实验二 平行线耦合器
微波实验单元项目 实验三
电磁场与微波测量实验报告微波实验单元项目实验三定向耦合器的特性测量一、实验目的1.了解频谱分析仪的使用方法。
2.学会使用频谱分析仪对信号源提供的信号进行分析。
3.学会定向耦合器。
二、实验原理定向耦合器：定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。
主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。
定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配。
定向耦合器由传输线构成，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线都可构成定向耦合器，所以从结构来看定向耦合器种类繁多，差异很大。
但从它的耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T。
在20世纪50年代初以前，几乎所有的微波设备都采用金属波导和同轴线电路，那个时候的定向耦合器也多为波导小孔耦合定向耦合器，其理论依据是Bethe 小孔耦合理论，Cohn和Levy等人也做了很多贡献。
随着航空和航天技术的发展，要求微波电路和系统做到小型化、轻量化和性能可靠，于是出现了带状线和微带线。
随后由于微波电路与系统的需要有相继出现了鳍线、槽线、共面波导和共面带状线等微波集成传输线。
这样就出现了各种传输线定向耦合器。
第一个真正意义上的定向耦合器由H. A. Wheeler在1944年设计实现，Wheeler使用了一对长为四分之一中心频率波长的圆柱来实现电场与磁场的能量相互耦合，遗憾的是这种方法只能实现一个倍频程的带宽。
主线中传输的功率通过多种途径耦合到副线,并互相干涉而在副线中只沿一个方向传输。
三、实验步骤1.耦合度测量(1)按照图中所示连接所使用的仪器。
(2)设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号（如850MHz.-20dBm）。
(3)将输入输出电缆短接。
用频谱分析仪定向耦合器输入端口1的输入信号电平，测试数据记录到表格中。
试验二教材[整理版]
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实验四用示波器测量常用电量一、实验目的1. 学习示波器和信号发生器的基本使用方法2. 掌握用示波器测量电压、电流、频率及相位差等常用电量的使用方法。
二、预习要求1、阅读本讲义；2、预习报告基本还按照课本进行，但其中的实验原理部分由于差异较大，不用写；实验内容的第1部分不按照课本操作，不用写；课本上的注意事项也不用写；3、预习思考题和实验报告要求都按本讲义中的回答，课本上的不用回答；注意：课堂上要求绘制波形图，请大家来上课时带好坐标纸。
三、实验设备设备名称用途信号发生器提供信号输出示波器观察信号，并测量信号参数HE-15A实验箱四、实验内容1、按照讲义《示波器使用Step by Step》和《信号发生器的使用》的步骤，完整操作一遍；2、完成课本上实验内容第2部分，测量频率；3、完成课本上实验内容第3部分，测量交流电压；4、完成课本上实验内容第4部分，测量相位差。
接线方法按下面“实验注意事项”里的说明进行，相位差的测试方法按照讲义《示波器使用进阶》的说明进行；5、完成课本上实验内容第5部分。
五、实验注意事项1、课本上给出的正弦波的幅值是峰值，而信号发生器输入的是有效值，在输入时需要进行换算；2、测量相位差时示波器和信号发生器测试线的使用说明：示波器的CH1和CH2两个通道都使用的是带红黑夹子的测试线，这种测试线的红黑夹子不能混用。
CH1和CH2的黑色夹子接的是示波器内部的地线，两者在内部是短接在一起的（用万用表测量两个黑色夹子间的电阻，结果为0），而红色夹子才是真正的信号输入端。
因此，用这种测试线同时测量两个信号时，两个黑色夹子应该接在电路的同一个点，或者同一根导线上，而让红夹子分别接被测信号。
如果两个黑色夹子不是接的同一个点，那么所接的这两个点，会被黑色夹子短路，从而造成电路不正常运行甚至是损坏。
另外如果将示波器和信号发生器用红黑夹子线直接相连，也应该保证红接红、黑接黑，因为对信号发生器来说，黑色夹子也是它内部的仪器地线，而信号发生器的仪器地、示波器的仪器地都是通过电源插座相连的，即示波器和信号发生器的黑色夹子都是连在一起的。
