電磁場與電磁波實驗指導2011版本

1、1目 錄實驗一、GUNN 振蕩器 .1實驗二、調制器和晶體檢波器.6實驗三、波導內的波長測量.12實驗四、Q 值和諧振腔帶寬的測量 .18實驗五、駐波比的測量.22實驗六、阻抗測量.252實驗一、實驗一、Gunn 振蕩器振蕩器一、一、 實驗目的實驗目的1、掌握微波信號源Gunn振蕩器的理論和操作方法2、掌握Gunn振蕩器電壓、電流、功率和頻率之間的關系二、二、 實驗設備實驗設備AT3000三厘米波導實訓系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計、示波器、SWR表三、三、 實驗原理實驗原理A、Gunn 效應Gunn 效應也稱電子遷移效應，是 1963 年 Gunn 發(fā)現(xiàn)的，如圖 11，當小的直流電壓加到硅材料薄片

2、上時 Gunn 在他的實驗方法里使用的是GaAs(砷化鎵）和 InP（磷化銦） ，在一定的條件下呈現(xiàn)出負阻（negative resistance）特性。一旦產生負阻，就能夠很容易地通過連接負阻到調諧電路產生振蕩。保持半導體材料的負阻狀態(tài)的條件是：保持加在半導體上的電壓梯度超過 3000V/cm。半導體微波源的最適當?shù)恼{諧電路就是諧振腔。圖 11 外延 GaAs Gunn 半導體側視圖Gunn 效應只發(fā)生在 n 型半導體材料上，這是半導體自身特性的結果。研究發(fā)現(xiàn)有關結或連接點的特性的任何參數(shù)和電壓、電流都不影響 Gunn 效應，只有電場是需要高于閾值的，才能保持振蕩。Gunn 二極管對磁場不敏

3、感，因此，它對任何入射磁場都不響應。振蕩器的頻率主要取決于電子束穿過材料薄片的時間。B、負阻和轉移電子效應3圖 12 是 GaAs 的能帶和能級。注意到這種材料（GaAs）在能級的頂部具有空能帶，部分滿的能帶在空能帶下面，當 N 型材料參雜入這種材料并有電壓加在二極管上時，將有剩余電子產生流動。圖 12 GaAs Gunn 二極管的能級流過二極管的電流與電壓成正比，電流方向朝著 GaAs 的正極。電壓越高、電流越大的情形等效于正電阻。然而，當電壓達到足夠高時，電子不會再流動的更快些，而是遷移到更高的能帶。此能帶空穴多，遷移率低，結果電流減少了，二極管就表現(xiàn)出負阻現(xiàn)象。電子從低能級遷移到高能級叫

4、做轉移電子效應。如果電壓繼續(xù)增加，高能帶的電子遷移率就會增加，進而導致電流增加。C、Gunn 疇GaAs 振蕩器的頻率與電子束的形成和轉移時間有關。負阻效應是理解Gunn 振蕩器的重要因素。然而，僅有負阻效應并不能完全解釋振蕩器內發(fā)生的所有過程，另一個重要的因素就是疇(domains)的形成，或 Gunn 疇。 GaAs 內自由電子的總數(shù)依賴于 GaAs 內參雜的 N-型材料的密度。因為其參雜密度不是必須一致的，所以參雜密度低的地方自由電子就少一些。由于自由電子少一些意味著導電率也就低一些，因此，這樣的區(qū)域電勢（potential）差比自由電子多的區(qū)域大，當施加的電壓增加時，足夠的電壓梯度導致

5、負阻疇，所以電子遷移效應就先發(fā)生在這個區(qū)域。上述的疇是不穩(wěn)定的。疇里的電子由于快速遷移而被分離，前面的電子向前移動的速度快，后面的聚成（電子束） ，這樣，整個疇以 107cm/S 的速度穿過硅片到達正極。當疇里發(fā)生電子遷移效應時，電子移動到低導電高能帶，少量電子留在4導帶，此時降低了此區(qū)域的導電率。如前面章節(jié)的解釋，這導致電勢梯度增加,使疇可以移動。因此，電子的傳輸和疇的移動過程自己重復著，這就是所謂的“自我塑造/再生” 。當疇到達二極管的陰極，將產生一個脈沖到與之相連的諧振腔電路，形成振蕩。實際上，Gunn 二極管的振蕩是由到達負極的脈沖導致的，比用二極管的負阻特性來解釋更為合適。D、Gun

