L-C双分支定向耦合器的参数优化设计与实验

目录
1、定向耦合器的原理 ............................................................... 错误!未定义书签。

2定向耦合器的设计................................................................... 错误!未定义书签。

3设计实例： ................................................................................ 错误!未定义书签。

4模块介绍： ................................................................................ 错误!未定义书签。

5、实验步骤.................................................................................. 错误!未定义书签。

6参考资料..................................................................................... 错误!未定义书签。

L-C 双分支定向耦合器的参数优化设计与实现
1、定向耦合器的原理
定向耦合器是一种有方向性的功率耦合元件，可用于监视功率、频率和频谱；对功率进行分配和合成；构成雷达天线的收发开关、平衡混频器和测量电桥；还可用来测量反射系数和功率等。

定向耦合器是四端口网络结构，如图5－1所示。

Port-1
P1
Port-2P2－图5 1 定向耦合器框图Port-3P3Port-4
P4
图5－1 定向耦合器
设信号输入端（port_1）的功率为P 1，信号直通端（port_2）的功率为P 2，信号耦合端（port_3）的功率为P 3，信号隔离端（port_4）的功率为P 4。

在各端口均接匹配负载的情况下，定义下述各项技术指标： 传输系数：21
()10lg P T dB P =- （5－1） 耦合系数：31
()10lg P C dB P =- （5－2） 隔离系数：41
()10lg P I dB P =- （5－3） 方向系数：43()10lg
P D dB P =- （5－4） 它们之间的关系为：D(dB)=I(dB)-C(dB) （5－5）
2定向耦合器的设计
常见的定向耦合器可分成双分支型和平行线型。

其设计方法说明如下：
（1）双分支型
此型电路根据使用元件又可分为低通L-C 式、高通L-C 式，如图5－2（a ）（b ）所示。

其设计步骤如下：
步骤一：确定耦合器规格。

包括耦合系数C(dB)、端口阻抗Z C (Ω)和电路工作中心频率f 0（Hz ）。

步骤二：利用下列公式计算出K 、Z CS 和Z CP 。

1010C K = ， 1cs c Z Z K =⋅- ， 1cp c K Z Z K
-=⋅ （5－6） 步骤三：利用下列公式计算出所需的元件值。

① 低通L-C 式
2cs S Z L f π= ， 012P cp C f Z π=⋅ （5－7） ② 高通L-C 式
01
2S cs C f Z π=⋅ ， 02cp P Z L f π= （5－8）
步骤四：根据实测进行检验，并经微调以达到规格要求。

（2）平行线型
不属于设计要求，所以不做说明。

3设计实例：
设计一个适用于650MHz ，15dB 的低通L-C 双分支定向耦合器（Z C =50Ω）。

C= -15dB ，f 0＝650MHz ⇒ 0316228.01010==C K
Ω=-⋅=2030.491K Z Z c cs ， Ω=-⋅
=689145.2761K K Z Z c cp nH f Z L cs S 04755.1220
==
π ， PpF Z f C cp p 88494.0210=⋅=π 4模块介绍：
定向耦合器模块是根据上述原理设计而成的，它由L-C 双分支定向耦合器组成。

通过测试该模块的S 11、S 21（P1、P2端口的传输）、S 31（P1、P3端口的传输）和S 41（P1、P4端口的传输）值，观察定向耦合器的性能。

其中S 21反映了耦合器模块的传输系数；S 31反映了耦合器模块的耦合系数；S 41反映了耦合器模块的隔离系数。

理想情况下，耦合系数S 31＝－15dB 。

该模块的性能指标如表5－1所示。

表5－1 耦合器模块性能指标
5、实验步骤
1、L-C 双分支定向耦合器（P1端口）S 11的测量：
（1）用两条1M ΩBNC 连接线（黑色）分别将ZY1702B2射频训练系统主机的X 、Y 端子与示波器的CH1、CH2端子相连。

