CN101809808B - 环型定向耦合器 - Google Patents

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    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
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    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers

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Abstract

本发明涉及一种环型定向耦合器，其包括具有第一天线分支和第二天线分支的半环天线形式的第一波导，尤其是中空导体、平面导体或共轴导体，该环型定向耦合器用于无接触地提取第二波导上的正向信号a和所述第二波导上的反向信号b。为此，第一天线分支(12)连接至第一网络(18)的第一输入(20)并且第二天线分支(14)连接至第一网络(18)的第二输入(22)，该第一网络(18)在第一输入(20)处具有第一功率分配器(56)并且在第二输入(22)处具有第二功率分配器(58)，第一和第二功率分配器(56、58)用于分配存在于各天线分支(12、14)处的信号，该第一网络(18)具有将第一和第二功率分配器(56、58)的信号彼此相加的第一加法器(60)、和将第一和第二功率分配器(56、58)的信号彼此相减的第一减法器(62)。

Description

环型定向耦合器
技术领域
本发明涉及一种环型定向耦合器(loop-type directionalcoupler)，如在权利要求1的前序部分中所述，该环型定向耦合器包括具有第一臂和第二臂的半环天线形式的波导，尤其是中空波导、平面波导或共轴波导，该环型定向耦合器用于无接触地耦合输出波导上的正向信号a和所述波导上的反向信号b。
背景技术
已知所谓的定向耦合器用于确定和分离波导或线路上的正向射频电流和电压波“a”和反向射频电流和电压波“b”，并用于确定波导或线路上的电压“U”和电流“I”。定向耦合器是射频和微波电路中最广泛使用的组件之一。该定向耦合器是可逆的四端口组件，其中，在理想情况下，当所有端口均具有无反射终端(reflection-free termination)时，两个端口彼此解耦。例如，假定端口1是信号被馈送至的输入端口。假设所有的端口均具有无反射终端。则例如，端口4是没有耦合部分馈入功率的孤立端口。其它两个端口被称为发送端口和耦合端口。
用于定义定向耦合器的质量的重要变量是其方向性的锐度(定向耦合)或单一方向性。方向性的锐度是当所有的端口都具有无反射终端时、耦合端口处的功率相对于孤立端口处的功率的比。根据K.W.Wagner，“Induktionswirkung von Wanderwellenin Nachbarleitungen”[Inductive effect of travelling waves onneighbouring lines]，Elektrotechnische Zeitschrift，Vol.35，pages639-643，677-680，705-708，1914，当电感耦合因子相对于电容耦合因子的比等于各个线路的特性阻抗的乘积时，从包括两个耦合线路的定向耦合器获得最佳方向性。
测量系统中经常使用定向耦合器，从而允许单独确定正向波和反向波。在电路技术中，使用定向耦合器作为衰减器、相移器、混合器和放大器中的解耦功率分配器。在这种情况下，根据例如共轴波导、中空波导和/或平面波导构建定向耦合器。
用于分离正向波和反向波的可能的耦合结构是由P.P.Lombardini，R.F.Schwartz，P.J.Kelly在“Criteria for the designof loop-type directional couplers for the L band”，IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques，Vol.4，No.4，pages 234-239，October 1956，以及由B.
Figure GPA00001067162000021
在“An L-bandloop-type coupler”，IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques，Vol.9，No.4，pages 362-363，July 1961中所述的环型定向耦合器。环型定向耦合器包括位于波导上方或位于波导中的波导环。在这种情况下，可以使用中空波导、平面条带波导或共轴波导等的任意期望的波导。环型定向耦合器存在广泛的用途。例如，F.De Groote，J.Verspecht，C.Tsironis，D.Barataud和J.-P.Teyssier在“An improved coupling method fortime domain load-pull measurements”，European MicrowaveConference，Vol.1，page 4 et seq.，October 2005，以及K.Yhland，J.Stenarson在“Noncontacting measurement of power inmicrostrip circuits”in 65th ARFTG，pages 201-205，June 2006中使用环型定向耦合器作为无接触测量系统中的组件。
采用电感和/或电容耦合结构，从而通过使用无接触的通常为矢量的测量系统来判断受测试装置(device under test，DUT)的散射参数。利用这些耦合结构来判断直接连接至受测试装置的信号线或波导上的电流和/或电压。可选地，测量信号线上的正向波和反向波，然后使用定向耦合器作为用于分离这两个波的耦合结构。
