文档介绍：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,,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Гl,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