L-C雙分支定向耦合器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

1、目錄1、定向耦合器的原理22定向耦合器的設(shè)計(jì)23設(shè)計(jì)實(shí)例：34模塊介紹：45、實(shí)驗(yàn)步驟46參考資料7L-C雙分支定向耦合器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1、定向耦合器的原理定向耦合器是一種有方向性的功率耦合元件，可用于監(jiān)視功率、頻率和頻譜；對(duì)功率進(jìn)行分配和合成；構(gòu)成雷達(dá)天線的收發(fā)開關(guān)、平衡混頻器和測(cè)量電橋；還可用來測(cè)量反射系數(shù)和功率等。定向耦合器是四端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖51所示。圖51 定向耦合器設(shè)信號(hào)輸入端（port_1）的功率為P1，信號(hào)直通端（port_2）的功率為P2，信號(hào)耦合端（port_3）的功率為P3，信號(hào)隔離端（port_4）的功率為P4。在各端口均接匹配負(fù)載的情況下，定義下述各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)

2、：傳輸系數(shù)： （51）耦合系數(shù)： （52）隔離系數(shù)： （53）方向系數(shù)： （54）它們之間的關(guān)系為：D(dB)=I(dB)-C(dB) （55）2定向耦合器的設(shè)計(jì)常見的定向耦合器可分成雙分支型和平行線型。其設(shè)計(jì)方法說明如下：（1）雙分支型此型電路根據(jù)使用元件又可分為低通L-C式、高通L-C式，如圖52（a）（b）所示。其設(shè)計(jì)步驟如下：步驟一：確定耦合器規(guī)格。包括耦合系數(shù)C(dB)、端口阻抗ZC()和電路工作中心頻率f0（Hz）。步驟二：利用下列公式計(jì)算出K、ZCS和ZCP。 ， ， （56）步驟三：利用下列公式計(jì)算出所需的元件值。 低通L-C式 ， （57） 高通L-C式 ， （58）步驟四：

3、根據(jù)實(shí)測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)，并經(jīng)微調(diào)以達(dá)到規(guī)格要求。（2）平行線型不屬于設(shè)計(jì)要求，所以不做說明。3設(shè)計(jì)實(shí)例：設(shè)計(jì)一個(gè)適用于650MHz，15dB的低通L-C雙分支定向耦合器（ZC=50）。 C= -15dB，f0650MHz ， ， 4模塊介紹：定向耦合器模塊是根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)而成的，它由L-C雙分支定向耦合器組成。通過測(cè)試該模塊的S11、S21（P1、P2端口的傳輸）、S31（P1、P3端口的傳輸）和S41（P1、P4端口的傳輸）值，觀察定向耦合器的性能。其中S21反映了耦合器模塊的傳輸系數(shù)；S31反映了耦合器模塊的耦合系數(shù)；S41反映了耦合器模塊的隔離系數(shù)。理想情況下，耦合系數(shù)S3115dB。該模塊

4、的性能指標(biāo)如表51所示。表51 耦合器模塊性能指標(biāo)名 稱適用頻率范圍主要特性L-C雙分支定向耦合器640660MHzS118dB S211±1 dBS3115±1.5 dB S418dB5、實(shí)驗(yàn)步驟1、L-C雙分支定向耦合器（P1端口）S11的測(cè)量：（1）用兩條1MBNC連接線（黑色）分別將ZY1702B2射頻訓(xùn)練系統(tǒng)主機(jī)的X、Y端子與示波器的CH1、CH2端子相連。（2）打開示波器，將其設(shè)置為XY模式（通過DISPLAY按鈕設(shè)置）。將通道CH1和CH2輸入設(shè)置為直流耦合方式，電壓刻度均為1V/Div，探頭均為×1檔。同時(shí)使示波器工作在正極性狀態(tài)。（3）按下主機(jī)的

5、POWER鍵，啟動(dòng)ZY1702B2射頻訓(xùn)練系統(tǒng)，主機(jī)進(jìn)入頻率校正過程，即主機(jī)屏幕第一行顯示Calibrating。約2分鐘后，聽到1聲報(bào)警，系統(tǒng)完成校正，自動(dòng)進(jìn)入CW1 Testing狀態(tài)，即主機(jī)屏幕第一行顯示CW1 Testing。（4）主機(jī)CW2 OUT端、RF-IN端、COUNTER IN 端（在主機(jī)后面）分別接1個(gè)BNC式50匹配負(fù)載。（5）按下主機(jī)S11/S21鍵，選擇S11測(cè)試功能，即主機(jī)屏幕第二行顯示S11：dB。按下主機(jī)SWEEP/CW1鍵，選擇SWEEP掃頻輸出模式，即主機(jī)屏幕第一行顯示SWEEP Testing。（6）適當(dāng)調(diào)節(jié)CH1和CH2的上下位置旋鈕，使示波器屏幕出現(xiàn)掃