用于利用定向耦合器来判断正向波和反向波的未校准测量系统和校准测量系统的精度特别依赖于耦合器的方向性。当例如使用环型定向耦合器时，可以利用环相对于信号线或波导的位置和角度并通过改变该环的几何形状来使环型定向耦合器的方向性最优化。然而，利用该方式不能使(多个倍频程上的)定向耦合的带宽最优化。需要针对每个频率范围重新最优化该结构的几何形状。为了该目的，需要非常精确的环定位单元，并且这使得定向耦合器的复杂性大大增加。
发明内容
本发明的目的在于考虑到上述类型的环型定向耦合器的用途来简化该环型定向耦合器的结构，同时提高其方向性。
根据本发明，利用具有权利要求1中所述的特征的上述类型的环型定向耦合器来实现该目的。在其它权利要求中描述了本发明的优选实施例。
在上述类型的环型定向耦合器中，根据本发明，天线的第一臂连接至第一网络的第一输入并且所述天线的第二臂连接至所述第一网络的第二输入，所述第一网络在所述第一输入处具有第一功率分配器并且在所述第二输入处具有第二功率分配器，其中，所述第一功率分配器和所述第二功率分配器分别分配施加于所述天线的第一臂和第二臂的信号，所述第一网络具有：第一加法器，其将来自所述第一功率分配器和所述第二功率分配器的信号相加，并将根据该相加所得的信号Kc(a+b)馈送至所述第一网络的第一输出，其中，Kc是所述环型定向耦合器的电容耦合因子；和第一减法器，其将来自所述第一功率分配器和所述第二功率分配器的信号彼此相减，并将根据该相减所得的信号Ki(a-b)馈送至所述第一网络的第二输出，其中，Ki是所述环型定向耦合器的电感耦合因子；设置有第三网络，所述第三网络具有连接至所述第一网络的第一输出的第一输入以及连接至所述第一网络的第二输出的第二输入，所述第三网络在该第一输入处具有第三功率分配器并且在该第二输入处具有第四功率分配器，其中，所述第三功率分配器和所述第四功率分配器分别分配施加于所述第三网络的第一输入和第二输入的信号，所述第三网络具有第二加法器，所述第二加法器经由具有复数传输因子D1的第一电容信号路径接收来自所述第三功率分配器的信号，并经由具有复数传输因子D2的第一电感信号路径接收来自所述第四功率分配器的信号，并且将这些信号相加，并将根据该相加所得的信号馈送至所述第三网络的第一输出，所述第三网络具有第二减法器，所述第二减法器经由具有复数传输因子D3的第二电容信号路径接收来自所述第三功率分配器的信号，并经由具有复数传输因子D4的第二电感信号路径接收来自所述第四功率分配器的信号，并且将这些信号彼此相减，并将通过该相减所得的信号馈送至所述第三网络的第二输出，在所述第一网络和所述第三网络之间的信号路径至少之一中以及/或者在所述第三功率分配器和所述第四功率分配器与所述第二加法器和所述第二减法器之间的信号路径至少之一中，布置有至少一个耦合因子匹配部件，所述耦合因子匹配部件改变给定信号路径上的信号的幅度和/或相位，使得存在幅度和相位相同的具有耦合因子K1、K2的信号，以分别在所述第二加法器和所述第二减法器中进行相加和相减。
这具有以下优点：可以获得耦合因子能够与频率单独匹配的定向耦合器，使得即使根据几何形状和信号及其频率的结构而产生的电容和电感耦合因子彼此不同，也能使由此产生的电容和电感耦合因子几乎相同。这样不必改变环型定向耦合器的几何特性就能够相应地提高方向性。
在优选实施例中，设置有第二网络，所述第二网络具有：第一输入，其连接至所述第一网络的第一输出；第二输入，其连接至所述第一网络的第二输出；第一输出，其连接至所述第三网络的第一输入；和第二输出，其连接至所述第三网络的第二输入；所述第二网络具有：至少一个耦合因子匹配部件，其改变所述第二网络的第一输入处和/或所述第二网络的第二输入处的信号的幅度和/或相位，使得存在幅度和相位相同的具有耦合因子K1、K2的信号，以分别在所述第二加法器和所述第二减法器中进行相加和相减。
在这种情况下，例如K1＝K2＝K，并且优选地，所述耦合因子匹配部件被设计成所述耦合因子匹配部件将所述第二网络的第一输入处的信号乘以第一复数因子F1，并且/或者将所述第二网络的第二输入处的信号乘以第二复数因子F2，其中，以使如下等式成立的方式选择所述第一复数因子F1和/或所述第二复数因子F2：
K＝Kc·F1·D1＝Ki·F2·D2＝Kc·F1·D3＝Ki·F2·D4
或者
K＝Kc·F1·D1＝Ki·D2＝Kc·F1·D3＝Ki·D4
或者
K＝Kc·D1＝Ki·F2·D2＝Kc·D3＝Ki·F2·D4。
为了能够调整或确定用于匹配电容和电感耦合因子所需的复数因子，在优选实施例中，在所述第二网络的第一输出和所述第三网络的第一输入之间配置且形成第一切换开关，并且在所述第二网络的第二输出和所述第三网络的第二输入之间配置且形成第二切换开关，以使得根据需要，这些切换开关将来自所述第二网络的第一输出和第二输出的信号分别施加至所述第三网络的第一输入和第二输入，或者使这些信号绕过所述第三网络继续传输。
在替代实施例中，在所述第二网络的第一输出和所述第三网络的第一输入之间布置有用于将来自所述第二网络的第一输出的信号施加至所述第三网络的第一输入和第三切换开关的第五功率分配器，并且在所述第二网络的第二输出和所述第三网络的第二输入之间布置有用于将来自所述第二网络的第二输出的信号施加至所述第三网络的第二输入和第四切换开关的第六功率分配器，布置并形成切换开关，以使得所述切换开关根据需要将来自功率分配器的信号馈送至接收器或者馈送至终端电阻器。
在另一替代实施例中，在第三网络的第一电容信号路径和第二电容信号路径以及/或者第一电感信号路径和第二电感信号路径各自中布置有耦合因子匹配部件，所述第一电容信号路径中的耦合因子匹配部件将信号乘以复数因子F3，所述第一电感信号路径中的耦合因子匹配部件将信号乘以复数因子F4，所述第二电容信号路径中的耦合因子匹配部件将信号乘以复数因子F5，所述第二电感信号路径中的耦合因子匹配部件将信号乘以复数因子F6，其中，以使如下等式成立的方式选择复数因子F3、F4、F5和F6：
Kc*D1*F3＝Ki*F4*D2＝K1
并且
Kc*D3*F5＝Ki*F6*D4＝K2，
