定向耦合器

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实验六 定向耦合器特性的测量及应用

目的：研究定向耦合器的特性及其应用。 原理：

定向耦合器是微波测量和其它微波系统中常见的微波器件，它是一种有方向性的微波功率分配器，更是近代扫频反射计中不可缺少的部件，通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型。图1为其结构示意图。它主要包括主线和副线两部分，彼此之间通过种种形式小孔、缝、隙等进行耦合。因此，从主线端上“1”输入的功率，将有一部分耦合到副线中去，由于波的干涉或叠加，使功率仅沿副线一个方向传输（称“正向”），而另一方向则几乎毫无功率传输（称“反向”），图2为本实验所用的十字定向耦合器，耦合器中端口之一终端接一内装的匹配负载。

主线副线

图1

（一）定向耦合器的主要特性参量有二：

为了便于解释耦合度和方向性，画出了定向耦合器传输示意图（图3），图中P 1、P 2分别为主线输入、输出功率；P F 3为副线

1

2

4

3

主线

副线

图3P3F

124

3

主线

副线

P 1

P 2

3R

P P 1

P 2

2

中正向输出功率，P R 3为副线中反向输出功率。

（1）耦合度（或过度衰减）C 如图3（a ）所示，主线输入功率P 1，

与副线中正向输出功率P F 3之比，称为定向耦合的耦合

度，若以分贝（db ）表示则：

C=10log

F

P P 31

(db) （6.1） （2）方向性D

如图3所示，副线中正向输出功率P F 3与反向输出功率P R 3之比称为定向耦合器的方向性，若以分贝表示，则:

D=log

R

F

P P 33(db) （6.2） 有时，反映定向程度的指标也用隔离度D ’来表示。隔离度表示主线输入功率P 与副线反向输出功率之比，即

D=10log

R

P P 31

(db) （6.3） 由式子（2）

D=10log

R F P P 33=10log R P P

31=D ’-C （6.4） 从上可知，定向耦合器的方向性等于隔离度与耦合度之差，理想的定向耦合器的方向性D →∞;也就是说，当各端均匹配端接时，若功率从主线端“1”输入，则副线仅端“3”有输出，而端“4”无输出；即端“1”与端“4”彼此隔离；端“2”与端“3”彼此隔离，实际的定向耦合器隔离端的耦合隔离的理想器件。

本实验主要是测量定向耦合器的耦合度和方向性，由上述定义可知，它实际上是功率测量或衰减量的测量，前述衰减测量的方法原则上都能适用，只是对高方向性器件的测量可能要碰上一定困难，需用专门的测量技术。

（二）定向耦合器的应用——单定向耦合器反射计 用反射计测量驻波比是常用的方法之一，本实验将采用单定向耦合器，

3

测量元件的反射系数，从而算出元件的驻波比。

根据驻波比11ρ+Γ

=-Γ反射系数Γ=+-E E 可知，测量元件的驻波比可利

用定向耦合器将入射波+E 和反射波-E 分离出来。从而测出其电场强度，代入上面两式既可得出。

如图4所示，即是一简单的单定向耦合器反射计的原理图，测量方法是首先在主波导端口“1”接一只能反射的短路器，以便在副波导建立入射波的参考电平I 0.然后用被测的元件代替短路器，根据待测元件的失配程度，将发射一部分微波功率在副波导输出端指示器读书为I 1，则反射系数可用下式表示：

Γ=n

I I 0

1

（6.5） 式中n 与晶体检波律有关，因为上述测量方法要求在同一测量中必须用一检波律，这给测量带来一定的困难，通常改测“回波损失”再加以计算，即以一精密可变衰减器插接于定向耦合器与匹配检测系统之间，分别测出定向耦合器主波导输出端接待测元件和短路器时，副波导有相应指示读数时，精密衰减器的读数A L 及A S ，则待测元件的“回波损失”L=A S -A L 而反射系数与“回波损失”具有下列关系：

20log Γ=-L (6.6)

“回波损失”测量的精确性，由在端口“2”处之入射波功率漏入端口“3”的多少而定，即与方向性有关，例如五个40db 方向性的定向耦合器，即使测得元件为理想的全匹配负载，也相当于还有40db 的反射功率，因而电压

反射系数为410-=0.01，ρ=01

.0101

.01-+=1.02，在这种情况下只能测量驻波

比大于1.02的元件，又如一方向性为41db 的定向耦合器，测得某元件的“回波损失”为14db,即Γ=0.2，但由于待测元件的反射波与非理想方向

等效信号源

图4

性耦合波二者的相位差是随机的，所以待测反射系数的误差为01

.0

±，即Γ=0.201

.0

±，电压驻波比即为1.47～1.53，故测量驻波比必须根据测量精度要求选择合适的定向耦合器。

实验内容与步骤：

（一）测量十字形定向耦合器的耦合度

1.1 按图5检查微波测试系统(若信号源为速调管电源,则要注意其开关顺序)

1.2 调整微波测量系统，并用频率计测量信号源工作频率

1.3 调整匹配检测系统

用隔离器+晶体检波架作为检测系统，将晶体调配螺钉退出，调节活塞位置，使输出指示最大，此时检测系统驻波比小于1.1，认为已接近匹配。

隔离器频率计

减器

匹配

负载

定向

耦合

器

密

减

微波信

号源

图5

12

3

4

1.4 让精密衰减器读数A

1

=10db，调整可变衰减器及指示仪表灵敏度，

使指示器读数I

1

接近满刻度的四分之三。

1.5 如图6所示，不接定向耦合器，调整精密衰减器读数A

2

，使匹

配检波指示器读数I

1

保持不变（注意，去掉定向耦合器之前，精密衰减器

应放在衰减最大）。

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