微波技术基础实验指导书(5)

五 结果分析和实验报告

1. 实验目的、内容、系统简图； 2. 步骤简述，记录有关数据；

3. 数据处理，根据有关公式算出各测量值。

六 思考题

1. 从图1-3上分析，如果测量被测微波器件的2端口S参数，其内部开关将处于什么工作状态？

2. 对记录的数据进行分析，并思考为什么开路负载时在短路点的光标，在接上短路负载后会在开路点附近？

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实验二 微波元件特性参数测量

一 实验目的

1、掌握利用矢量网络分析仪扫频测量微带谐振器Q值的方法。 2、学会使用矢量网络分析仪测量微波定向耦合器的特性参数。 3、掌握使用矢量网络分析仪测试微波功率分配器传输特性的方法。

二 实验原理

1. 微波谐振腔Q值的测量

品质因数Q是表征微波谐振系统的一个重要的技术参量，品质因素Q描述了谐振系统频率选择性的优劣及电磁能量损耗程度。它定义为

Q0?2?WWW?2???0 WTPTPll其中Pl为腔的平均损耗功率，W为腔内的储能。

品质因素Q的测量方法很多，例如：功率传输法、功率反射法、阻抗法等等，通常可根据待测谐振腔Q值的大小、外界电路耦合的程度及要求的精度等，选用不同的测量方法。本实验主要运用扫频功率传输法来测量微带谐振器的Q值。

功率传输法是根据谐振腔的功率传输特性来确定它的Q值。图2-1表示测量谐振腔功率特性的方框图。

P1 匹 配 微波源 待 测 谐振腔 P2 匹配 微波 功率检测器

图2-1 测量谐振腔功率传输特性的方框图

当微波振荡源的频率逐渐改变时，由于谐振腔的特性，传输到负载的功率将随着改变，它与频率的关系曲线如图2-2所示。

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图2-2 谐振腔传输功率与频率的关系曲线

根据功率传输法测量谐振腔的等效电路可推得，谐振腔两端同时接有匹配微波源和匹配负载时的有载品质因数为

QL?f0f?0 （2-1） f2?f1?f式（2-1）中f0为谐振腔的谐振频率，f1、f2是传输功率P2自最大值下降到一半时的“半功率点”的频率。f2与f1之间的差值?f为谐振频率的通频带。

2. 微波定向耦合器

2.1 工作原理与特性参数

定向耦合器是一种有方向性的微波功率分配器件，通常有波导、同轴线、带状线及微带线等几种类型。理想的定向耦合器一般为互易无损四口网络，如图2-3所示。定向耦合器包含主线和副线两部分，在主线中传输的微波功率经过小孔或间隙等耦合机构，将一部分功率耦合到副线中去，由于波的干涉和叠加，使功率仅沿副线中的一个方向传输（称正方向），而在另一个方向几乎没有或极少功率传输（称反方向）。

图2-3 定向耦合器方框图

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定向耦合器有四个端口，其作用可由图2-3所示的四端口网络说明。设图中1、3为主线，2、4为副线。若波由端口1输入，则一部分直通端口3输出，另一部分经耦合到端口2输出，端口4无输出；或端口4输出，端口2无输出。端口3称为输出端口，端口2称为耦合端口，端口4称为隔离端口。在一定条件下，1、2两端口彼此隔离，3、4两端口也彼此隔离。

在各端口均接匹配负载的条件下，可以定义描述定向耦合器的特性参量，主要包括耦合度、方向性、输入驻波比和工作频带等。 耦合度

输入至主线的功率（端口1输入功率P1）与副线中正方向传输的功率（端口2输出功率P2）之比的对数称为定向耦合器的耦合度C，即

C?10lgP2?dB? P1显然，由于输入功率总是大于输出功率，故此分贝数必为负值，但习惯上只说它的绝对值（正值）而不提及符号。耦合度C越大，表明耦合到副线的能量越少，耦合越弱。 方向性

在理想情况下，副线中一个端口有输出时，另一个相反端口应没有输出。但实际上由于设计或结构不佳，另一个端口常有一些输出。用副线中正方向传输的功率（端口2输出功率P2）与反方向传输的功率（端口4输出功率P4）之比的对数来表示定向传输的性能，称为耦合器的方向性，即

D?10lgP2?dB? P4D越大，说明方向性越好，或者说输入端口与隔离端口的隔离越好。理想情况下，

D??，实用中常对通带中的D提出一个最低要求。 P4?0，

有时，反映定向程度的指标也可以用隔离度来表示。定义隔离度为输入至主线的功率（端口1输入功率P1）与副线中反方向传输的功率（端口4输出功率P4）之比的对数，即

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Dl?10lgP1?dB? P4输入驻波比

当端口2、3和4均接匹配负载时，端口1的输入驻波比，用S表示。 工作频带

能满足C、D和S等各项技术指标要求的工作频率范围。 2.1 微带线定向耦合器

微带线定向耦合器是由两条等宽的平行耦合微带线所构成，线长是奇模和偶模波长平均值的1/4，线的各端口都接以匹配负载Zc，如图2-4所示。若信号从端口1输入，则端口2和端口3将有输出，端口4没有输出。由于耦合信号（端口2的输出）的传输方向与输入信号方向相反，故这种定向耦合器称为反向定向耦合器。

图2-4 耦合微带线定向耦合器

定向耦合器为什么会有方向性呢？要具有方向性必须要有两种以上的耦合因素起作用，使耦合到副线某一端口的能量能够互相抵消。我们来看一段如图2-5所示的平行耦合传输线。当导线1-3中有交变电流i1流过时，由于2-4线和1-3线互相靠近，故2-4线中便耦合有能量，此能量是既通过电场（以耦合电容表示）又通过磁场（以耦合电感表示）耦合过来的。通过Cm的耦合，在传输线2-4中引起的电流为ic2及ic4；同时由于的交变磁场的作用，在2-4线上感应有电流iL。根据电磁感应定律，感应电流iL的方向与i1的方向相反，如图上所示。因此，若能量由端口1输入，则耦合端口是2端口。而在4端口因为电耦合电流ic4 24