当在所述第三网络的所有信号路径中均布置耦合因子匹配部件时，或者
Kc*D1＝Ki*F4*D2＝K1
并且
Kc*D3＝Ki*F6*D4＝K2，
当仅在所述第三网络的第一电感信号路径和第二电感信号路径各自中布置耦合因子匹配部件时，或者
Kc*D1*F3＝Ki*D2＝K1
并且
Kc*D3*F5＝Ki*D4＝K2，
当仅在所述第三网络的第一电容信号路径和第二电容信号路径各自中布置耦合因子匹配部件时，或者
Kc*D1*F3＝Ki*F4*D2＝K1
并且
Kc*D3*F5＝Ki*D4＝K2，
当在所述第三网络(38)的第一电容信号路径(120)和第二电容信号路径(124)各自中以及在所述第三网络(38)的第一电感信号路径(122)中布置耦合因子匹配部件时，或者
Kc*D1*F3＝Ki*F4*D2＝K1
并且
Kc*D3＝Ki*F6*D4＝K2，
当在所述第三网络(38)的第一电容信号路径(120)和第二电容信号路径(124)各自中以及在所述第三网络(38)的第二电感信号路径(126)中布置耦合因子匹配部件时，或者
Kc*D1＝Ki*F4*D2＝K1
并且
Kc*D3*F5＝Ki*F6*D4＝K2，
当在所述第三网络(38)的第一电感信号路径(122)和第二电感信号路径(126)各自中以及在所述第三网络(38)的第二电容信号路径(124)中布置耦合因子匹配部件(112、114)时，或者
Kc*D1*F3＝Ki*F4*D2＝K1
并且
Kc*D3＝Ki*F6*D4＝K2，
当在所述第三网络(38)的第一电感信号路径(122)和第二电感信号路径(126)各自中以及在所述第三网络(38)的第一电容信号路径(120)中布置耦合因子匹配部件(112、114)时。
为了使功率分配器、加法器、减法器和耦合因子匹配部件针对预定中间频率最优化、并且为了相应地降低成本，可以在所述天线的第一臂和所述第一网络的第一输入之间以及在所述天线的第二臂和所述第一网络的第二输入之间分别布置混合器和滤波器，所述混合器和所述滤波器被设计成所述混合器和所述滤波器将来自所述天线的臂的信号转换成预定中间频率。为了该目的，所述混合器连接至将用于与来自所述天线的臂的信号进行混合的混合器信号馈送至所述混合器的可变频率振荡器(VFO)。所述VFO优选采用具有局部振荡器和/或基准振荡器的锁相环的形式。
通过将所述VFO连接至用于控制所述耦合因子匹配部件的控制系统来获得耦合因子的匹配提高了的各工作频率用的各耦合因子，其中，用于控制所述耦合因子匹配部件的所述控制系统根据情况，按照馈送至所述混合器的混合器频率来设置复数因子F、或者复数因子F1、F2、F3、F4、F5和/或F6。
为了能够自动配置所述环型定向耦合器，将接收器连接至用于控制所述耦合因子匹配部件的控制系统，优选地，所述接收器被设计成所述接收器控制用于控制所述耦合因子匹配部件的控制系统，使得用于控制所述耦合因子匹配部件的控制系统向所述耦合因子匹配部件馈送参数，以便所述耦合因子匹配部件改变所述第二网络的第一输入处和/或所述第二网络的第二输入处的信号的幅度和/或相位，从而使得在所述第二网络的两个输出处存在相同的耦合因子K。
可选地，所述接收器可被设计成所述接收器控制用于控制所述耦合因子匹配部件的控制系统，使得用于控制所述耦合因子匹配部件的控制系统向所述耦合因子匹配部件馈送参数，以便所述耦合因子匹配部件改变所述第二网络的第一输入处和/或所述第二网络的第二输入处的信号的幅度和/或相位，从而使得在所述第二加法器的输入处存在第一耦合因子K1，并且在所述第二减法器的输入处存在第二耦合因子K2。
为了使得能够控制所述耦合因子匹配部件，或者换言之，为了使得能够设置耦合因子F3～F6，当所述波导被无反射电阻器或低反射电阻器终止时，根据情况，在至少一个耦合因子匹配部件与所述第二加法器或所述第二减法器之间，或者在所述第二加法器和所述第二减法器的输入中的至少一个的上游，设置连接至矢量接收器的开关或功率分配器。
附图说明
以下将通过参考附图来详细解释本发明。在附图中：
图1是根据本发明的环型定向耦合器的第一优选实施例的示意电路图。
图2是根据本发明的环型定向耦合器的第二优选实施例的示意电路图。
图3是根据本发明的环型定向耦合器的第三优选实施例的示意电路图。
图4是根据本发明的环型定向耦合器的第四优选实施例的示意电路图。
具体实施方式
图1所示的根据本发明的环型定向耦合器的第一优选实施例期望耦合输出沿波导11在信号源13和受测试装置(DUT)15之间传播的正向波a、和沿波导11反射来的反向波b，并且该环型定向耦合器包括具有第一臂12和第二臂14的半环天线10。附图标记17标记基准面。该天线的两个臂12、14连接至可配置网络16。
可配置网络16中布置有：第一网络18，其具有第一输入20、第二输入22、第一输出24和第二输出26；第二网络28，其具有第一输入30、第二输入32、第一输出34和第二输出36；以及第三网络38，其具有第一输入40、第二输入42、第一输出44和第二输出46。第二网络28形成第一网络18的输出24、26和第三网络的输入40、42之间的信号路径128、130。
天线的第一臂12经由第一混合器48和第一滤波器50连接至第一网络18的第一输入20。该天线的第二臂14经由第二混合器52和第二滤波器54连接至第一网络18的第二输入22。
第一网络18在第一输入20处具有第一功率分配器56，并且在第二输入22处具有第二功率分配器58。第一网络18中还布置有：第一加法器60，其将来自第一功率分配器56和第二功率分配器58的信号相加，并将其馈送至第一网络18的第一输出24；和第一减法器62，其将来自第一功率分配器56和第二功率分配器58的信号彼此相减，并将其馈送至第一网络18的第二输出26。以这种方式在第一网络18的第一输出24处获得信号Kc*(a+b)，其中，Kc是环型定向耦合器的电容耦合因子，并且以这种方式在第一网络18的第二输出26处获得信号Ki*(a-b)，其中，Ki是环型定向耦合器的电感耦合因子。在这种情况下，Kc不等于Ki。