光耦合器实验
全光纤耦合器件摘要：简述熔融拉锥法制作全光纤耦合器件的原理，进而讨论全光纤耦合器的工作原理，并对未知耦合器件进行测试，具体分析其参数。
一、 实验原理1. 熔融拉锥法熔融拉锥法是将2根出去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，然后置于高温下加热熔融，同时向光纤两端拉伸，最终在加入形成双锥形式的特殊波导耦合结构，从而实现光纤耦合的一种方法。
熔融拉锥法示意图如图1：图 1熔融拉锥法示意图2. 光纤耦合器工作原理图2所示为熔融拉锥型光纤耦合器的结构模型。
其中：W 2和W 3分别为耦合结构熔锥区II 和III 在光纤熔烧时的拉伸长度；W 1为耦合区I 的火焰宽度。
耦合区的两光纤熔烧时逐渐变细，两纤芯可以忽略不计，两包层合并在一起形成以包层为纤芯、芯外介质（空气）为新包层的复合波导结构，实现两光纤的完全耦合。
当入射光从输入端1进入熔锥区II 后，由于淡漠光纤的传导膜为2个正交的基膜信号，因此，光纤参量V 随着纤芯的变细而逐渐变小，导致越来越多的光渗入包层；进入耦合区I 后，由于两光纤合并在一起，光在以新的包层为纤芯的复合波导中传输，并使光功率发生再分配；当光进入熔锥区III 后，光纤参量V 随着纤芯的变粗而逐渐增大，并使光以特定比例从输出端输出，即一部分光从直通臂直接输出，另一部分光从耦合臂输出。
在耦合区I ，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，因此，耦合器为两波导构成的弱耦合结构。
根据若耦合模理论：相耦合的两波导中的场，各保持该波导独立存在是的场分布和传输系数，耦合的影响仅表现在场的复振幅的变化。
假设光纤是无吸收的，则随拉伸长度Z 不断变化，其变化规律可用一阶微分方程组表示如下：式中：A 1和A 2为两光纤的模场振幅；和为两光纤在孤立状态下的传播常数；和为子耦合系数；和为互耦合系数。
自耦合系数相对于互耦合系数很小，可以忽略，且近似有。
当方程在z=0时满足A 1(z)= A 1(0), A 2(z)= A 2(0)，其解为：图 2 光纤耦合器结构模型其中：为两传播常数的平均值；F2为光纤之间耦合的最大功率；C为耦合系数，与工艺有关。
互感耦合电路测定的实训
一、实训目的1. 学会互感电路同名端、互感系数以及耦合系数的测定方法。
2. 理解两个线圈相对位置的改变， 以及用不同材料作线圈芯时对互感的影响。
二、原理说明1. 判断互感线圈同名端的方法。
(1) 直流法如图6-1所示，当开关S 闭合瞬间， 若毫安表的指针正偏， 则可断定“1”、“3”为同名端；指针反偏，则“1”、“4”为同名端。
(2) 交流法如图6-2所示，将两个绕组N 1和N 2的任意两端（如2、4端）联在一起，在其中的一个绕组（如N 1）两端加一个低电压，另一绕组（如N 2）开路，用交流电压表分别测出端电压U 13、U 12和U 34。
若U 13是两个绕组端压之差，则1、3是同名端；若U 13是两绕组端电压之和，则1、4是同名端。
2. 两线圈互感系数M 的测定。
在图6-2的N 1侧施加低压交流电压U 1，测出I 1及U 2。
根据互感电势 E 2M ≈U 20＝1MI ω，可算得互感系数为12I U M ω=3. 耦合系数k 的测定。
两个互感线圈耦合松紧的程度可用耦合系数k 来表示21L L M k =如图6-2，先在N 1侧加低压交流电压U 1，测出N 2侧开路时的电流I 1；然后再在N 2侧加电压U 2，测出N 1侧开路时的电流I 2，求出各自的自感L 1和L 2，即可算得k 值。
u 2图6-1直流法测同名端图6-2 交流法测同名端四、实训内容1. 分别用直流法和交流法测定互感线圈的同名湍。
(1) 直流法实训线路如图6-3所示。
先将N 1和N 2两线圈的四个接线端编以1、2和3、4号。
将N 1，N 2同心地套在一起，并放入细铁棒。
U 为可调直流稳压电源，调至10V 。
流过N 1侧的电流不可超过0.4A （选用5A 量程的数字电流表）。
N 2侧直接接入2mA 量程的毫安表。
将铁棒迅速地拨出和插入，观察毫安表读数正、负的变化，来判定N 1和N 2两个线圈的同名端。
B(220V )(36V )~220VWN图6-3图6-4(2) 交流法本方法中，由于加在N1上的电压仅2V左右，直接用屏内调压器很难调节，因此采用图6-4的线路来扩展调压器的调节范围。
