微波定向耦合器的原理与设计

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1、微波定向耦合器的原理与设计一、实验目的1．了解定向耦合器的原理；2．利用实验模组实际测量以了解定向耦合器的特性；3．掌握耦合器的设计方法。二、实验原理定向耦合器是一种有方向性的功率耦合元件，可用来监视功率、频率和频谱；把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9-1所示。图9-1定向耦合框图它的信号输入端（port_1）的功率为，信号直通端（port_2）的功率为，信号耦合端（port_3）的功率为，而信号隔离端（port_4）的功率为。

2、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：式（9-1）耦合系数：式（9-2）第⑬页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　隔离系数：式（9-3）方向系数：式（9-4）它们之间的关系为：式（9-5）定向耦合器常用于对指定流向微波信号的提取，或是相反地混合不同的信号。在无内负载时定向耦合器往往是一四端口网络。定向耦合器常有两种方法实现，一种是耦合线定向耦合器，其耦合区长度为四分之一波长，一个输入端口，其直接输出和耦合输出端口在结构上不相邻，剩余的一个端口

3、称为隔离端，理论上隔离端不输出任何能量。另一种为分支线定向耦合器，两输出端口结构上相邻，常用于强耦合场合。关键参数指标及其含义耦合度：当其余端口接匹配负载时，耦合端输出功率与主线输入功率之比的分贝值。耦合分配损耗：由于一定能量传输到耦合端而引起主线输出功率减小，它等于主线插入损耗的理论值。耦合分配损耗与耦合度的关系如下：耦合度耦合分配损耗3dB3.00dB6dB1.20dB10dB0.46dB15dB0.14dB20dB0.04dB30dB0.004dB第⑬页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

4、　　　　　　　　　　　　　　　主线插入损耗：当匹配负载接主线外各端口时，主线输出功率与输入功率之比的分贝值。主线插入损耗包括能量耦合损耗和能量耗散损耗两方面。方向性：当一功率在指定方向上传输时，耦合端口的输出功率与该功率在在隔离端口的输出功率之比的分贝值。对双定向耦合器而言，定义为两个耦合端输出功率之比的分贝值。显而易见，方向性越好，表示功率损失越少；另一方面，方向性是测量耦合器隔离两个信号程度的数值。方向性也限定了耦合器在特定测量中的精确度，反射耦合信号的相位直接增加了测量的不确定性，所以方向性越高，测量精度就越高。再者，

5、由于方向性的作用，反射信号会与一小部分无用信号组合，反向耦合信号的幅度严格基于耦合器的方向性。所以，在选用耦合器时，高方向性的耦合器更适合通信传输，一般可以选用方向性高于22dB的耦合器。电压驻波比:耦合器的电压驻波比可以降低失配误差并增加测量精度。如在测量反射时，通常情况是在耦合器的测试端口处进行短接，以建立一个全反射（回波损耗为0dB），因为输出测试端口的电压驻波比部分反射信号会二次反射。由于频率扫描宽度不同，二次反射信号的相位变化范围很大。当叠加到原反射信号上时，使信号幅度可能增加或减弱。这个相位变量在全反射（返回误差

6、为0dB ）会产生波动。这种二次反射信号的强度及测量的不稳定性可通过采用最低电压驻波比的耦合器来降低。最大输入功率：在耦合器上标注的功率是指输入端口的最大允许输入功率，输出口和耦合端口不能用标注的最大功率输入。输出口和耦合端口的最大输入功率由耦合度和负载电阻决定（如直放站监控用的20dB耦合器，2W信号直接从耦合端口入，此时负载电阻不得小于2W，产品中用的是10W电阻）。如果输入功率为P1，耦合输出功率为P2，耦合度为CdB,功率耦合度为C,则存在以下关系。当输入端输入功率P1=100W，耦合度为20dB时，则耦合功率；第⑬

7、页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　当输入端输入功率P1=25W,耦合度为6dB时，则耦合功率。可见，对于相同标称功率的耦合器，耦合度不同，耦合功率也是不同的，例如：负载电阻为10W的6dB耦合器，其输入端输入功率最大不能超过40W。所以一般是根据实际要求选取适当功率的耦合器。平均功率：可输入到设备并不会造成永久性损害的最大CW（连续波）功率。反向功率：可输出到设备并不会造成永久性损害的最大CW（连续波）功率。峰值功率：可输出到设备并不会造成永久性损害的最大峰值功

8、率。一、设计方法与实例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式、高通式和传输线式，如图9-2（a）（b）（c）所示。其设计步骤如下：图9-2（a）低通L-C式双分支定向耦合器（b）高通L-C式双分支定向耦合器第⑬页共222