在第二网络28中，由耦合因子匹配部件64将信号Ki*(a-b)乘以复数因子F，这改变了所述信号Ki*(a-b)的幅度和相位。在这种情况下，以Kc＝Ki*F＝K的方式选择该复数因子F。由耦合因子匹配部件64将从相乘所得的信号Ki*F*(a-b)馈送至第二网络28的第二输出36。由第二网络28将信号Kc*(a+b)传递至第二网络28的第一输出34。应当强调的是，仅示例给出耦合因子Ki和Kc这两者的幅度和相位的该匹配。作为替代，还可以仅将另一个信号Kc*(a+b)乘以复数因子F，使得Kc*F＝Ki＝K成立，或者可以使两个信号Ki*(a-b)和Kc*(a+b)均乘以各自的耦合因子F1、F2以得出F1*Kc*(a+b)和F2*Ki*(a-b)，使得K＝F1*Kc＝F2*Ki成立。基本地，总是向第三网络38的第一输入40施加信号K*(a+b)，并且总是向第三网络38的第二输入42施加信号K*(a-b)，即具有相同的耦合因子。
第三网络38在第一输入40处具有第三功率分配器66，并且在第二输入42处具有第四功率分配器68。第三网络38中还布置有：第二加法器70，其将来自第三功率分配器66和第四功率分配器68的信号相加，并将其馈送至第三网络38的第一输出44；和第二减法器72，其将来自第三功率分配器66和第四功率分配器68的信号彼此相减，并将其馈送至第三网络38的第二输出46。以这种方式在第三网络38的第一输出44处获得信号2K1*a，并且以这种方式在第三网络38的第二输出46处获得信号2K2*b，其中，K1是第二加法器70的两个输入处的耦合因子，并且K2是第二减法器72的两个输入处的耦合因子。因而在这种情况下，由此产生的正向波a和反向波b的耦合因子相同，即为K。第三网络38具有从第三功率分配器66延伸至第二加法器70的第一电容信号路径120、从第三功率分配器66延伸至第二减法器72的第二电容信号路径124、从第四功率分配器68延伸至第二加法器70的第一电感信号路径122、以及从第四功率分配器68延伸至第二减法器72的第二电感信号路径126。
混合器48、52和滤波器50、54用于将来自天线的臂12和14的信号转换成预定中间频率，这意味着仅需要使下游组件对于所述预定中间频率最优化。为了该目的，提供了具有局部振荡器或基准振荡器的可变频率振荡器(VFO)或者锁相环74，其向混合器48和52馈送适当的基准信号或混合用信号76，其中，混合器48和52将该适当的基准信号或混合用信号76与来自天线的两个臂12、14的各输出信号相混合。锁相环74还连接至用于控制耦合因子匹配部件64的控制系统78，并且向控制系统78传输基准信号76的电流频率80。根据该频率80，控制系统78选择复数因子F，或者根据情况选择各个频率的复数因子F1、F2，并将该复数因子F或复数因子F1、F2发送至第二网络28或第二网络28中的耦合因子匹配部件64。将中间频率信号110发送至锁相环74以控制该VFO。该中间频率信号110取自第一网络18的第一输入20或其第二输入22的上游。
由于使用可配置的电子四端口网络16，因此可以不改变环天线10的位置或几何形状而使根据本发明的定向耦合器的方向性针对各频率最优化，其中，该可配置的电子四端口网络16一方面连接至用作反向波耦合器的环天线10的孤立端口，另一方面连接至环天线10的耦合端口。当环天线10与网络16一起使用时，可以在还使用例如共轴波导或微条带波导等的任意期望类型的信号波导或信号线时，不改变环的几何形状、或环相对于信号波导或信号线11的布置而产生最优化的环型定向耦合器。
可配置网络16包括三个子网络18、28和38，在这种情况下，第一网络18和第三网络38可以是相同的。包含混合器48、52和滤波器50、54不是必需的，但包含的话会带来一些优点。
以下将参考图1来解释网络16的操作。信号波导或信号线11的半环10电感和电容耦合输出存在于例如该信号波导或信号线的近场中的一些能量。在存在与电信号的波长相比较小的波导或线路的环10的情况下，由于180°的相位差，将天线的第一臂12和天线的第二臂14中电感和电容感应的电流相加，另一方面将二者彼此相减。
首先将假定混合器48、52和滤波器50、54不是网络16的一部分。然后，由第一网络18将天线的臂12、14上的电感和电容耦合信号分离，因而存在于第一网络18末端的信号一方面仅是与信号波导或信号线11上的电流相对应的电感信号，另一方面是与信号波导或信号线11上的电压相对应的电容信号。第一网络18包括例如作为两个3dB耦合器的两个功率分配器56、58，并且对于各个功率分配器，设置有加法网络60和减法网络62。被设置为加法网络60的是例如“旋转式”3dB耦合器(组合器)，并且被设置为减法网络62的是例如平衡构件(平衡-不平衡转换器(balun))。
在第二网络28中，通过将一个路径上的信号乘以复数因子F来匹配耦合因子，这意味着K＝F*Ki＝Kc成立。这得出最佳方向性。例如利用放大器或衰减器结合移相器来进行信号的幅度和相位的改变。在这种情况下，优选使用电子可控组件，由此使得当在测量结构中存在变化时，能够利用电子控制信号快速且容易地调整复数因子F。在这种情况下，可以按期望定位乘法单元即耦合因子匹配部件64。如图1所示，可以仅在一个路径上执行相乘，而使用可用的两个路径中的哪个路径并不重要。同样，还可以在这两个路径中都设置可控组件，或者可以仅在一个路径上控制相位并且仅在另一个路径上控制幅度。这样，可以在无需改变波导或线路的单环10的固有方向性或固有耦合衰减的情况下，利用第二网络28来设置方向性以及耦合衰减。
如果以相同的方式将两个耦合因子Ki和Kc转换成K，则由第三网络38再次组合信号，由此在一个输出44处仅生成根据耦合因子K的正向波a，并且在另一个输出46处仅生成反向波b。为了确保出现如上情况，网络的各个路径的设计和结构完全相同。
