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1、 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221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
2、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，
3、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
4、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
5、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
6、 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224所示。采用衰减法可知 CA1A2 (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
7、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，使等效 尽量小。 3，按图22一4系统测定分贝耦合度C。 C 4按图22一5的系统测定实际器件的定向性Dp。根据|Dp|和| | 大小判别进 行计算。在我们的情况下按 5按图228系统测定输入驻波比 。