6、n 振蕩器圖 13 是 AT3000 使用的 Gunn 振蕩器圖 13 AT3000 中的 Gunn 振蕩器盡管振蕩器設計的可以避免副振蕩模式振蕩，振蕩器還是提供了調諧功能以備有必要細調時使用。四、四、實驗過程實驗過程如圖 14 連接實驗設備電 源耿氏振蕩器可變衰減器同軸/波導轉換器功率計VmA圖 14 建立 Gunn 二極管的電流和電壓的特性測試A、電流與電壓關系的特性。5(1) 將電壓調到 4V，將可調衰減器調到 10dB，這樣可以保證隔離Gunn 振蕩器。(2) 每次將電壓調高 0.5V（注意：不可以超過 10V） ，測量并將每次的電流記錄為：二極管電流與電壓關系的特性表。(3) 將電壓

7、減到 0V，根據(jù)表 11 繪制一個 V-I 曲線。B、振蕩器輸出功率與輸入電壓關系的測量。(1) 打開功率表的電源，并校零。(2) 每次將電壓調高 0.5V（注：不可以超過 10V） ，并記錄每次功率表的功率讀數(shù)和衰減值。(3) 將讀到的功率值從 mW 轉換為 dBm，然后加上衰減值（dB）到 dBm.例如：假設功率讀數(shù)是 6.3mW，電源電壓是 8.5V，用dBm10log6.3=8dBm 加上 3dB 的衰減，那么總功率應該是11dBm?，F(xiàn)在轉換 Gunn 二極管的輸出功率 11dBm 到 mW：(4) 重復(3)，并完成表：電源電壓和與輸出功率的關系表。(5) 畫圖表示出電源電壓與輸出功

8、率之間的關系。C、振蕩器輸出頻率與電源電壓關系的測量。(1) 如圖 17，架設設備。將電源電壓調至 9V，將衰減器調到最大衰減，將功率表撥到 1.0 量程，減少衰減直到功率表的讀數(shù)接近刻度的右側(大約 0.8 到 1mW)。慢慢地調整頻率表，觀察功率表，當功率表的讀數(shù)有大幅下降時，頻率表的讀數(shù)就是 Gunn 振蕩器的頻率。(2) 將電源電壓從能夠發(fā)生振蕩的最低電壓調到最高電壓（10V） ，每次增加 1V，完成頻率與電壓的關系表。注意頻率表的每個刻度是10MHz。6電 源耿氏振蕩器可變衰減器頻率計同軸/波導轉換器功率計VmA圖 17 連接振蕩輸出頻率與電源電壓關系的測量實驗二、實驗二、調制器和晶

9、體檢波器調制器和晶體檢波器一、一、實驗目的實驗目的1、掌握 PIN 二極管調制器的基本原理及操作。2、掌握晶體檢波器的基本理論及操作。二、二、實驗設備實驗設備AT3000三厘米波導實訓系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計、示波器、SWR表三、三、實驗原理實驗原理 A、PIN 二極管如圖 21(a)，PIN 二極管由 P 材料、N 材料以及兩者夾心的一個薄絕緣體(Insulator)構成，因此叫做 PIN 二極管。P 和 N 的厚度比絕緣體的厚度更重要。在反向偏壓和微波頻率下 PIN 二極管是高阻和電容元件。它是一個雪崩效應元件，在正向偏壓條件下，絕緣體里發(fā)生雪崩效應，允許 P 的空穴和 N 的電子流通，因

10、此，絕緣體成為有效導體。圖 21(b) 表示 PIN 二極管的等效電路。圖 21(c) 和 (d) 是等效電路被修改為偏壓后的結果。7(a) 構造 (b) 等效電路 (c) 反偏等效電路 (d) 正偏等效電路圖 21 PIN 二極管的結構和等效電路PIN 二極管調制器有一個與波導交叉連接的二極管，當偏壓按足夠大的方波（低頻）變化，并且波導內有微波時，二極管具有調制器功能。當二極管被反向偏置時，不影響能量流通，當其被完全或部分地去除反向偏置時，可以使二極管控制能量流。這種使用絕緣體在 P 和 N 之間的調制器具有優(yōu)良的調制性能，因為它在調制過程中可以使整流和諧波產生的影響最小。B、晶體檢波器晶體