当实际实现时存在的一个问题是例如减法器62、72(平衡-不平衡转换器)和功率分配器56、58、66和68等所需的组件仅在限定频率工作。这不利于该系统的宽带使用。作为补救，可选地，可以由包含混合器48、52和滤波器50、54的一个或多个外差混合级来扩展该系统。在这种情况下，来自环10的信号与基准信号76混合，从而得出低的固定(预定)中间频率。由于各个组件需要满足的与频带宽度有关的要求变得不太严格，因此利用固定中间频率可以使可配置网络16集成为电路。此外，可以使该系统针对任意期望带宽的信号最优化。例如由锁相环及局部和基准振荡器74来生成所需的基准信号76。
在目的是提高方向性的情况下，可以明确认为网络16构成对环10校准的硬件部件。
以下将说明网络16的控制和校准。配置网络16等同于控制第二网络28。目的是，首先确定复数因子F，然后以第二网络28的组件符合复数因子F的方式驱动这些组件。为了使得能够设置正确的因子F，连接至作为DUT(受测试装置)的基准面17的是低反射终端，并且理想是无反射的终端。在理想情况下，存在于信号线11上的都是正向波a。这样一方面与电容耦合因子相乘Kc*a并且另一方面与电感耦合因子相乘Ki*a，从而能够在第一网络18的两个输出24、26处测量正向波a。然后，设置第二网络28的参数(幅度和相位)，使得来自第二网络28的两个输出信号的幅度和相位在第二网络28的输出34、36处相等，这意味着Kc＝F*Ki＝K成立。对于要测量的来自第二网络28的输出信号，需要断开第二网络28和第三网络38之间的连接，使得第二网络28可以直接连接至矢量接收器。由于事实上不存在无反射终端，因此需要使用低反射终端来设置因子F。该终端的反射越低，利用整体布置所能够实现的方向性的值越高。此外，方向性的水平依赖于第三网络38中的路径的传输函数是否相同。传输函数之间的差异越大，能够实现的方向性的值越低。对于要实现的方向性的值非常高的情况，如随后将参考图4详细说明的那样，紧挨加法器70和减法器72的下游布置耦合因子匹配部件，其目的在于匹配耦合因子以得出Kc＝F*Ki＝K，否则例如根据测量处理，得知第三网络38中的路径的传输函数(DcM，DcP，DiM，DiP)的幅度和相位，并将它们存储在存储器中。然后，可以由耦合因子匹配部件64根据K＝Dc/Di*Kc来校准/控制电感耦合因子，使得在加法器70和减法器72处Ki*Di＝Dc*Kc成立。
在图2所示的根据本发明的环型定向耦合器的第二优选实施例中，利用相同的附图标记来标记进行与图1相同的功能的部件，因此为了解释这些部件，应当参考以上对图1的说明。在图2所示的第二优选实施例中，在第二网络28和第三网络38之间还布置有例如电子的两个开关84和86，并且在第三网络38上方设置有两个额外的开关88、90，由各自的控制系统92和94来操作这些开关对。开关88、90的目的是使得能够以简化的方式执行相对于附图所示的基准面17的上述校准。手动进行或者作为完全自动处理来进行在控制系统78处对第二网络28以及开关84、86、88和90的控制。代替开关84、86、88和90，还可以使用两个相同的耦合器。
对于要利用几乎无限制的带宽实现的非常高的定向效果，在本发明特别优选的方式中，将各频率点的因子F即设置存储在存储器中。
在图3所示的根据本发明的环型定向耦合器的第三优选实施例中，利用相同的附图标记来标记进行与图1相同的功能的部件，因此为了解释这些部件，应当参考以上对图1的说明。在图3所示的第三优选实施例中，在第二网络28的第一输出34和第三网络38的第一输入40之间布置有向第三网络38的第一输入40并向第一开关98馈送信号的第五功率分配器96。在第二网络28的第二输出36和第三网络38的第二输入42之间布置有向第三网络38的第二输入42并向第二开关102馈送信号的第六功率分配器100。两个开关98、102向低反射终端104、106或者向接收器108馈送信号。
如由在校准时接收到的信号所示，接收器108控制控制系统78，使得控制系统78向第二网络28传输用于改变幅度和相位的适当参数，由此由耦合因子匹配部件64以上述方式使耦合因子彼此匹配。
由于实际上特别是在第三网络38中不可能生成完全相同的信号路径120、122、124和126，因此结果是，分别位于加法器70和减法器72处的两个耦合因子Ki和Kc可能不再相同。为了在所述差异可能存在的应用中处理该问题，以图4所示的方式，例如紧挨加法器70和减法器72的上游布置另一耦合因子匹配部件112和114。在图4所示的第四优选实施例中，利用相同的附图标记来标记进行与图1～3相同的功能的部件，因此为了解释这些部件，应当参考以上对图1～3的说明。与图1～3所示的实施例不同的是，未设置第二网络28，并且信号路径128和130将第一网络18和第三网络38直接相连接。紧挨加法器70和减法器72的上游所连接的耦合因子匹配部件112和114不仅负责校正第三网络中的四个路径上的衰减和相位偏移，而且如果需要，还负责匹配幅度和相位不同的耦合因子Ki和Kc，在这种情况下，则如图4所示，可以省去图1～3所示的第一至第三实施例中的耦合因子匹配部件64。在第三网络38中的一个电感路径上，耦合因子匹配部件112将耦合因子Ki*D2(耦合因子与传输函数)乘以因子F4，并且在第三网络38中的另一个电感路径上，耦合因子匹配部件114将耦合因子Ki*D4(耦合因子与传输函数)乘以因子F4。这样，分别应用了因子Kc*D1＝K1和Ki*D2*F4＝K2的两个信号被馈送至加法器70以执行相加，并且分别应用了因子Kc*D3＝K2和Ki*D4*F6＝K2的两个信号被馈送至减法器72以执行相减。为了分离正向波a和反向波b，第二加法器70的两个输入中的各输入处的耦合因子K1和第二减法器72的两个输入中的各输入处的耦合因子K2相同就足够了，尽管在这种情况下，耦合因子K1和K2不必相同，但是也可以相同即K＝K1＝K2。结果是，在第一输出44处获得2*K1*a，并且在输出46处获得2*K2*b。
如上所述，由于第三网络38中的路径实际不相同，因此使能够实现的方向性的值最小化。以下是能够使方向性最大化的可能的方式。