（2）打开示波器，将其设置为XY 模式（通过DISPLAY 按钮设置）。

将通道CH1和CH2输入设置为直流耦合方式，电压刻度均为1V/Div ，探头均为×1档。

同时使示波器工作在正极性状态。

（3）按下主机的POWER 键，启动ZY1702B2射频训练系统，主机进入频率校正过程，即主机屏幕第一行显示Calibrating…。

约2分钟后，听到1声报警，系统完成校正，自动进入CW1 Testing 状态，即主机屏幕第一行显示CW1 Testing 。

（4）主机CW2 OUT 端、RF-IN 端、COUNTER IN 端（在主机后面）分别接1个BNC 式50Ω匹配负载。

（5）按下主机S11/S21键，选择S11测试功能，即主机屏幕第二行显示S11：……dB 。

按下主机SWEEP/CW1键，选择SWEEP 扫频输出模式，即主机屏幕第一行显示SWEEP Testing 。

（6）适当调节CH1和CH2的上下位置旋钮，使示波器屏幕出现扫频点。

调整器CH2的上下位置旋钮，使扫频信号在0dB 位置上。

0dB 线为示波器屏幕上从上至下第三条线，如图5－3所示，示波器的每一大格代表10dB 。

若正确操作可看到在0dB 线上扫动的点。

图5－3 0dB线
(7）将耦合器模块正确插在实验箱上，注意不必打开实验箱电源，用胶木螺钉（黑色）将模块固定好。

(8）用一条50Ω的BNC与SMA转接线连接主机SWEEP/CW1 OUT 端和耦合器模块的P1端。

模块的P2、P3、P4端分别接一个50ΩSMA式负载。

主机COUNTER IN端、RF-IN 端和CW2 OUT端所接50Ω匹配负载不用取下。

(9）按BAND键，选择Band3，即主机屏幕第四行显示Band3：440—680MHz。

(10）按SWEEP/CW1键，选择CW1 Testing，即主机屏幕第一行显示CW1 Testing。

按UP和DOWN键，改变点频频率，并以0dB线为基准，将主机屏幕显示数据记录在S11记录表上。

UP键的步进约为5MHz，DOWN键的步进约为1MHz。

(11）用一条圆滑曲线将S11记录表上的各点连接起来。

按SWEEP/CW1键，选择SWEEP 扫频输出模式，即主机屏幕第一行显示SWEEP Testing。

调节示波器CH1通道的上下位置旋钮使能观察到较完整曲线。

将示波器上波形与记录表上描绘的曲线进行比较，观察两者是否一致。

（12）若用上位机来观察该结果，则首先用一根A+B的USB连接线将主机与电脑的USB口连接起来。

（13）打开上位机界面上的“打开串口”，则在在“打开串口”的下面空白处出现“comX”。

（14）点击“开始接收”。

（15）此时可以观察试验结果。

2、L-C双分支定向耦合器（P1、P2端口）S21的测量：
(1）～(7）步与P1端口S11测量的前7步相同。

(8）用一条50ΩBNC与SMA转接线连接主机SWEEP/CW1 OUT 端口与模块的P1端口，用另一条50ΩBNC与SMA转接线连接主机RF-IN端口与模块的P2端口。

模块的P3、P4端口分别接一个50ΩSMA式匹配负载。

主机COUNTER IN端子和CW2 OUT端子上所接的50Ω匹配负载不用取下。

(9）按BAND键，选择Band3，即主机屏幕第四行显示Band3：440—680MHz。

(10）按下主机S11/S21键，选择S21测试功能，即主机屏幕第二行显示S21：……dB。

按SWEEP/CW1键，选择CW1 Testing，即主机屏幕第一行显示CW1 Testing。

按UP和DOWN 键，改变点频频率，并以0dB线为基准，将主机屏幕显示数据记录在S21记录表上。

UP键的步进约为5MHz，DOWN键的步进约为1MHz。

(11）用一条圆滑曲线将S21记录表上的各点连接起来。

按SWEEP/CW1键，选择SWEEP 扫频输出模式，即主机屏幕第一行显示SWEEP Testing。

调节示波器CH1通道的上下位置旋钮使能观察到较完整曲线。

将示波器上波形与记录表上描绘的曲线进行比较，观察两者是否一致。

（12）若用上位机来观察该结果，则首先用一根A+B的USB连接线将主机与电脑的USB 口连接起来。

（13）打开上位机界面上的“打开串口”，则在在“打开串口”的下面空白处出现“comX”。

（14）点击“开始接收”。

（15）此时可以观察试验结果。

3、L-C双分支定向耦合器（P1、P3端口）的S21测量：
(1）～（7）步与P1端口S11测量的前7步相同。

（8）用一条50ΩBNC与SMA转接线连接主机SWEEP/CW1 OUT 端口与模块的P1端口，用另一条50ΩBNC与SMA转接线连接主机RF-IN端口与模块的P3端口。