作业指导手册—耦合器
耦合器一、耦合器原理耦合器是一种从射频通路中通过耦合将一部分信号取出的无源器件，是带有不同耦合衰减量值的分路器。
它是一类能使传输中光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。
它能将信号不均匀的分成2份（称为主干和耦合端，也称为直通端和耦合端）耦合器的型号较多，比如有5dB、7dB、10dB、15dB、20dB、25dB、30dB、40dB等。
从结构上一般分为微带耦合器和腔体耦合器两种。
腔体耦合器内部是两条金属杆组成一级耦合；微带耦合器内部时两条微带线组成的一个类似于多级耦合的网络。
二、耦合器用途多用于无线基站中，对信号进行隔离和对规定流向的微波信号进行取样。
也作为分布系统延伸链路中接至覆盖天线输出节点的连接器件，该类器件的耦合度量值是由耦合口接至天线辐射输出的额定覆盖功率电平所决定的。
互调抑制≤-120 dBc（+43dBm*2）单系统总功率36dBm以下功率容量均值功率≥200W单系统总功率36dBm及以上≥200W单系统总功率36dBm以下工作温度-50℃—70℃四、耦合器主要性能指标检测端口1、3：可测插损、隔离度、带内波动、驻波比端口2、3：可测耦合度端口1：反射互调1、耦合度检测（1）设置网分的中频带宽为1KHz，POWER为0dBm，对仪表进行双端口校准。
（2）按图连接测试系统，在耦合器的输出端口接匹配负载。
（3）设置网分的工作频段为800—2500MHz，显示参数为S21（4）读取S21曲线上的最小值与最大值。
用最小值的绝对值减去耦合度设计值，再用最大值的绝对值减去耦合度设计值，比较两个差值的绝对值，取最大的一个值即为耦合度。
2、插损及带内波动（1）设置网分的中频带宽为1KHz，POWER为0dBm，对仪表进行双端口校准。
（2）按图连接测试系统，在耦合器的耦合端口接匹配负载。
（3）设置网分的工作频段为800—2500MHz，显示参数为S21（4）读取S21曲线上的最小值。
实验05：方向耦合器(Directional Coupler)
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。
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。
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。
图5-1方向耦合器方框图其信号输入端（Port-1，Input Port ）的功率为P1，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：Port-1 P1 Port-2 P2 Port-2 P3Port-4 P4传输系数：12log 10)(P P dB T on Transmissi ⋅-==耦合系数：13log10)(P P dB C Coupling ⋅-== 隔离度：14log 10)(P P dB I Isolation ⋅-==方向性：)()()(dB C dB I dB D y Directivit -==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。
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)、端口的等效阻抗Zo （ohm ）、电路使用的中心频率，fc （Hz ）。
ADS实验教程ads作业答案1
plot(f ,z);
运行结果如右图，可以看到
匹配网络是个低通滤波器，
其带宽为1.22G，与节点法
的结果基本一致。
思考题：用2节及3节四分之一波长阻抗变换器实现200欧至50欧的阻抗匹配。要求带宽最宽。
解：先看单节匹配情况。在电子圆图上节点1阻抗为200，节点2为50，单节时匹配路径上最大Q值为0.73
接着搭建仿真电路，如图4所示。
%画S21频率响应图
%基本参量：f频率，L串联电感，C并联电容；
f=10:10:3000;
w=2*pi*f*1e+6;
L=12.3e-9;
C=2.6e-12;
%电路A矩阵A=[a b;c d];
a=1-w.*w*L*C;
b=i*w*L/50;
c=i*w*C*50;
d=1;
%由A矩阵转化为S参量S21.