例如通过测量来确定第三网络38中的各信号路径上、或者第二网络28的输出34、36与加法器70和减法器72之间的路径或第一网络18的输出24、26与加法器70和减法器72之间的路径上的传输函数(衰减和相位偏移)D1、D2、D3和D4。一旦已知这些传输函数，则利用第二网络28来调整耦合因子，以使得在加法器70和减法器72的各输入处信号的复数振幅相同，在这种情况下，上述第二网络28的各种构成也是可以的。例如，在图1～3所示的第一至第三实施例中的各实施例中，“电感”路径中仅包含一个耦合因子匹配部件64。在K＝K1＝K2的情况下，对于该结构，以下等式必须成立：
Kc*D1＝Ki*F2*D2＝K
Kc*D3＝Ki*F2*D4＝K。
因此，应用至耦合因子匹配部件包括在“电容”路径中的第二网络28的结构的是：
Kc*F1*D1＝Ki*D2＝K
Kc*F1*D3＝Ki*D4＝K。
如果在第二网络28的两个路径(电容路径和电感路径)上耦合因子Ki、Kc均匹配，则应用的是：
Kc*F1*D1＝Ki*F2*D2＝K
Kc*F1*D3＝Ki*F2*D4＝K。
如果传输路径满足D1＝D3且D2＝D4的条件，则可以满足以上给出的六个等式。
如上所述，在还容许传输因子D1～D4的情况下，利用例如图2和3所示的结构来进行因子F1和F2的设置。如下进行设置：首先使用低反射终端作为DUT。然后，利用矢量接收器或者利用图2和3所示的结构顺次测量第二网络28的输出处的两个信号振幅(Kc*F1、Ki*F2)。为了设置正确的耦合因子F1和/或F2，从存储器分别下载已知的传输因子D1、D2和D3、D4，并进行相乘以得出接收到的信号(Kc*F1*D1、Ki*F2*D2或者Kc*F1*D3、Ki*F2*D4)。然后，因子F1和/或F2变化，直到振幅相同时为止：
分别为Kc*D1＝Ki*F2*D2＝K且Kc*D3＝Ki*F2*D4＝K。
或者
分别为Kc*F1*D1＝Ki*D2＝K且Kc*F1*D3＝Ki*D4＝K。
或者
分别为Kc*F1*D1＝Ki*F2*D2＝K且Kc*F1*D3＝Ki*F2*D4＝K。
如果不满足应用于传输因子的条件D1＝D3且D2＝D4，则如图4所示，在第三网络38中设置两个耦合因子匹配部件112、114，而不是在第二网络28中设置耦合因子匹配部件64。在充分允许路径上的衰减D1～D4的情况下，这些耦合因子匹配部件112、114提高了方向性。对于第三网络38中的所有四个路径，可以设置总共四个耦合因子匹配部件。存在以下可以考虑的四种结构：在两个电容或电感路径中使用两个耦合因子匹配部件112、114，或者使用四个耦合因子匹配部件，在第三网络38的每个路径中使用一个耦合因子匹配部件，或者使用三个耦合因子匹配部件。
图4示出电感(Ki)路径中具有两个耦合因子匹配部件112、114的变形例。耦合因子匹配部件112、114乘以复数因子F3、F4、F5和/或F6，以得出信号振幅。当使用低反射DUT时，例如利用开关或功率分配器/耦合器(以与在图2和3中进行的方式相同的方式)，由矢量接收器来控制/校准加法器70和减法器72的上游处的四个信号，使得输出振幅相同。当使用四个耦合因子匹配部件时，在相加和相减之前信号得出如下：
加法路径1：Kc*D1*F3＝K1，加法路径2：Ki*D2*F4＝K1
减法路径1：Kc*D3*F5＝K2，减法路径2：Ki*D4*F6＝K2。
当使用三个耦合因子匹配部件时，并且根据这三个耦合因子匹配部件被布置在哪三个路径上，在相加和相减之前信号得出如下：
加法路径1：Kc*D1*F3＝K1，加法路径2：Ki*D2*F4＝K1
减法路径1：Kc*D3*F5＝K2，减法路径2：Ki*D4＝K2。
当在第三网络38的第一电容信号路径120和第二电容信号路径124各自中以及在第三网络38的第一电感信号路径122中布置耦合因子匹配部件时，或者
加法路径1：Kc*D1*F3＝K1，加法路径2：Ki*D2*F4＝K1
减法路径1：Kc*D3＝K2，减法路径2：Ki*D4*F6＝K2。
当在第三网络38的第一电容信号路径120和第二电容信号路径124各自中以及在第三网络38的第二电感信号路径126中布置耦合因子匹配部件时，或者
加法路径1：Kc*D1＝K1，加法路径2：Ki*D2*F4＝K1
减法路径1：Kc*D3*F5＝K2，减法路径2：Ki*D4*F6＝K2。
当在第三网络38的第一电感信号路径122和第二电感信号路径126各自中以及在第三网络38的第二电容信号路径124中布置耦合因子匹配部件112、114时，或者
加法路径1：Kc*D1*F3＝K1，加法路径2：Ki*D2*F4＝K1
减法路径1：Kc*D3＝K2，减法路径2：Ki*D4*F6＝K2。
当在第三网络38的第一电感信号路径122和第二电感信号路径126各自中以及在第三网络38的第一电容信号路径120中布置耦合因子匹配部件112、114时。
对于如图4所示在电感路径中具有两个耦合因子匹配部件112、114的结构，结果是：
Kc*D1＝Ki*F4*D2＝K
Kc*D3＝Ki*F6*D4＝K。
可以以与图2和3所示的方式相同的方式扩展图4所示的实施例。图4所示的系统还可以具有各自通过一个输出连接至(矢量)接收器的开关和/或功率分配器，假定该开关和/或功率分配器均位于耦合因子匹配部件112、114与第二加法器70或第二减法器72之间，以校准或确定因子F1～F4。
在另一替代实施例中，网络16还可以在第三网络38中具有两个、三个或四个耦合因子匹配部件112、114，并且网络16还可以在第二网络28中具有一个或两个耦合因子匹配部件64。

Claims (16)

1.一种环型定向耦合器，其包括具有第一臂(12)和第二臂(14)的半环天线(10)形式的波导，所述环型定向耦合器用于无接触地耦合输出波导上的正向信号a和该波导上的反向信号b，其特征在于，
