任 凱（國(guó)家新聞出版廣電總局722臺(tái)，721001）

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淺析短波發(fā)射機(jī)中的定向耦合器

任 凱
（國(guó)家新聞出版廣電總局722臺(tái)，721001）

摘要：本文主要介紹定向耦合器在短波發(fā)射機(jī)的電路設(shè)計(jì)原理和實(shí)用的的幾種用途。

關(guān)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(hào)的隔離、分離和混合，如功率的監(jiān)測(cè)、源輸出功率穩(wěn)幅、信號(hào)源隔離、傳輸和反射的掃頻測(cè)試等。主要技術(shù)指標(biāo)有方向性、駐波比、耦合度、插入損耗。定向耦合器在廣播發(fā)射機(jī)也有著廣泛的應(yīng)用，就短波發(fā)射機(jī)而言，在整個(gè)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(zhuǎn)換器及天饋線系統(tǒng)。

1 定向耦合器電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

其主要功能是為自動(dòng)電平控制電路提供入射波電壓和反射波電壓的取樣信號(hào)，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(jí)為主饋線，次級(jí)為電感線圈，主饋線從電感線圈的中心穿過，互感器的次級(jí)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(lián)的電容C3、C5構(gòu)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(diào)可變電容，用于進(jìn)行方向性調(diào)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(bǔ)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(lián)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(chǎng)耦合（電容分壓）和磁場(chǎng)耦合（電流互感器感應(yīng)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(jìn)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(hù)電路的等效電路。

在圖2 中，假設(shè)：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(jí)電流為I2，方向如圖。另假設(shè)：電流互感器的互感耦合系數(shù)為M；次級(jí)電感線圈的電感量為L(zhǎng)2，電阻R1、R2阻值為R。

根據(jù)電感耦合的原理，則有如下關(guān)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?yàn)镽1+R2=2R 《jωL2，則2R可忽略不計(jì)，則有：I2=jωMI1/ jωL2=（M/ L2）×I1

上式中，由于M和L2為常數(shù)，因此電流互感器次級(jí)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(guān)。

電流I2在電阻R1、R2上產(chǎn)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(duì)于C點(diǎn)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(guān)，并且C2上的電壓與饋線上的電壓成正比。

當(dāng)負(fù)載匹配時(shí)，U1/I1=50Ω，且U1與I1同相，由于同相位的兩個(gè)數(shù)學(xué)式才能進(jìn)行相加，由此可得出如下關(guān)系式：

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

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

調(diào)節(jié)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(guān)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(jīng)過二極管V1、V2整流后，得到經(jīng)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(dòng)電平控制電路的X11、Xl0端（見圖1）。

反射波電壓在理想狀態(tài)下應(yīng)為0，在實(shí)際狀態(tài)下是不會(huì)為0的，但其數(shù)值應(yīng)是很小的，當(dāng)負(fù)載不匹配時(shí)，其數(shù)值會(huì)明顯增大。

2 定向耦合器在短波發(fā)射機(jī)的具體應(yīng)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(chǎng)耦合和磁場(chǎng)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(jìn)行相加和相減運(yùn)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(fā)射機(jī)主要有以下幾個(gè)用途：

（1）功率表指示；

（2）用于負(fù)載調(diào)整取樣；

所謂負(fù)載匹配的調(diào)整，就是通過調(diào)整，能夠使高末級(jí)電子管處在最佳工作狀態(tài)，陽極電壓輸出最大，保證發(fā)射機(jī)的輸出功率最大。

在T網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配時(shí)，它的主要依據(jù)就是：從定向耦合器中取出入射波電壓，再從末級(jí)電子管陽極中取出陽極檢波電壓，將兩個(gè)電壓信號(hào)在一個(gè)電阻比較電橋中進(jìn)行比較，比較后的誤差信號(hào)就是負(fù)載匹配調(diào)整時(shí)的控制信號(hào)。

（3）入射波電壓與高末陽極電壓取樣進(jìn)行比較后，作為過耗保護(hù)的依據(jù)；

（4）反射波電壓用作天饋線駐波比保護(hù)電路的取樣信號(hào)，用于保護(hù)；

由于天饋線的輸入駐波相對(duì)來說也比較大，為了保護(hù)發(fā)射機(jī)饋管的輸出窗口，監(jiān)視天饋線的駐波并實(shí)現(xiàn)保護(hù)很有必要。利用一只定向耦合器串接在發(fā)射機(jī)饋管的輸出端，實(shí)時(shí)測(cè)量入射波和反射波信號(hào)電壓的大小，并送給發(fā)射機(jī)控制保護(hù)電路作為對(duì)高頻通路的保護(hù)。

（5）定向耦合器中的高頻取樣信號(hào)送到調(diào)幅度測(cè)試儀中作為調(diào)幅度的指示用。

參考文獻(xiàn)

TBH-522型150KW短波發(fā)射機(jī)維護(hù)手冊(cè).黃曉兵.中國(guó)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