淺析短波發射機中的定向耦合器

任 凱（國家新聞出版廣電總局722臺，721001）

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淺析短波發射機中的定向耦合器

任 凱
（國家新聞出版廣電總局722臺，721001）

摘要：本文主要介紹定向耦合器在短波發射機的電路設計原理和實用的的幾種用途。

關鍵詞：天饋線；定向耦合器；入射電壓；反射電壓

0 前言

定向耦合器是一種通用的微波/毫米波部件，可用于信號的隔離、分離和混合，如功率的監測、源輸出功率穩幅、信號源隔離、傳輸和反射的掃頻測試等。主要技術指標有方向性、駐波比、耦合度、插入損耗。定向耦合器在廣播發射機也有著廣泛的應用，就短波發射機而言，在整個高頻通路中，定向耦合器一端連接高頻濾波器，另一端平衡轉換器及天饋線系統。

1 定向耦合器電路設計簡介

其主要功能是為自動電平控制電路提供入射波電壓和反射波電壓的取樣信號，定向耦合器電路的原理如圖1所示。

在圖1中，Tl是電流互感器，其初級為主饋線，次級為電感線圈，主饋線從電感線圈的中心穿過，互感器的次級取樣電流通過端子X2、X5接到電阻R1、R2上。R1、R2均是阻值為22Ω的無感電阻。

電容C與并聯的電容C3、C5構成電容分壓電路，電容C的一端接到主饋線上，另一端接到端子X3上，通過電容C可直接取出饋線上的RF電壓。C3是微調可變電容，用于進行方向性調整，可使入射波處于最大，反射波處于最小。

C9和R5用于頻率補償，C2、C7是耦合電容，Cl、C4、C6、 C8高頻濾波旁路電容。V1、V6是檢波二極管，V2、V5是隔離二極管，二極管V3、V4串聯在一起可為V1、V2；V5、V6提供1.4V的直流偏置電壓，用以克服二極管的非線性。

圖1 定向耦合器電路

X1是入射波直流取樣電壓的輸出端，X6是反射波直流取樣電壓的輸出端。

圖2 等效電路

在圖1定向耦合器電路中，主要分析入射波和反射波的取樣原理。定向耦合器的基本取樣原理是：利用電場耦合（電容分壓）和磁場耦合（電流互感器感應電流）的方法，從饋線上得到電流和電壓，然后再將所得到的電壓進行相加或相減，就可得到我們所需要的入射波電壓和反射波電壓。

由于在X1端和X6端最后得到的是入射波電壓和反射波電壓，下面從理論上分析一下入射波電壓和反射波電壓是如何形成的。

圖2為駐波比保護電路的等效電路。

在圖2 中，假設：饋線上的電流為I1，方向如圖；饋線上的電壓為U1；電流互感器Tl的次級電流為I2，方向如圖。另假設：電流互感器的互感耦合系數為M；次級電感線圈的電感量為L2，電阻R1、R2阻值為R。

根據電感耦合的原理，則有如下關系：

I2 =jωMI1/（ R1+R2+jωL2）=jωMI1/（2R+jωL2）

電阻R1、R2均為無感電阻，且R1=R2=R，又因為R1+R2=2R 《jωL2，則2R可忽略不計，則有：I2=jωMI1/ jωL2=（M/ L2）×I1

上式中，由于M和L2為常數，因此電流互感器次級的電流I2與主饋線上的電流I1是成正比變化的，且與頻率無關。

電流I2在電阻R1、R2上產生的電壓為：

UR2=UR1=12×R=（M/L2）xI1×R=（MR/L2）×I1

由此可知：UAC=（MR/L2）×I1；UBC=-（MR/L2）×I1

從上面兩式可知：對于C點來說，R1、R2兩端的電壓大小相等，但是相位相差180°。

通過電容Cl、C2分壓后，在C2上所得到的電壓為：

UC2=U1Cl/（ Cl +C2）=［Cl/（ Cl +C2）］×U1

上式說明：C2上的電壓也與頻率無關，并且C2上的電壓與饋線上的電壓成正比。

當負載匹配時，U1/I1=50Ω，且U1與I1同相，由于同相位的兩個數學式才能進行相加，由此可得出如下關系式：

設A電對地電壓為：UA=UAC +UC2=（MR/L2）×I1+［Cl/（Cl+C2）］×U1

設B電對地電壓為：UB=UBC +UC2=-（MR/L2）xI1+［Cl/（ Cl +C2）］×U1

調節電容C2，使C2上的電壓與電阻R1、R2上的電壓相等，即滿足下列關系式：［Cl/（Cl +C2）］xU1=（MR/L2） xI1

則有：UA =2［ Cl/（ Cl +C2）］×U1；UB =0

UA、UB就是我們所要得到的入射波電壓和反射波電壓。UA、UB上的電壓經過二極管V1、V2整流后，得到經過檢波的入射波電壓V入和反射波電壓V反，該電壓分別從X1、X6端送到自動電平控制電路的X11、Xl0端（見圖1）。

反射波電壓在理想狀態下應為0，在實際狀態下是不會為0的，但其數值應是很小的，當負載不匹配時，其數值會明顯增大。

2 定向耦合器在短波發射機的具體應用

從上面電路具體解析，我們充分了解到定向耦合器的基本工作原理是：利用電場耦合和磁場耦合的方法從饋線上得到不同的電壓，然后再把這些電壓進行相加和相減運算，就可以得到入射波電壓和反射波電壓。

定向耦合器在短波發射機主要有以下幾個用途：

（1）功率表指示；

（2）用于負載調整取樣；

所謂負載匹配的調整，就是通過調整，能夠使高末級電子管處在最佳工作狀態，陽極電壓輸出最大，保證發射機的輸出功率最大。

在T網絡進行匹配時，它的主要依據就是：從定向耦合器中取出入射波電壓，再從末級電子管陽極中取出陽極檢波電壓，將兩個電壓信號在一個電阻比較電橋中進行比較，比較后的誤差信號就是負載匹配調整時的控制信號。

（3）入射波電壓與高末陽極電壓取樣進行比較后，作為過耗保護的依據；

（4）反射波電壓用作天饋線駐波比保護電路的取樣信號，用于保護；

由于天饋線的輸入駐波相對來說也比較大，為了保護發射機饋管的輸出窗口，監視天饋線的駐波并實現保護很有必要。利用一只定向耦合器串接在發射機饋管的輸出端，實時測量入射波和反射波信號電壓的大小，并送給發射機控制保護電路作為對高頻通路的保護。

（5）定向耦合器中的高頻取樣信號送到調幅度測試儀中作為調幅度的指示用。

參考文獻

TBH-522型150KW短波發射機維護手冊.黃曉兵.中國書籍出版社.

Analysis of directional coupler in HF transmitter

Ren Kai
（The State Press and Publication Administration of Radio Film and television 722 radio station，721001）

Abstract：This paper mainly introduces the circuit design principle and practical application of directional coupler in HF transmitter.

Keywords：antenna；directional coupler；input voltage；voltage reflection