所述天线的第一臂(12)连接至第一网络(18)的第一输入(20)并且所述天线的第二臂(14)连接至所述第一网络(18)的第二输入(22)，所述第一网络(18)在所述第一输入(20)处具有第一功率分配器(56)并且在所述第二输入(22)处具有第二功率分配器(58)，其中，所述第一功率分配器(56)和所述第二功率分配器(58)分别分配施加于所述天线的第一臂(12)和第二臂(14)的信号，所述第一网络(18)具有：第一加法器(60)，其将来自所述第一功率分配器(56)和所述第二功率分配器(58)的信号相加，并将根据该相加所得的信号Kc(a+b)馈送至所述第一网络(18)的第一输出(24)，其中，Kc是所述环型定向耦合器的电容耦合因子；和第一减法器(62)，其将来自所述第一功率分配器(56)和所述第二功率分配器(58)的信号彼此相减，并将根据该相减所得的信号Ki(a-b)馈送至所述第一网络(18)的第二输出(26)，其中，Ki是所述环型定向耦合器的电感耦合因子，
设置有第三网络(38)，所述第三网络(38)具有连接至所述第一网络(18)的第一输出(24)的第一输入(40)以及连接至所述第一网络(18)的第二输出(26)的第二输入(42)，所述第三网络(38)在该第一输入(40)处具有第三功率分配器(66)并且在该第二输入(42)处具有第四功率分配器(68)，其中，所述第三功率分配器(66)和所述第四功率分配器(68)分别分配施加于所述第三网络(38)的第一输入(40)和第二输入(42)的信号，所述第三网络(38)具有第二加法器(70)，所述第二加法器(70)经由具有复数传输因子D1的第一电容信号路径(120)接收来自所述第三功率分配器(66)的信号，并经由具有复数传输因子D2的第一电感信号路径(122)接收来自所述第四功率分配器(68)的信号，并且将这些信号相加，并将根据该相加所得的信号馈送至所述第三网络(38)的第一输出(44)，所述第三网络(38)具有第二减法器(72)，所述第二减法器(72)经由具有复数传输因子D3的第二电容信号路径(124)接收来自所述第三功率分配器(66)的信号，并经由具有复数传输因子D4的第二电感信号路径(126)接收来自所述第四功率分配器(68)的信号，并且将这些信号彼此相减，并将通过该相减所得的信号馈送至所述第三网络(38)的第二输出(46)，
在所述第一网络(18)和所述第三网络(38)之间的信号路径(128、130)至少之一中以及/或者在所述第三功率分配器(66)和所述第四功率分配器(68)与所述第二加法器(70)和所述第二减法器(72)之间的信号路径(120、122、124、126)至少之一中，布置有至少一个耦合因子匹配部件(64；112、114)，所述耦合因子匹配部件(64；112、114)改变给定信号路径(120、122、124、126、128、130)上的信号的幅度和/或相位，使得存在幅度和相位相同的具有耦合因子K1、K2的信号，以分别在所述第二加法器(70)和所述第二减法器(72)中进行相加和相减。
2.根据权利要求1所述的环型定向耦合器，其特征在于，设置有第二网络(28)，所述第二网络(28)具有：第一输入(30)，其连接至所述第一网络(18)的第一输出(24)；第二输入，其连接至所述第一网络(18)的第二输出(26)；第一输出(34)，其连接至所述第三网络(38)的第一输入(40)；和第二输出(36)，其连接至所述第三网络(38)的第二输入(42)；所述第二网络(28)具有：至少一个所述耦合因子匹配部件(64)，其改变所述第二网络(28)的第一输入(30)处和/或所述第二网络(28)的第二输入(32)处的信号的幅度和/或相位，使得存在幅度和相位相同的具有耦合因子K1、K2的信号，以分别在所述第二加法器(70)和所述第二减法器(72)中进行相加和相减。
3.根据权利要求2所述的环型定向耦合器，其特征在于，K1=K2=K，并且所述耦合因子匹配部件(64)被设计成所述耦合因子匹配部件(64)将所述第二网络(28)的第一输入(30)处的信号乘以第一复数因子F1，并且/或者将所述第二网络(28)的第二输入(32)处的信号乘以第二复数因子F2，其中，以使如下等式成立的方式选择所述第一复数因子F1和/或所述第二复数因子F2：
K=Kc·F1·D1=Ki·F2·D2=Kc·F1·D3=Ki·F2·D4
或者
K=Kc·F1·D1=Ki·D2=Kc·F1·D3=Ki·D4
或者
K=Kc·D1=Ki·F2·D2=Kc·D3=Ki·F2·D4。
4.根据权利要求2或3所述的环型定向耦合器，其特征在于，在所述第二网络(28)的第一输出(34)和所述第三网络(38)的第一输入(40)之间配置且形成第一切换开关(84)，并且在所述第二网络(28)的第二输出(36)和所述第三网络(38)的第二输入(42)之间配置且形成第二切换开关(86)，以使得根据需要，这些切换开关(84、86)将来自所述第二网络(28)的第一输出(34)和第二输出(36)的信号分别施加至所述第三网络(38)的第一输入(40)和第二输入(42)，或者使这些信号绕过所述第三网络(38)继续传输。
5.根据权利要求2或3所述的环型定向耦合器，其特征在于，在所述第二网络(28)的第一输出(34)和所述第三网络(38)的第一输入(40)之间布置有用于将来自所述第二网络(28)的第一输出(34)的信号施加至所述第三网络(38)的第一输入(40)和第三切换开关(98)的第五功率分配器(96)，并且在所述第二网络(28)的第二输出(36)和所述第三网络(38)的第二输入(42)之间布置有用于将来自所述第二网络(28)的第二输出(36)的信号施加至所述第三网络(38)的第二输入(42)和第四切换开关(102)的第六功率分配器(100)，布置并且形成所述第三切换开关(98)和所述第四切换开关(102)，以使得所述第三切换开关(98)和所述第四切换开关(102)根据需要将来自所述第五功率分配器(96)和所述第六功率分配器(100)的信号馈送至接收器(108)或者馈送至终端电阻器(104、106)。
