浅析短波发射机中的定向耦合器

任 凯（国家新闻出版广电总局722台，721001）



浅析短波发射机中的定向耦合器

任 凯
（国家新闻出版广电总局722台，721001）

摘要：本文主要介绍定向耦合器在短波发射机的电路设计原理和实用的的几种用途。

关键词：天馈线；定向耦合器；入射电压；反射电压

0 前言

定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。定向耦合器在广播发射机也有着广泛的应用，就短波发射机而言，在整个高频通路中，定向耦合器一端连接高频滤波器，另一端平衡转换器及天馈线系统。

1 定向耦合器电路设计简介

其主要功能是为自动电平控制电路提供入射波电压和反射波电压的取样信号，定向耦合器电路的原理如图1所示。

在图1中，Tl是电流互感器，其初级为主馈线，次级为电感线圈，主馈线从电感线圈的中心穿过，互感器的次级取样电流通过端子X2、X5接到电阻R1、R2上。R1、R2均是阻值为22Ω的无感电阻。

电容C与并联的电容C3、C5构成电容分压电路，电容C的一端接到主馈线上，另一端接到端子X3上，通过电容C可直接取出馈线上的RF电压。C3是微调可变电容，用于进行方向性调整，可使入射波处于最大，反射波处于最小。

C9和R5用于频率补偿，C2、C7是耦合电容，Cl、C4、C6、 C8高频滤波旁路电容。V1、V6是检波二极管，V2、V5是隔离二极管，二极管V3、V4串联在一起可为V1、V2；V5、V6提供1.4V的直流偏置电压，用以克服二极管的非线性。

图1 定向耦合器电路

X1是入射波直流取样电压的输出端，X6是反射波直流取样电压的输出端。

图2 等效电路

在图1定向耦合器电路中，主要分析入射波和反射波的取样原理。定向耦合器的基本取样原理是：利用电场耦合（电容分压）和磁场耦合（电流互感器感应电流）的方法，从馈线上得到电流和电压，然后再将所得到的电压进行相加或相减，就可得到我们所需要的入射波电压和反射波电压。

由于在X1端和X6端最后得到的是入射波电压和反射波电压，下面从理论上分析一下入射波电压和反射波电压是如何形成的。

图2为驻波比保护电路的等效电路。

在图2 中，假设：馈线上的电流为I1，方向如图；馈线上的电压为U1；电流互感器Tl的次级电流为I2，方向如图。另假设：电流互感器的互感耦合系数为M；次级电感线圈的电感量为L2，电阻R1、R2阻值为R。

根据电感耦合的原理，则有如下关系：

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

电阻R1、R2均为无感电阻，且R1=R2=R，又因为R1+R2=2R 《jωL2，则2R可忽略不计，则有：I2=jωMI1/ jωL2=（M/ L2）×I1

上式中，由于M和L2为常数，因此电流互感器次级的电流I2与主馈线上的电流I1是成正比变化的，且与频率无关。

电流I2在电阻R1、R2上产生的电压为：

UR2=UR1=12×R=（M/L2）xI1×R=（MR/L2）×I1

由此可知：UAC=（MR/L2）×I1；UBC=-（MR/L2）×I1

从上面两式可知：对于C点来说，R1、R2两端的电压大小相等，但是相位相差180°。

通过电容Cl、C2分压后，在C2上所得到的电压为：

UC2=U1Cl/（ Cl +C2）=［Cl/（ Cl +C2）］×U1

上式说明：C2上的电压也与频率无关，并且C2上的电压与馈线上的电压成正比。

当负载匹配时，U1/I1=50Ω，且U1与I1同相，由于同相位的两个数学式才能进行相加，由此可得出如下关系式：

设A电对地电压为：UA=UAC +UC2=（MR/L2）×I1+［Cl/（Cl+C2）］×U1

设B电对地电压为：UB=UBC +UC2=-（MR/L2）xI1+［Cl/（ Cl +C2）］×U1

调节电容C2，使C2上的电压与电阻R1、R2上的电压相等，即满足下列关系式：［Cl/（Cl +C2）］xU1=（MR/L2） xI1

则有：UA =2［ Cl/（ Cl +C2）］×U1；UB =0

UA、UB就是我们所要得到的入射波电压和反射波电压。UA、UB上的电压经过二极管V1、V2整流后，得到经过检波的入射波电压V入和反射波电压V反，该电压分别从X1、X6端送到自动电平控制电路的X11、Xl0端（见图1）。

反射波电压在理想状态下应为0，在实际状态下是不会为0的，但其数值应是很小的，当负载不匹配时，其数值会明显增大。

2 定向耦合器在短波发射机的具体应用

从上面电路具体解析，我们充分了解到定向耦合器的基本工作原理是：利用电场耦合和磁场耦合的方法从馈线上得到不同的电压，然后再把这些电压进行相加和相减运算，就可以得到入射波电压和反射波电压。

定向耦合器在短波发射机主要有以下几个用途：

（1）功率表指示；

（2）用于负载调整取样；

所谓负载匹配的调整，就是通过调整，能够使高末级电子管处在最佳工作状态，阳极电压输出最大，保证发射机的输出功率最大。

在T网络进行匹配时，它的主要依据就是：从定向耦合器中取出入射波电压，再从末级电子管阳极中取出阳极检波电压，将两个电压信号在一个电阻比较电桥中进行比较，比较后的误差信号就是负载匹配调整时的控制信号。

（3）入射波电压与高末阳极电压取样进行比较后，作为过耗保护的依据；

（4）反射波电压用作天馈线驻波比保护电路的取样信号，用于保护；

由于天馈线的输入驻波相对来说也比较大，为了保护发射机馈管的输出窗口，监视天馈线的驻波并实现保护很有必要。利用一只定向耦合器串接在发射机馈管的输出端，实时测量入射波和反射波信号电压的大小，并送给发射机控制保护电路作为对高频通路的保护。

（5）定向耦合器中的高频取样信号送到调幅度测试仪中作为调幅度的指示用。

参考文献

TBH-522型150KW短波发射机维护手册.黄晓兵.中国书籍出版社.

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