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）。

4
5
图6
隔离
器
减器
衰减器
微波信号源
1.6 计算耦合度C=A
2-A 1
（二）测十字型定向耦合器方向性
2.1 如图7所示，让定向耦合器反接，调整可变衰减器，使指示值I 2尽可能大，并记下精密衰减器读数A2。

让定向耦合器正接，调整精密可变衰减器为A 4，使指示器读数I
2保持不变，精密衰减器两次读数之差，即为方向性。

隔离器
减器
匹配负载
定向耦合器
密减微波信号源
图7
2 反向3
1
2.2 计算：D=A 4-A 3
（三）测量滑动单螺钉的驻波比，采用“回波损失”法，测量反射系数 ，其实验装置如图8所示。

6 图8
隔离
器
减器
匹配负载
定向耦合器
密减微波信号源
2 反向3
1
可变短路器
3.1将滑动单螺钉置于正中位置，螺钉伸入深度为6mm.
3.2定向耦合器反接，端口“1”接被测元件，让精密衰减器衰减量为A L ，调整可变衰减器，使匹配检测系统指示器读数I 1，达满偏转1/2以上。

3.3取下被测元件，接上短路器，增加精密衰减器的衰减量为A S ，使I 1保持不变，则“回波损失”L=A S -A L ，由下式20log Γ=-L ，算出Γ，从而算出驻波比ρ.（注意：接上短路器以前应让精密衰减器衰减量达10分贝以上，以避免检波晶体过载二烧毁！） 思考问题：
1．定向耦合器的主要特性参量是什么？怎样区别十字型定向耦合器的正向与反向？ 2．测量耦合系数C 时，除了本实验采用精密可变衰减器替代法外， 是否可用晶体检波器直接测量输入功率电平及副波导输出功率电平进行计算的方法，试问哪种方法较好？为什么？
3． 某定向耦合器的方向性D=20db ，问用它可能测量的最小驻波比为多
少？如果要测量ρ=1.05的驻波比，则至少应采用多少分贝方向性的定向耦合器？。