微波實(shí)驗(yàn) 定向耦合器

1、實(shí)驗(yàn)六定向耦合器特性的測量及應(yīng)用 目的：研究定向耦合器的特性及其應(yīng)用。原理:定向耦合器是微波測量和其它微波系統(tǒng)中常見的微波器件，它是一種 有方向性的微波功率分配器，更是近代掃頻反射計(jì)中不可缺少的部件，通 常有波導(dǎo)、同軸線、帶狀線及微帶等幾種類型。圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。它 主要包括主線和副線兩部分，彼此之間通過種種形式小孔、縫、隙等進(jìn)行 耦合。因此，從主線端上“1”輸入的功率，將有一部分耦合到副線中去， 由于波的干涉或疊加，使功率僅沿副線一個(gè)方向傳輸（稱“正向”），而另 一方向則幾乎毫無功率傳輸（稱“反向”），圖2為本實(shí)驗(yàn)所用的十字定向 耦合器，耦合器中端口之一終端接一內(nèi)裝的匹配負(fù)載。副線主線圖1

2、（一）定向耦合器的主要特性參量有二：為了便于解釋耦合度和方向性，畫出4_副線A P3F / 3了定向耦合器傳輸示意圖（圖3），圖中PP 2分別為主線輸入、輸出功率；P3f為副線1p A1主線2 P2中正向輸出功率，P為副線中反向輸出功P3 R3 R率。（1）耦合度（或過度衰減）C如圖34_副線_ 31P1. 主線2J P2（a）所示，主線輸入功率P/與副線中正向輸出功率P3之比，稱為定向 耦合的耦合度，若以分貝（db）表示則：一 P 一 、C=10log （db）（6.1）P3 F（2）方向性D如圖3所示，副線中正向輸出功率P3f與反向輸出功率P鎮(zhèn)之比稱為 定向耦合器的方向性，若以分貝表示，則

3、：D=logp3F- （db）（6.2）P3 R有時(shí)，反映定向程度的指標(biāo)也用隔離度D來表示。隔離度表示主線 輸入功率P與副線反向輸出功率之比，即PD=10log （db）（6.3）3R由式子（2）D=10log P3 F =10log P1 =D-C（6.4）P3 RP3R從上可知，定向耦合器的方向性等于隔離度與耦合度之差，理想的定 向耦合器的方向性D 8;也就是說，當(dāng)各端均匹配端接時(shí)，若功率從主線 端“ 1”輸入，則副線僅端“3”有輸出，而端“4”無輸出；即端“1”與 端“4”彼此隔離；端“2”與端“3”彼此隔離，實(shí)際的定向耦合器隔離端 的耦合隔離的理想器件。本實(shí)驗(yàn)主要是測量定向耦合器的耦合

4、度和方向性，由上述定義可知， 它實(shí)際上是功率測量或衰減量的測量，前述衰減測量的方法原則上都能適 用，只是對高方向性器件的測量可能要碰上一定困難，需用專門的測量技 術(shù)。（二）定向耦合器的應(yīng)用單定向耦合器反射計(jì)用反射計(jì)測量駐波比是常用的方法之一，本實(shí)驗(yàn)將采用單定向耦合器， 測量元件的反射系數(shù)，從而算出元件的駐波比。根據(jù)駐波比p = 與反射系數(shù)|二己一可知，測量元件的駐波比可利1|E+用定向耦合器將入射波|e+ |和反射波|e-1分離出來。從而測出其電場強(qiáng)度， 代入上面兩式既可得出。匹配檢測系統(tǒng) 1圖4如圖4所示，即是一簡單的單定 向耦合器反射計(jì)的原理圖，測量方法 是首先在主波導(dǎo)端口 “1”接一只能

5、反 射的短路器，以便在副波導(dǎo)建立入射 波的參考電平I0.然后用被測的元件 代替短路器，根據(jù)待測元件的失配程 度，將發(fā)射一部分微波功率在副波導(dǎo) 輸出端指示器讀書為I ，則反射系數(shù) 可用下式表示：1捎(6.5)0式中n與晶體檢波律有關(guān)，因?yàn)樯鲜鰷y量方法要求在同一測量中必須 用一檢波律，這給測量帶來一定的困難，通常改測“回波損失”再加以計(jì) 算，即以一精密可變衰減器插接于定向耦合器與匹配檢測系統(tǒng)之間，分別 測出定向耦合器主波導(dǎo)輸出端接待測元件和短路器時(shí)，副波導(dǎo)有相應(yīng)指示 讀數(shù)時(shí)，精密衰減器的讀數(shù)Al及As，則待測元件的“回波損失”L=As-Al 而反射系數(shù)與“回波損失”具有下列關(guān)系：20log |=-