11、檢波器是一種可以按“平方律”特性檢測微波信號的元件，點接觸鍺或硅晶體的二極管是最常見的晶體檢波器。有時，輻射熱測量儀也用于微波檢測，此器件主要是用來測量微波功率的。典型的晶體檢波器如圖 22 和圖 23(a)和(b)。在圖 22 里兩個濾波器(輸入高通和輸出低通)是用來分離微波和直流輸出的。8圖 22 典型晶體檢波器電路圖 23 晶體檢波器的 V-I 特性在圖 23 中，我們來關注二極管的電流和電壓的關系。一般來說，圖 23 中的一條曲線可以近似地用電壓的冪的泰勒級數(shù)來表示。 (2-1)通常，前三項已經(jīng)足夠近似于整個方程。如果電壓表示為V=Acost這里 A 是振幅， 等于 2f將 V 代入式

12、 21,得出i=a0+a1(Acost)+a2(Acost)2+ (2-2)用9 得出a2 A2i= a0+a1(Acost)+2(1+cos2t)+. (2-4)現(xiàn)在，平方律的特性已經(jīng)明顯了，在等式 24 里，項已經(jīng)包含直流分量 ，二次諧波表達為。因此我們可以說，檢波器的電流正比于微波電壓的振幅 A 的平方。這個概念只在一定的信號電平內有效；在信號電平更高時，式 24 中更多的項需要考慮，二極管不再被當作平方律器件了。除圖 22 的檢波電路之外，二極管本身可以表達為等效電路的項。圖 24 表示一個完整的等效電路。圖 24 檢波器的等效電路圖 24 中，Ro 和 C 代表結的阻抗，r 是二極管

13、的體電阻。檢波器的品質因數(shù)是檢波公式的電壓和電流的靈敏度，表達為：1cos2t=2(1+cos2t) (2-3)開路電壓RoIdc電壓靈敏度=輸入功率=Pin (2-5)短路電流Ro/(r+ Ro)電流靈敏度=輸入功率= Pin(2-6)10為了使輸出功率最大化，必須匹配二極管的微波阻抗和波導的特征阻抗。匹配阻抗的另一個好處是使來自檢波器的反射最小化，因為反射影響測量的準確度。二極管能夠檢測到的最小信號電平取決于二極管的噪聲。二極管在存在噪聲時檢測信號的能力叫做檢波器的正切靈敏度(TSS)。圖 25 中簡要畫出了 TSS 的概念。圖 25 二極管的 TSS在圖 25 中，方波調制的微波信號被檢

14、波、放大并顯示在示波器上。TSS 的真正意思是必須使方波的最小微波功率高于噪聲。檢波器的 TSS主要依靠檢波器前的放大器的帶寬，因為指定范圍內的噪聲幅度決定于帶寬。微波檢波器的典型參數(shù)是 1MHz 帶寬和-50dBm 的 TSS.四、四、 實驗過程實驗過程電 源耿氏振蕩器PIN 調制器可變衰減器檢波器方波發(fā)生器示波器圖 26 方波調制的測試連接圖(1)如圖 26 連接實驗設備。(2)給 Gunn 振蕩器加+12V 電源。(3)調節(jié)衰減器到 10dB。(4)調整方波發(fā)生器到 1kHz 和 2Vp-p 輸出，連接到 PIN 調制器。(5)調節(jié)示波器，使屏幕上的方波的頂部對齊參考電平線。11(6)調

15、整衰減器使屏幕上的方波的底部對齊參考電平線(7)調到 1Vp-p 負方波，重復以上的測量。(8)用以下公式計算 2Vp-p 和 1Vp-p 的兩個調制輸入的調制深度。VmaxAdB=20log(Vmin) (2-7)A 是 (3) 和 (6) 之間的衰減設置的差值。Vmax/ Vmin-1m=Vmax/ Vmin+1 (2-8)這里，m 是調制深度。如圖 27 表示方波調制和檢波的波形。 圖 27 方波調制和檢波從圖 27 中可以看出，衰減設置差值 A 可以表示為：PmaxVmaxAdB=10 logPmin=20 logVmin(2-9)1213實驗三、實驗三、波導內的波長波導內的波長測量測

16、量一、實驗目的一、實驗目的1、學習波導理論2、通過實驗學習自由空間與波導內的微波傳播的波長二、實驗設備二、實驗設備AT3000三厘米波導實訓系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計、示波器、SWR表三、實驗原理三、實驗原理 微波波導是矩形或圓形截面的空金屬管。在本實驗里使用的是矩形波導。下面的數(shù)學分析是以矩形波導分析的。假設用戶具有波動方程的基本知識,那么原形波導可以用圓柱坐標,并用相似的方法分析。我們從波動方程開始分析。A、波動方程簡化的波動方程表達如下：+k=0 (3-1)這里，(x,y,z)是標量波函數(shù)k 表示波數(shù),定義為：k= (3-2)在理想電介質里,在直角坐標系中,(3-1)變成： + + +k=

