1.方向性

2.耦合度（S31 ）

3.插损（S21 ）

4.隔离度（S41 ）

5.VSWR或RL（S11/S22）

方向性：是指定向耦合器在发射系统中辨别入射波和反射波的能力的一个品质因素。定向耦合器的方向性取决于耦合电路中的电场和磁场分量。当两个信号产生的分量被平衡时候方向性最佳。（电场和磁场分量取决于耦合电路中的耦合电容/电感）

方向性公式：方向性（dB）=隔离度-耦合度

耦合度：是指射频信号输入口和耦合口之间的功率比值

耦合度公式：耦合度（dB）=10log(输入信号功率/耦合信号功率)

插入损耗：这个就不解释了

隔离度：是指端口1到端口4的功率比值

隔离公式：隔离度（dB）=10log(输入信号功率/隔离终端功率)

VSWR：这里不做介绍了（VSWR=(1+Rho)/(1-Rho)）

从上面的公式可以看出，各个参数之间都有相互关系，针对各个参数：

1.在其他参数相同的情况下，方向性越大越好，其测量的数值精度越高。

2.耦合度，根据自己系统需求选择

3.在其他参数相同的情况下，隔离度当然越大越好啦（减少信号可能产生的干扰）

4.插损越低越好

5.VSWR这个就不用讲了

Power detector

Power Detector可以将输入的射频信号转换为直流电压输出（射频信号通过一个非线性元件时，将会产生交流信号和直流信号），然后根据电压和功率曲线，通过电压值来计算射频信号的功率。

Power Detector有很多种类，从ADI的官网上，我们能看到目前主流的有哪些：

我们来看一个射频里常用的简单的Power Detector

射频信号输入，然后输出电压信号，注意了：这种器件是没有射频输出的。

那么在应用的时候就要特别注意，如果你是直通式插入在RF路径上的，就要选Power coupler,如果不是直通 式选择Power Detector.

区别不仅仅在于输入，输出端口的问题，还要注意的是，当你在射频路径上使用Power detector的时候，它处于电路中的并联位置，产生了分支，主路径上的功率将会被分走一半，即3dB。

在设计的时候，要考虑到3dB的功率分摊，避免输出满足不了需求。

如上为power coupler 和power detector 一些基本原理及应用差异。