6、L(6.6)“回波損失”測量的精確性，由在端口 “2”處之入射波功率漏入端口 “3” 的多少而定，即與方向性有關(guān)，例如五個(gè)40db方向性的定向耦合器，即使 測得元件為理想的全匹配負(fù)載，也相當(dāng)于還有40db的反射功率，因而電壓 反射系數(shù)為*10-4 =0.01，p = 1 + 0.01 =1.02，在這種情況下只能測量駐波1 - 0.01比大于1.02的元件，又如一方向性為41db的定向耦合器，測得某元件的“回波損失”為14db,即|r| =0.2，但由于待測元件的反射波與非理想方向 性耦合波二者的相位差是隨機(jī)的，所以待測反射系數(shù)的誤差為土0.01，即 |二0.2 土 0.01，電壓駐波比即為1

7、.471.53，故測量駐波比必須根據(jù)測量 精度要求選擇合適的定向耦合器。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：（一）測量十字形定向耦合器的耦合度1.1按圖5檢查微波測試系統(tǒng)（若信號源為速調(diào)管電源，則要注意其 開關(guān)順序）1.2調(diào)整微波測量系統(tǒng)，并用頻率計(jì)測量信號源工作頻率1.3調(diào)整匹配檢測系統(tǒng)用隔離器+晶體檢波架作為檢測系統(tǒng)，將晶體調(diào)配螺釘退出，調(diào)節(jié)活塞 位置，使輸出指示最大，此時(shí)檢測系統(tǒng)駐波比小于1.1，認(rèn)為已接近匹配。隔離器圖5微波信頻率計(jì)精密 衰減 器匹配檢測系統(tǒng)可變衰 減器1.4讓精密衰減器讀數(shù)A 1 = 10db,調(diào)整可變衰減器及指示儀表靈敏度， 使指示器讀數(shù)11接近滿刻度的四分之三。15如圖6所示，不接定

8、向耦合器，調(diào)整精密衰減器讀數(shù)A2，使匹 配檢波指示器讀數(shù)I 保持不變（注意，去掉定向耦合器之前，精密衰減器圖61.6計(jì)算耦合度C=A 2 -A 1（二）測十字型定向耦合器方向性2.1如圖7所示，讓定向耦合器反接，調(diào)整可變衰減器，使指示值12盡可能大，并記下精密衰減器讀數(shù)A2。讓定向耦合器正接，調(diào)整精密可變衰減器為A4，使指示器讀數(shù)12保 持不變，精密衰減器兩次讀數(shù)之差，即為方向性。微波信 號源圖72.2 計(jì)算：D=A 4-A3（三）測量滑動(dòng)單螺釘?shù)鸟v波比，采用“回波損失”法，測量反射系 數(shù)| |，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。匹配檢 測系統(tǒng):器：3.1將滑動(dòng)單螺釘置于正中位置，螺釘伸入深度為6mm.3.2定向耦合器反接，端口 “1”接被測元件，讓精密衰減器衰減量 為A乙，調(diào)整可變衰減器，使匹配檢測系統(tǒng)指示器讀數(shù)I ，達(dá)滿偏轉(zhuǎn)1/2 以上。3.3取下被測元件，接上短路器，增加精密衰減器的衰減量為As , 使I 保持不變，則“回波損失” L=AAl，由下式20log r| =-L，算出|r|， 從而算出駐波比p .（注意：接上短路器以前應(yīng)讓精密衰減器衰減量達(dá)10 分貝以上，以避免檢波品體過載二燒毀?。?思考問題：定向耦合器的主要特性參量是什么？怎樣區(qū)別十字型定向耦合器 的正向與反向？測量耦合系數(shù)C時(shí)，除了本實(shí)驗(yàn)