（2）
T型网络的转移矩阵， ， 。 ，归一化得 ，进而由公式得到归一化导纳参量 。与 并联得2、3端口间的归一化导纳参量： ，接着转化为散射参量：
用上式绘得的 的频率响应曲线如图10，图11是仿真所得的结果。
图10
图11
解2：推导S32：
偶模激励
3端口的偶模电压与2端口的偶模电压对称，即V3e=V2e，而2端口的偶模电压为
若以驻波比小于1.5为带宽的定义，得到的带宽为267.4MHz（如图8）。
图（8）
解2：原匹配电路为串感并容型，得到A参量为
,
再有A矩阵转化为S参量，最后由S21画出频率响应如下图：
由上图可以看出电路带宽为1.2GHz，与节点品质因子计算得到的带宽1.291GHz大致相同。其中计算过程的matlab代码如下：
互感耦合电路实验报告
互感耦合电路实验报告3.13 用示波器研究互感耦合电路的特性工程物理系工物22 方侨光 2002012041【实验原理】互感耦合电路及其原边回路的等效电路如下图所示：原副边回路的微分方程如下：di1di-M2 dtdtdidi-M1+L22+R2i2=0 dtdtu1=R1i1+L1设原边电流为：i1=I1msinwt从微分方程组求u1的稳态解可得：u1=(R1+DR1)I1msinwt+w(L1-DL1)I1mcoswt式中M2w2R2M2w2L2，DL1=2 DR1=222R2+w2L2R+wL222即副边回路对原边的影响可等效为原边电阻增加DR1，同时电感减少DL1。
当R2= ，即副边开路时，DR1和DL1均为0；当w一定，且R2=wL2时，DR1达到极大值DR1maxwM2 =2L2【实验任务】1．研究副边电阻R2改变时原边等效电阻增量DR1的变化。
当sinwt=1时，有：uuR1+DR1=1t=1tR=I1muRm骣ut÷-1÷R ÷÷?uRm桫只要不断改变R2取值，并读取sinwt=1时的ut和uRm值即可。
2．研究当w一定时DL1随R2的变化关系。
当coswt=1时，有：u1'tut'L1-DL1==RwI1mwuRmuRm可以利用上个实验的值，这时只需要读取coswt=1时ut的值即可。
事实上，两个实验可以同时做。
【实验结果】上次做实验的时候有一两个数据不正确。
比如测DR1时，第一组数据uRm>ut，显然不对。
因此重做了一次。
下面是重做的结果。
1．实验原始数据及处理2．DR1和DL1实验结果与理论计算的结果比较分析：1．测DR1时，当R2比较小的时候，误差相对较大，可能和电阻箱的精度、接线电阻、接触电阻等不可忽略有关。
2．测DL1时，误差实在大得惊人了。
并且误差随R2增加而增加，不过在R2= 时，还是比较符合的。
没想明白是什么原因。
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实验二平行线型方向耦合器
姓名：吕秀品
专业：通信工程
学号：2011117051
一、实验要求
设计一个使用于750MHz的10dB的平行线型耦合器（Zo=50Ω）
二、实验参数
1.选用FR4基板，Er=4.5，h=1.6mm，TAND=0.015，Metal=Cu，1mil，Hu=10mm；
2.耦合线宽度W=2.38mm，间距S=0.31mm及长度P=57.16mm，且50Ω微带线宽度W=2.92mm；
三、实验原理
然这种
,市场上各种商业化微波仿真软件都比较成熟。
本实验主要利用Ansoft软件进行原理图设计、仿真及PCB板的生成。
定向耦合器可被看作为四端口网络，其特性可用散射矩阵【s】表示，
，其中各端口的反射系数sii(i=1、2、3、4)的值很小（理想值为零）,表示各端口的匹配情况；衰减系数s13=s31=s24=s42的值也很小(理想值为零)，表示隔离情况；s14=s41＝s23＝s32是耦合系数，其值根据需要而设计。
定向耦合的主要技术指标是耦合度C（分贝）、定向性D（分贝）和工作频带，其中C＝-20lg|s14| (dB)D＝20lg|s14/s13| (dB)。
四、实验步骤
1.根据书上给的参数在Ansoft环境下设计原理图；
2.完成相关配置后进行原理图仿真；
3.画PCB原理图；
4.整理PCB原理图；
5.生成3D效果图；
五、实验结果
1.原理图
2.原理仿真图
3.PCB原理图
4.PCB整理图
5.3D效果图
六、实验小结
1.能熟练地使用Ansoft软件；
2.对平行线型方向耦合器的内容有了深刻的掌握；。