02 · 定向耦合器特性测量§
一、目的§
测微带定向耦合器的耦合度、方向性、隔离度、输入驻波比，并理解四端口测量的接法切换逻辑。
二、连接§
按实验书 图 2-8 / 2-9，需要换两次接法：
| 测量 | 端口 1 接 | 端口 2 接 | 其他端口 |
|---|---|---|---|
| 耦合特性（图 2-9） | 输入 | 耦合端 | 输出端、隔离端各接 50 Ω |
| 传输特性（图 2-8） | 输入 | 输出端 | 耦合端、隔离端各接 50 Ω |
实验书把「测耦合」和「测传输」分成两步是为了简化：理论上四端口要测 16 个 S 参数，本实验只关心 $S_{11}/S_{21}$ 在两种接法下的读数。真实的方向性测量还要把激励切到隔离端口或加另一种接法（思考题 2 会讨论）。
三、步骤§
步骤一 · 复位 + 校准§
步骤二 · 设置激励§
| 项 | 值 |
|---|---|
| 起始频率 | 700 MHz |
| 终止频率 | 1000 MHz |
| 源功率 | -20 dBm |
步骤三 · 测耦合特性（图 2-9 接法）§
测量 → S21
格式 → 对数幅度
搜索 → 最大值 # 找到耦合度最大的频点（中心频率）
记录：
| 量 | 频率 | $|S_{21}|$ dB | 备注 |
|---|---|---|---|
| 中心频率 $f_0$ | 940.5 MHz | -10.265 | 也是耦合峰频率 |
| 中心耦合度 | 940.5 MHz | 10.265 dB | 取绝对值 → 习惯写正值 |
图：耦合态 $S_{21}$ 峰值约为 $-10.265\,\mathrm{dB}$，对应耦合度约 $10.3\,\mathrm{dB}$。
读 $|S_{12}|$、$|S_{11}|$、$|S_{22}|$（各端口反射）：
| 量 | 代表频点 | 读数 |
|---|---|---|
| $|S_{12}|$ | 940.5 MHz | -10.259 dB |
| $|S_{11}|$ | 1.0 GHz | -38.242 dB |
| $|S_{22}|$ | 788.5 MHz | -16.545 dB |
互易性预期：$|S_{12}| \approx |S_{21}|$。
步骤四 · 测传输特性（图 2-8 接法）§
测量 → S21
格式 → 对数幅度
记录中心频率附近：
| 量 | $|S_{21}|$ dB（直通） | 备注 |
|---|---|---|
| 直通插损 | -1.249 @ 850 MHz | 这是「主路传输损耗」 |
图：传输态 $S_{21}$ 代表读数为 $-1.249\,\mathrm{dB}$ @ $850\,\mathrm{MHz}$。同一器件切换接法后，$S_{21}$ 的含义从“耦合端输出”变成“直通端输出”。
步骤五 · 计算四个工程参数§
| 参数 | 公式 | 你的结果 |
|---|---|---|
| 耦合度 $C$ | $-20\log_{10}|S_{21}^{\text{coupling}}|$（步骤三 $|S_{21}|$ 取绝对值） | 10.265 dB |
| 直通插损 | $-20\log_{10}|S_{21}^{\text{thru}}|$（步骤四 $|S_{21}|$） | 1.249 dB |
| 输入驻波比 | 由传输态 $S_{11}=-24.377\,\mathrm{dB}$ 转换：$\rho = (1+|\Gamma|)/(1-|\Gamma|)$ | $|\Gamma|=0.060$，$\rho\approx1.13$ |
| 工作频带 | 700-1000 MHz 内反射读数总体优于约 -16 dB | 端口匹配满足实验要求 |
数据写成报告时可以这样收束：耦合态 $S_{21}=-10.265\,\mathrm{dB}$，所以耦合功率比
$$ \frac{P_2}{P_1}=10^{-10.265/10}\approx0.094 $$
即约 9.4% 的输入功率被耦合到副线。传输态 $S_{21}=-1.249\,\mathrm{dB}$，说明主路直通损耗较小；传输态 $S_{11}=-24.377\,\mathrm{dB}$、$S_{22}=-25.073\,\mathrm{dB}$ 换算驻波比分别约 1.13、1.12，端口匹配良好。
步骤六 · 进阶：方向性 / 隔离度§
完整测方向性需要把信号从输入端口注入、把端口 2 接到耦合端、把直通端 + 隔离端各接 50 Ω；然后再做一次测量，把端口 2 切到隔离端。差值即方向性。具体接法见思考题 2。
四、易错§
- 接法切换没换匹配头：耦合特性测量时漏接 50 Ω 在输出端，会让 $S_{21}$ 包含输出端反射回来的二次信号
- 耦合度的正负：屏幕读数是 $|S_{21}|$ 的 dB，往往是负值；写「耦合度」时取绝对值
- 互易性偏差：实测 $|S_{12}|$ 和 $|S_{21}|$ 应几乎相等。差超过 0.5 dB 通常是接头连接松动或电缆相位漂移
- 中心频率漂移：耦合微带线对介质常数和温度敏感，实验前后 $f_0$ 可能变 1–2%；要记下当时的室温
五、Mini 自检§
Q1：测得 $|S_{21}|^{\text{coupling}} = -19.8\,\mathrm{dB}$，$|S_{21}|^{\text{thru}} = -0.4\,\mathrm{dB}$，$|S_{11}|=-22\,\mathrm{dB}$。 （a）耦合度是多少？ （b）输入驻波比是多少？
（a）$C = 19.8\,\mathrm{dB}$ （b）$|\Gamma|_{S11}=10^{-22/20}=0.0794$；$\rho = (1+0.0794)/(1-0.0794) = 1.17$
Q2：理想 -20 dB 耦合器在中心频率，主路应留下多少功率（dB）？
输入功率 $P_1$，耦合到副线 $P_2 = 0.01 P_1$，则主路 $P_3 = 0.99 P_1$，对数损耗 $-10\log_{10}(0.99)\approx 0.044\,\mathrm{dB}$。所以理想 -20 dB 耦合器的直通插损 ≈ 0.04 dB（几乎不损耗）。这说明耦合度 $C$ 越大，主路越透明。