6.根据权利要求1所述的环型定向耦合器，其特征在于，在所述第一电容信号路径(120)和所述第二电容信号路径(124)以及/或者所述第一电感信号路径(122)和所述第二电感信号路径(126)各自中布置有所述耦合因子匹配部件(112、114)，所述第一电容信号路径(120)中的所述耦合因子匹配部件将信号乘以复数因子F3，所述第一电感信号路径(122)中的所述耦合因子匹配部件(112)将信号乘以复数因子F4，所述第二电容信号路径(124)中的所述耦合因子匹配部件将信号乘以复数因子F5，所述第二电感信号路径(126)中的所述耦合因子匹配部件(114)将信号乘以复数因子F6，其中，以使如下等式成立的方式选择复数因子F3、F4、F5和F6：
Kc*D1*F3=Ki*F4*D2=K1
并且
Kc*D3*F5=Ki*F6*D4=K2，
当在所述第三网络(38)的所有信号路径(120、122、124、126)中均布置所述耦合因子匹配部件时，或者
Kc*D1=Ki*F4*D2=K1
并且
Kc*D3=Ki*F6*D4=K2，
当仅在所述第三网络(38)的第一电感信号路径(122)和第二电感信号路径(126)各自中布置所述耦合因子匹配部件(112、114)时，或者
Kc*D1*F3=Ki*D2=K1
并且
Kc*D3*F5=Ki*D4=K2，
当仅在所述第三网络(38)的第一电容信号路径(120)和第二电容信号路径(124)各自中布置所述耦合因子匹配部件时，或者
Kc*D1*F3=Ki*F4*D2=K1
并且
Kc*D3*F5=Ki*D4=K2，
当在所述第三网络(38)的第一电容信号路径(120)和第二电容信号路径(124)各自中以及在所述第三网络(38)的第一电感信号路径(122)中布置所述耦合因子匹配部件时，或者
Kc*D1*F3=Ki*F4*D2=K1
并且
Kc*D3=Ki*F6*D4=K2，
当在所述第三网络(38)的第一电容信号路径(120)和第二电容信号路径(124)各自中以及在所述第三网络(38)的第二电感信号路径(126)中布置所述耦合因子匹配部件时，或者
Kc*D1=Ki*F4*D2=K1
并且
Kc*D3*F5=Ki*F6*D4=K2，
当在所述第三网络(38)的第一电感信号路径(122)和第二电感信号路径(126)各自中以及在所述第三网络(38)的第二电容信号路径(124)中布置所述耦合因子匹配部件(112、114)时，或者
Kc*D1*F3=Ki*F4*D2=K1
并且
Kc*D3=Ki*F6*D4=K2，
当在所述第三网络(38)的第一电感信号路径(122)和第二电感信号路径(126)各自中以及在所述第三网络(38)的第一电容信号路径(120)中布置所述耦合因子匹配部件(112、114)时。
7.根据权利要求1所述的环型定向耦合器，其特征在于，在所述天线的第一臂(12)和所述第一网络(18)的第一输入(20)之间以及在所述天线的第二臂(14)和所述第一网络(18)的第二输入(22)之间分别布置混合器(48、52)和滤波器(50、54)，所述混合器(48、52)和所述滤波器(50、54)被设计成所述混合器(48、52)和所述滤波器(50、54)将来自所述天线的第一臂(12)和第二臂(14)的信号转换成预定中间频率。
8.根据权利要求7所述的环型定向耦合器，其特征在于，所述混合器(48、52)连接至可变频率振荡器(74)，所述可变频率振荡器(74)将用于与来自所述天线的第一臂(12)和第二臂(14)的信号进行混合的混合器信号(76)馈送至所述混合器(48、52)。
9.根据权利要求8所述的环型定向耦合器，其特征在于，所述可变频率振荡器(74)采用具有局部振荡器和/或基准振荡器的锁相环的形式。
10.根据权利要求8或9所述的环型定向耦合器，其特征在于，所述可变频率振荡器(74)连接至用于控制所述耦合因子匹配部件(64；112、114)的控制系统(78)，其中，用于控制所述耦合因子匹配部件(64；112、114)的控制系统(78)根据情况，按照馈送至所述混合器(48、52)的混合器频率(80)来设置复数因子F、或者复数因子F1、F2、F3、F4、F5和/或F6。
11.根据权利要求5所述的环型定向耦合器，其特征在于，所述接收器(108)连接至用于控制所述耦合因子匹配部件(64；112、114)的控制系统(78)。
12.根据权利要求10所述的环型定向耦合器，其特征在于，所述接收器(108)连接至用于控制所述耦合因子匹配部件(64；112、114)的控制系统(78)。
13.根据权利要求11所述的环型定向耦合器，其特征在于，所述接收器(108)被设计成所述接收器(108)控制用于控制所述耦合因子匹配部件(64)的控制系统(78)，使得用于控制所述耦合因子匹配部件(64)的控制系统(78)向所述耦合因子匹配部件(64)馈送参数，以便所述耦合因子匹配部件(64)改变所述第二网络(28)的第一输入(30)处和/或所述第二网络(28)的第二输入(32)处的信号的幅度和/或相位，从而使得在所述第二网络(28)的两个输出(34、36)处存在相同的耦合因子K。
14.根据权利要求11所述的环型定向耦合器，其特征在于，所述接收器(108)被设计成所述接收器(108)控制用于控制所述耦合因子匹配部件(64)的控制系统(78)，使得用于控制所述耦合因子匹配部件(64)的控制系统(78)向所述耦合因子匹配部件(64)馈送参数，以便所述耦合因子匹配部件(64)改变所述第二网络(28)的第一输入(30)处和/或所述第二网络(28)的第二输入(32)处的信号的幅度和/或相位，从而使得在所述第二加法器(70)的输入处存在第一耦合因子K1，并且在所述第二减法器(72)的输入处存在第二耦合因子K2。
15.根据权利要求1所述的环型定向耦合器，其特征在于，根据情况，在至少一个所述耦合因子匹配部件(112、114)与所述第二加法器(70)或所述第二减法器(72)之间，或者在所述第二加法器(70)和所述第二减法器(72)的输入中的至少一个的上游，设置连接至矢量接收器的开关或功率分配器。
16.根据权利要求1所述的环型定向耦合器，其特征在于，所述波导是中空波导、平面波导或共轴波导。
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