6、頻點(diǎn)。調(diào)整器CH2的上下位置旋鈕，使掃頻信號(hào)在0dB位置上。0dB線為示波器屏幕上從上至下第三條線，如圖53所示，示波器的每一大格代表10dB。若正確操作可看到在0dB線上掃動(dòng)的點(diǎn)。圖53 0dB線(7）將耦合器模塊正確插在實(shí)驗(yàn)箱上，注意不必打開實(shí)驗(yàn)箱電源，用膠木螺釘（黑色）將模塊固定好。(8）用一條50的BNC與SMA轉(zhuǎn)接線連接主機(jī)SWEEP/CW1 OUT 端和耦合器模塊的P1端。模塊的P2、P3、P4端分別接一個(gè)50 SMA式負(fù)載。主機(jī)COUNTER IN端、RF-IN端和CW2 OUT端所接50匹配負(fù)載不用取下。(9）按BAND鍵，選擇Band3，即主機(jī)屏幕第四行顯示Band3：440

7、680MHz。(10）按SWEEP/CW1鍵，選擇CW1 Testing，即主機(jī)屏幕第一行顯示CW1 Testing。按UP和DOWN鍵，改變點(diǎn)頻頻率，并以0dB線為基準(zhǔn)，將主機(jī)屏幕顯示數(shù)據(jù)記錄在S11記錄表上。UP鍵的步進(jìn)約為5MHz，DOWN鍵的步進(jìn)約為1MHz。(11）用一條圓滑曲線將S11記錄表上的各點(diǎn)連接起來。按SWEEP/CW1鍵，選擇SWEEP掃頻輸出模式，即主機(jī)屏幕第一行顯示SWEEP Testing。調(diào)節(jié)示波器CH1通道的上下位置旋鈕使能觀察到較完整曲線。將示波器上波形與記錄表上描繪的曲線進(jìn)行比較，觀察兩者是否一致。（12）若用上位機(jī)來觀察該結(jié)果，則首先用一根A+B的USB連

8、接線將主機(jī)與電腦的USB口連接起來。（13）打開上位機(jī)界面上的“打開串口”，則在在“打開串口”的下面空白處出現(xiàn)“comX”。（14）點(diǎn)擊“開始接收”。（15）此時(shí)可以觀察試驗(yàn)結(jié)果。2、L-C雙分支定向耦合器（P1、P2端口）S21的測(cè)量：(1）(7）步與P1端口S11測(cè)量的前7步相同。(8）用一條50 BNC與SMA轉(zhuǎn)接線連接主機(jī)SWEEP/CW1 OUT 端口與模塊的P1端口，用另一條50 BNC與SMA轉(zhuǎn)接線連接主機(jī)RF-IN端口與模塊的P2端口。模塊的P3、P4端口分別接一個(gè)50 SMA式匹配負(fù)載。主機(jī)COUNTER IN端子和CW2 OUT端子上所接的50匹配負(fù)載不用取下。(9）按BA

9、ND鍵，選擇Band3，即主機(jī)屏幕第四行顯示Band3：440680MHz。(10）按下主機(jī)S11/S21鍵，選擇S21測(cè)試功能，即主機(jī)屏幕第二行顯示S21：dB。按SWEEP/CW1鍵，選擇CW1 Testing，即主機(jī)屏幕第一行顯示CW1 Testing。按UP和DOWN鍵，改變點(diǎn)頻頻率，并以0dB線為基準(zhǔn)，將主機(jī)屏幕顯示數(shù)據(jù)記錄在S21記錄表上。UP鍵的步進(jìn)約為5MHz，DOWN鍵的步進(jìn)約為1MHz。(11）用一條圓滑曲線將S21記錄表上的各點(diǎn)連接起來。按SWEEP/CW1鍵，選擇SWEEP掃頻輸出模式，即主機(jī)屏幕第一行顯示SWEEP Testing。調(diào)節(jié)示波器CH1通道的上下位置旋鈕使

