定向耦合法测量非标准接口元件驻波系数

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1、第18卷第3期强激光与粒子束Vol.18,No.32006年3月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMar.,2006文章编号:1001-4322(2006)03-0443-04定向耦合法测量非标准接口元件驻波系数*陈代兵1,2(1.中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900;2.中国工程物理研究院研究生部,北京100088)摘要:利用网络分析仪,根据需要在设定的频率范围进行扫频测量,网络分析仪的端口1输出的微波信号经过微波传输转换器进入与待测非标准元件匹配连接的连接段(如波导);网络分

2、析仪的端口2连接定向耦合器,用于监测传输段内的反射微波信号。首先,在非标准接口端面连接短路面,通过网络分析仪测量反射信号在设定频点的相对幅度值;然后去掉短路面,在非标准接口端面连接待测元件,再次测量反射信号在特定频点的相对幅度值;最后根据本文推导的公式得出驻波系数。该方法的测量误差与定向耦合器的方向性(方向性系数越大越好)和待测元件驻波系数有关。将该方法运用在非标准接口匹配负载驻波系数的测量中,定向耦合器方向性系数取为40dB,测得其驻波系数小于1.2,误差小于20%。该方法简便可行,可以用于测量常用的非标准接口元件尤其是非

3、标准低驻波系数元件的驻波系数。关键词:非标准接口元件;驻波系数;定向耦合器法;高功率微波中图分类号:TN98文献标识码:A驻波系数(voltagestandingwaveratio,VSWR)是微波技术中比较重要的参数之一。对于驻波系数的测[1-2][3]量方法有多种,如测量线法、长线法等。随着网络分析仪的广泛应用,标准接口尤其是标准同轴接口元件的驻波系数的测量变得更加简便准确。然而,在高功率微波技术研究中,考虑到功率容量等问题,需大量采用过模结构的非标准元件。对于这些非标准接口元件(如图1中Ф50mm的非标准接口的匹配负载

4、)驻波系数的测量,难以运用常规的方法。其原因就在于采用网络分析仪时,通常的校准端面为N型标准接口,而非标准接口的端口难以进行仪器的校准,同时为了连接与测量,需Fig.1SchematicofVSWRmeasurementforcomponents要连接阻抗以及模式的变换器,由此造成测量困难。withnonstandardinterfaces图1非标准接口元件驻波系数测量示意图一种粗略的测量方法是:校准仪器的端口为同轴N型接口,测量匹配负载的驻波系数时忽略变换器的反射。但是在实际情况中,阻抗变换器的反射不是理想的,因此测量的驻

5、波系数包括了变换器的反射,尤其是当匹配负载本身的驻波系数很小时,该方法几乎不能测量出匹配负载的真实驻波系数。另外一种方法是:仪器的校准端口为非标准接口,如图1中的Z2面(圆波导接口),需要设计标准件短路器、开路器和匹配负载来进行仪器校准。但是,由于这类非标准接口的标准件的设计和验证本身就十分困难,因此该方法几乎不可行。文献[4]还提供了一种方法,即可以根据部分网络分析仪中的用户自定义功能,利用一段长度为nλ/8或nλ/4(其中n为奇数,λ为扫频中心频率无色散时自由空间的波长)的短路波导来实现端口Z2的校准。但是,对于某些网络

6、分析仪,其用户自定义功能不可用,因此本文提出另外一种利用网络分析仪,对非标准接口元件进行较准确扫频测量的方法,称之为定向耦合器法。1测量原理及方法驻波系数测量原理如图2所示。Z2为待测元件(如非标准接口的匹配负载)的端面,为非标准接口。利用网络分析仪,根据需要设定测量的频率范围进行扫频测量。网络分析仪的端口1(port1)输出的微波信号经过微波传输转换器进入与待测非标准元件匹配连接的连接段(如波导);网络分析仪的端口2(port2)连接位于*收稿日期:2005-05-10;修订日期:2006-01-12基金项目:国家863计

7、划项目资助课题作者简介:陈代兵(1975-),男,博士生,主要从事微波器件研究及微波测量工作;renture@sina.com。444强激光与粒子束第18卷Z1处的定向耦合器(或定向耦合探针),用于监测传输段内的反射微波信号。Z与Z之间相距L。用12计算机采集测量数据。首先,在Z2端面连接短路面,此时通过网络分析仪测量传输段内的反射信号(其相对幅度),即测量S,假设在特定的频点f,对应S的值为p。210210Fig.2PrincipleofVSWRmeasurement假设网络分析仪端口1输出的微波信号进入波导后图2驻波系数

8、的测量原理图为正弦波,其正向传播在Z(耦合孔)处的正向波为1E0=Asin(ωt-βz+Ф0)(1)式中:A为振幅;ω=2πf;为传播常数;Ф为初始相位。0β0在忽略传输损耗条件下,当其传输到Z2面遇到短路面后,从Z2面反射回到Z1面的微波为E=AГ0sin(ωt+βz+Ф0-2βL)(2