定向耦合器

定向耦合器研究一、实验目的和要求本实验要求学会测量定向耦合器的主要参数：分贝耦合度 C,定向性 D和输入驻波比 .同时从理论上了解几种实际的定向性概念，以及与定向性有关的一些因素。二、实验原理1， 定向耦合器的主要参数图 22 1表示一波导定向耦合器。它共有四个端口。 1一 2代表主波导通道， 3一4代表副波导通道。定向耦合器的主要特性表现在从 1端口输入的主波导功率除直接由 2端口输出，还可以通过孔耦台由 3端口输出。由于高定向性， 4端口几乎没有功率输出。同样，如果由 2端口输入则可耦合至 4端口，但几乎与 3端口隔离。常用的定向耦合器一般在 4端口接有良好匹配的负载 l， 于是真正对外工作的端口便只有三个。如果在端口 1输入时，这时称定向耦合器为正向运用；反之，若端口 2输入时，则称之为反向运用。 定向耦合器的基本参数有三个：分贝耦合度 C,定向性 D和输入驻波比 p。 这三个参数都有一定的频带指标。（ 1）分贝耦合度 C定义在各端口匹配情况下，端口 1的输入功率 P1和端口 3的耦合功率 P3之比再取101og即请注意这里定义的分贝耦合度大于 odB,数字愈大则意味着耦合愈松，即进入端口 3的功率愈少。实用中，最紧的耦合为 3dB， 否则只需要将主波导输出臂作耦合臂即可。（ 2）定向性 D在一般文献中，对定向性的定义论述得不够严谨、深入。本讲义将提出三种不同的定向往定义，供实用时参考。第一种，称为理论定向性定义 Dr它定义为在各端口均接匹配负载时，端口 1输入功率情况下，端口 3的耦合功率 P3与端口 4的耦合功率 P4之比，再取 101og。 即在理想定向耦合器中，定向性应为无穷大。我们注意到对于实际的定向耦合器，由于端日 4接有负载，因此（ 22一 2）式定义的定向性往往无法加以实测。为了解决这一矛盾，我们引出另一种定向性定义。第二种，称为测量定向性定义 Dm它定义为：在各端口匹配情况下，端口 1输入时，端口 3的耦合功率 和端口 2输入时端口 3的耦合功率 之比，再取 10log, 即 具体参见图 22-2。很显然，测量定向性 Dm定义是在端口 4所接负载 0，即全匹配情况下取得的 .大家知道，实际上任何定向耦合器不管其做得如何理想，其端口 4的负载 不可能为零。所以又引出另一种定向性定义。 第三种，称为实际器件的定向性 .它定义为在定向耦合器端口 4接有 情况下，器件对外显示为三端口网络。这个三端口网络的 模之比，再取 201og， 即需要特别注意的（ 22一 4）式不计（ 22一 3）式尽管形式相同，但含义却是根本不同的。（ 22一 4）式的参数是有耗三端口网络的散射参数，而（ 22一 3）式则是无耗四端口网络的散射参数。导出了 Dp的关系为：式中 如果网络的端口 1和端口 2互相对称；端口 3和端口 4互相对称，则存在对称算子根据对称算子【 F】 的性质，有 可知在这一条件下 ,（ 22一 2）式和（ 22一 0）式完全相等。也就是说：在对称定向耦合器条件下，理论定向性 Dr和测量定向性 Dm相等。至于 Dm和 Dp的关系则更为明显：在端口 4所接负载 0的条件下 Dm和 Dr相同。很自然还能进一步推论：若对称定向耦合器在端口 4所接负载 0，则理论定向性 Dr和实际器件定向性相同。实用上，由于端口 3一般为弯口波导，且 0，所以 Dr、 Dm、 Dp， 三者是不同的。而要衡量定向耦合器性能的，恰好就是实际器件的定向性 Dp， 这正是我们所要测量的 （ 3）输入驻波比 p它定义在各端口匹配条件下，输入端口 1的驻波比 p为输入驻波比，见图 22-3所示。显然有实际上，由于 0，所以严格说来（ 22一 9）式中的是端口 4接了 的有耗三端口网络的 ，它与原四端口网络 S 参数的关系已由附录 4-1给出由于 是原四端口网络的 ，显见两者在 0情况下不相等，但实际上由于隔离度较大，即上式中 0，因此2，测量基本原理（ 1）分贝耦合度 C的测量分贝耪合度 C的测量系统见图 22 4所示。采用衰减法可知 C A1 A2 (22-12)我们注意到，在一般情况下，端接负载不完全匹配对分贝耦合度 C的测量影响很小。有些文献喜欢用电压耦合系数 ，它们之间关系是（ 2）实际器件定向性 Dp的测量图 22-5表示实际器件定向性的测试系统。与分贝耦合度不同，这里主波导终端所接的是滑动匹配负载。在正向运用时，滑动匹配负载对 P0毫无影响；而在反向运用时，滑运匹配负载的不同位置，对 P0影响很大，为了保持 P0不变，即衰减器可能在某一范围内变化，从 变化到 。显然这时所测的，定向性 Dp也有一个范围，即 (3) 输入驻波比的测量输入驻波比 ，采用下图测试系统。当 很小时，也可采用滑动负载法三， 实验线路和仪器 四、实验步骤本实验主要测定定向耦合器三个参数：分贝耦合度 C， 实际器件定向性 Dp和输入驻波比。1. 连接好微波系统，调谐探针，调配信号源 ，测定电源工作频率 f。2 调配功率计，使