10、能觀察到較完整曲線。將示波器上波形與記錄表上描繪的曲線進(jìn)行比較，觀察兩者是否一致。（12）若用上位機(jī)來觀察該結(jié)果，則首先用一根A+B的USB連接線將主機(jī)與電腦的USB口連接起來。（13）打開上位機(jī)界面上的“打開串口”，則在在“打開串口”的下面空白處出現(xiàn)“comX”。（14）點(diǎn)擊“開始接收”。（15）此時(shí)可以觀察試驗(yàn)結(jié)果。3、L-C雙分支定向耦合器（P1、P3端口）的S21測(cè)量：(1）（7）步與P1端口S11測(cè)量的前7步相同。（8）用一條50 BNC與SMA轉(zhuǎn)接線連接主機(jī)SWEEP/CW1 OUT 端口與模塊的P1端口，用另一條50 BNC與SMA轉(zhuǎn)接線連接主機(jī)RF-IN端口與模塊的P3端口。模

11、塊的P2、P4端口分別接一個(gè)50 SMA式匹配負(fù)載。主機(jī)COUNTER IN端子和CW2 OUT端子上所接的50匹配負(fù)載不用取下。（9）按BAND鍵，選擇Band3，即主機(jī)屏幕第四行顯示Band3：440680MHz。（10）按下主機(jī)S11/S21鍵，選擇S21測(cè)試功能，即主機(jī)屏幕第二行顯示S21：dB。按SWEEP/CW1鍵，選擇CW1 Testing，即主機(jī)屏幕第一行顯示CW1 Testing。按UP和DOWN鍵，改變點(diǎn)頻頻率，并以0dB線為基準(zhǔn)，將主機(jī)屏幕顯示數(shù)據(jù)記錄在S21記錄表上。UP鍵的步進(jìn)約為5MHz，DOWN鍵的步進(jìn)約為1MHz。（11）用一條圓滑曲線將S21記錄表上的各點(diǎn)連接

12、起來。按SWEEP/CW1鍵，選擇SWEEP掃頻輸出模式，即主機(jī)屏幕第一行顯示SWEEP Testing。調(diào)節(jié)示波器CH1通道的上下位置旋鈕使能觀察到較完整曲線。將示波器上波形與記錄表上描繪的曲線進(jìn)行比較，觀察兩者是否一致。（12）若用上位機(jī)來觀察該結(jié)果，則首先用一根A+B的USB連接線將主機(jī)與電腦的USB口連接起來。（13）打開上位機(jī)界面上的“打開串口”，則在在“打開串口”的下面空白處出現(xiàn)“comX”。（14）點(diǎn)擊“開始接收”。（15）此時(shí)可以觀察試驗(yàn)結(jié)果。4、L-C雙分支定向耦合器（P1、P4端口）的S21測(cè)量：（1）（7）步與P1端口S11測(cè)量的前7步相同。（8）用一條50 BNC與SM

13、A轉(zhuǎn)接線連接主機(jī)SWEEP/CW1 OUT 端口與模塊的P1端口，用另一條50 BNC與SMA轉(zhuǎn)接線連接主機(jī)RF-IN端口與模塊的P4端口。模塊的P2、P3端口分別接一個(gè)50 SMA式匹配負(fù)載。主機(jī)COUNTER IN端子和CW2 OUT端子上所接的50匹配負(fù)載不用取下。（9）按BAND鍵，選擇Band3，即主機(jī)屏幕第四行顯示Band3：440680MHz。（10）按下主機(jī)S11/S21鍵，選擇S21測(cè)試功能，即主機(jī)屏幕第二行顯示S21：dB。按SWEEP/CW1鍵，選擇CW1 Testing，即主機(jī)屏幕第一行顯示CW1 Testing。按UP和DOWN鍵，改變點(diǎn)頻頻率，并以0dB線為基準(zhǔn)，將

14、主機(jī)屏幕顯示數(shù)據(jù)記錄在S21記錄表上。UP鍵的步進(jìn)約為5MHz，DOWN鍵的步進(jìn)約為1MHz。（11）用一條圓滑曲線將S21記錄表上的各點(diǎn)連接起來。按SWEEP/CW1鍵，選擇SWEEP掃頻輸出模式，即主機(jī)屏幕第一行顯示SWEEP Testing。調(diào)節(jié)示波器CH1通道的上下位置旋鈕使能觀察到較完整曲線。將示波器上波形與記錄表上描繪的曲線進(jìn)行比較，觀察兩者是否一致。（12）若用上位機(jī)來觀察該結(jié)果，則首先用一根A+B的USB連接線將主機(jī)與電腦的USB口連接起來。（13）打開上位機(jī)界面上的“打開串口”，則在在“打開串口”的下面空白處出現(xiàn)“comX”。（14）點(diǎn)擊“開始接收”。（15）此時(shí)可以觀察試驗(yàn)結(jié)果。