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实验五：方向耦合器（
Directional
Coupler
）
*
一．实验目的：
1.
了解方向耦合器的原理及基本设计方法。
2.
利用实验模组实际测量以了解方向耦合器的特性。
< br>3.
学会使用微波软件对方向耦合器进行设计和仿真，并分析结果。
二．预习内容：
1
、熟悉耦合原理的理论知识。
2
、熟悉方向耦合器的原理的理论知识。
三．实验设备：
项次
设备名称
数量
备注
1
2
3
4
5
6
MOTECH RF2000
测量仪
方向耦合器模组
50
Ω
BNC
接头
[50
Ω
]
负载端子
50
Ω
BNC
连接线
1M
Ω
BNC
连接线
1
套
亦可用网络分析仪
2
组
RF2
KM5-1A
、
RF2KM5-2A
2
个
THRU
2
个
LOAD-1
、
LOAD-2
2
条
CA-1
、
CA-2
2
条
CA-3
、
CA-4
1
套
微波软件
7
MICROWAVE
软件
四、理论分析：
（一）方向耦合器的原理：
方向耦合
器是个四端口网络结构（
4
－
port
network
）
，如图
5
－
1
所示。
Port-1
Port-2
P1
P2
Directional
Coupler
Port-4
Port-2
P4
P3
图
5-1
方向耦合器方框图
其信号输入端
（
Por
t-1
，
Input
Port
）
的功率为
P1
，<
/p>
信号传输端
（
Port-2
，
Transmission Port
）的功率为
P2
，信号耦合端（
Port-3
，
Coupling Port
）
的功率为
P3
，而信号隔离端（
Port-4
，
Isolation Port
）的功率为
P4
。若
P1
、
P2
、
P3
、
P4
皆用毫瓦（
mW
）来表示，定向耦合器的四大参数，则可定
义为：
P
2
on<
/p>
?
T
(
dB
)
?
?
10
?
log
传输系数：
Transmissi
P
1
耦合系数：
Coupling
?
C
(
dB
)
< br>?
?
10
?
log
P
3
P
1
P
4
隔离度：
Isolation
?
I
(
dB
)
?
?
10
?
log
P
1
方向性：<
/p>
Directivit
y
?
D
(
dB
)
?
I
(
dB
< br>)
?
C
(
dB
)
常见的定向耦合器可分成支路型和平行线型两种。其设计方法如下：
1
、支路型（
Branch-line
Coupler
）
其电路根据组成元
件可再分为低通
L-G
式、高通
L-G
式和传输线式，如图
5-2(a)(b)(c)
所示。
L
s
Port-1
Z
o
Port-2
C
s
Port-2
Port-1
Z
o
P
2
P
1
P
2
P
1
C
p
C
p
L
p
L
p
L
s
C
s
P
3
P
4
P
3
P
4
Port-3
Port-3
Port-4
Port-4
(a) low-pass
type
(b) high-pass type
图
5-2(a)
低通
L-C
式支线型耦合器
;
(b)
高通
L-C
式支线型耦合器
Port-1
P
1
Z
o
Z
os
λ
/ 4
Z
o
Port-2
P
2
Port-1
P
1
Z
Zoe
Port-2
P
2
Z
Zoo
Z
op
Z
op
Z
os
图
5-2
(d)
平行线型耦合器
图
5-2
(c)
传输线式支线型耦合器
其设计步骤如下：
步骤一：
决定耦合器的规格。
包括耦合系数
C(dB)<
/p>
、
端口的等效阻抗
Zo
< br>（
ohm
）
、
< br>电路使用的中心频率，
fc
（
H
z
）
。
P
4
Port-4
Z
o
λ
/4
Z
o
P
3
Port-3
Z
< br>Z
λ
4
/
P
4
Port-4
P
3
Port-3
步骤二：利用下列
公式计算出
K
、
Z
0S
及
Z
0P
:
C
/
10
K
?
10
Z<
/p>
0
s
?
Zo
1
?
K
Z
0
p
?
Zo
1
?
K
K
步骤三：利用下列公式计算出所需的值
:
（
a
）
低通
L-C
式
L
S
?
（
b
）
Z
0
s
2
?
f
c
C
P
?
1
2
?
f
c
Z
0
p
Z
0
p
2
?
f
c
高通
L-G
式
1
C
?
S
2
?
f
c
Z
0
s
L
P
?
（
c
）
传输线式
若选用微带线来设计，
则依据使用基板参数
（
Er
、
h
等）
利用软件计算出
Zos
及
Zop
的
微带线宽度（
W1
、
W2
）和四分之一波长的长度（
P1
、
< br>P2
）
。
步骤四：利用模拟软件检验，再经过微调以满足设计要求。
2
、平行线型（
Parallel-
line Coupler
）
此电路
结构如图
5-2
（
d
< br>）所示，常用微带线（
Microstrip
line
）来设计。
其设计步骤如下：
步骤一：
决定耦合器规格。
包括耦合系
数
C(dB)
、
各端口的特性阻抗
Zo
（
ohm
）<
/p>
、
电路使用的中心频率，
fc
（
Hz
）
、基板参数（<
/p>
Er
，
h
）
。
步骤二：利用下列公式计算出
Z
oe
及
Z
oo
。
Z
oe
?
Zo
1
?
10
1
?
10
C
/
20
C
/
20
Z
oo
?
Zo
1
?
10
C
/
20
1
?
10
C
/
20
步骤三：依据设计使用的基板参数（
Er
，
h
）
，利用软件计算
出符合步骤二所
算出
（
Zoe
、
Zoo
）
的微带耦合
线的宽度及间距
（
W
、
S
）
和四分之一波长的长度
（
P
）
。
步骤四：利用模拟软件检验，再经过微调以满足设计要求。
五、硬件测量
:
< br>1
．对支路型方向耦合器的
S11
及
S21
测量以了解支路型方向耦合器的特性。
对平行线型方向耦合器的
S11
及
< br>S21
测量以了解平行线型方向耦合电路
的特性。
2
．准备电脑，测量软件，
RF2000,
相关模组，若干小器件等。
3
．测量步骤：
⑴
MOD-5A
的
< br>P1
端子的
S11
测量：
设定频段：
BAND-3
；
< br>将
LOAD-1
及
LAOD-2
分别接在模组
P2
及
< br>P4
端子上；将于
RF2000 RF-IN
端子连接的
CA-1
接在模组
< br>P3
端子上；对模组
P1
端子做
S11
测量，并将测量结果记录于表（
6-1
）中。
⑵
MOD-5A
的
< br>P1
及
P2
端子的
S21
测量：设定频段：
BAND-3
；
将
LOAD-1
及
LOAD-2
分别接在模组
P3
及
P4
端子上；对模组<
/p>
P1
及
P2
端子
做
S21
测量，并将
测量结果记录于表
（
6-2
）中。
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