模块的P2、P4端口分别接一个50ΩSMA式匹配负载。

主机COUNTER IN端子和CW2 OUT端子上所接的50Ω匹配负载不用取下。

（9）按BAND键，选择Band3，即主机屏幕第四行显示Band3：440—680MHz。

（10）按下主机S11/S21键，选择S21测试功能，即主机屏幕第二行显示S21：……dB。

按SWEEP/CW1键，选择CW1 Testing，即主机屏幕第一行显示CW1 Testing。

按UP和DOWN 键，改变点频频率，并以0dB线为基准，将主机屏幕显示数据记录在S21记录表上。

UP键的步进约为5MHz，DOWN键的步进约为1MHz。

（11）用一条圆滑曲线将S21记录表上的各点连接起来。

按SWEEP/CW1键，选择SWEEP 扫频输出模式，即主机屏幕第一行显示SWEEP Testing。

调节示波器CH1通道的上下位置旋钮使能观察到较完整曲线。

将示波器上波形与记录表上描绘的曲线进行比较，观察两者是否一致。

（12）若用上位机来观察该结果，则首先用一根A+B的USB连接线将主机与电脑的USB口连接起来。

（13）打开上位机界面上的“打开串口”，则在在“打开串口”的下面空白处出现“comX”。

（14）点击“开始接收”。

（15）此时可以观察试验结果。

4、L-C双分支定向耦合器（P1、P4端口）的S21测量：
（1）～（7）步与P1端口S11测量的前7步相同。

（8）用一条50ΩBNC与SMA转接线连接主机SWEEP/CW1 OUT 端口与模块的P1端口，用另一条50ΩBNC与SMA转接线连接主机RF-IN端口与模块的P4端口。

模块的P2、P3端口分别接一个50ΩSMA式匹配负载。

主机COUNTER IN端子和CW2 OUT端子上所接的50Ω匹配负载不用取下。

（9）按BAND键，选择Band3，即主机屏幕第四行显示Band3：440—680MHz。

（10）按下主机S11/S21键，选择S21测试功能，即主机屏幕第二行显示S21：……dB。

按SWEEP/CW1键，选择CW1 Testing，即主机屏幕第一行显示CW1 Testing。

按UP和DOWN 键，改变点频频率，并以0dB线为基准，将主机屏幕显示数据记录在S21记录表上。

UP键的步进约为5MHz，DOWN键的步进约为1MHz。

（11）用一条圆滑曲线将S21记录表上的各点连接起来。

按SWEEP/CW1键，选择SWEEP 扫频输出模式，即主机屏幕第一行显示SWEEP Testing。

调节示波器CH1通道的上下位置旋钮使能观察到较完整曲线。

将示波器上波形与记录表上描绘的曲线进行比较，观察两者是否一致。

（12）若用上位机来观察该结果，则首先用一根A+B的USB连接线将主机与电脑的USB口连接起来。

（13）打开上位机界面上的“打开串口”，则在在“打开串口”的下面空白处出现“comX”。

（14）点击“开始接收”。

（15）此时可以观察试验结果。

6参考资料
[1] 微波电路计算机辅助设计（下）·高葆新，洪兴楠等·清华大学出版社·1988年4月第1版
[2] 电磁场与微波技术（下册）·李绪益·华南理工大学出版社·2000年2月第2版
[3] 现代微波技术基础·赵春晖，杨莘元·哈尔滨工程大学出版社·2000年2月第1版
[4] 射频训练系统实验指导书湖北众友科技股份有限公司
[5] 高频电子线路张肃文主编高等教育出版社。