17、0 (3-3)x y z直角坐標系被建立了,如圖 3-1.Z 是傳播方向。我們的目的是為了得到一個這樣的公式：G(x,y)f(z) (3-4) 這里,f 只是 z 的函數(shù),g 只是 x 和 y 或其他合適的橫向坐標的函數(shù)。 用變數(shù)分離法解(3-3),求 ：=A1cos(KxX)+A2sin(kxX)B1cos(KyX)+B2sin(KyX) C1e-jgz+C2e+jgz (3-5)14xybaz圖 3-1 矩形波導在矩形坐標系里由于電磁波傳播只發(fā)生在 Z 軸上,這里,Kx+Ky=K并且 z=-jg(g=2/波長)。電磁波在 z 軸正方向傳播可用 e 來表示,因此,相應的e 表示在 z 軸的負

18、方向.我們對三種傳播模式感興趣:一、TEM(橫向電磁波)模式：在此模式里,電場和磁場都是橫向傳播的,因此,在傳播方向上沒有場分量,TEM 波不存在于波導.二、TE(橫向電波)模式或 H 模式:在次模式里,沒有電場存在與 z 方向,然而,有磁場存在于 z 方向,因此所有的場分量都來自于磁場的軸向分量Hz。 三、TM（橫向磁波）模式或 E 模式：在此模式里，沒有磁場存在于 z 方向，然而，有電場存在于 z 方向，因此，所有的場分量都來自于電場的軸分量 Ez。 TE 和 TM 波是在空的波導內傳播的波。我們將盡量用數(shù)學方法計算 TE 模式的場分量。假設波導的內壁是用完美的導體制成的（=） ，并且波導

19、內充滿了理想的介質（=0） ，則場公式就可以簡化了。這些是必要條件：(1)TEmn 模式如果只考慮+z 方向，公式 3-5 可以寫成 Hz 的公式：Hz=A1cos(KxX)+A2sin(kxX)B1cos(KyX)+B2sin(KyX)(c1e)=De-jgz 15（3-6）波導的邊界條件：橫面磁場波的垂直分量（normal component）在理想導體的波導壁上必須消失：正切的電場在波導壁上也要消失。所以，如 3-6 中定義的， “D”的要求是：D/x=0 at x=0,a (3-7)D/y=0 at y=0,b (3-8) 將公式（3-7） 、(3-8)代入公式（3-6）中，指定特定常

20、數(shù) Kx 和 Ky 的值。 Kx=n/a n=0,1,2, Ky=m/a m=0,1,2, 通過以上關系，代入 AiBi=Anm，得出”D”的表達式：D=Anmcos（nX/a）cos(nY/b) （3-9）n=0，1，2，；m=0,1,2,；n=m0Hz 的最終公式為：Hz=Anmcos（nX/a）cos(nY/b) e （3-10）由公式 3-10 得出相關的橫面 E 場和 H 場，直角坐標的麥克斯韋方程為： 2222cossin.(3 11)sincos.(3 12)sinsin.(3 13)cossin.(3 14)j gZxnmcj gZynmcj gZxnmcj gZynmcjmn

21、 Xn YEAeK babjnn Xn YEAeK babj gnn Xn YHAeK babj gmn Xn YHAeK bab 注意： Kc=(n/a)+(n/b)=序號為 nm 模式的截止波數(shù)，且,g=K-Kc且 n=m0。整數(shù) n 和 m 的意義在于 n 或 m 的值表示每個相對 X 和 Y 的場分量半周期變化的個數(shù)，換句話說，每個 n 和 m 的結合代表波導里不同的場位形（或模式） 。（1） TM 模式：除 Hz 必須為 0 以外，獲得 TM 模式的場分布表達式的步驟和 TE 的是很相似的。B、矩形波導的特性16 （1）截止頻率和截止波長指數(shù)形式 e 代表波在+z 方向行進。讓我們從

22、新檢查下面的關系：g=K -Kc) KKc:g 是實數(shù)，e 是真正的+z 的行進方向。）Kcg 是虛數(shù)，傳輸模式在+z 方向隨距離快速衰減，導致傳播截斷。介于傳播和非傳播的頻率之間 的頻率叫做截止頻率。因為，c=2fcc=Kc=(n/a)+(m/b)fc=(n/a)+(m/b)/(2) (3-15)而且，從 K=c 并代入 =2f 和=1（f）,結果K=2。當 K=Kc 時令 c 為截止波長：2c=(n/a)+(m/b)c=2【(n/a)+(m/b)】 （2）矩形波導內的波長 g=K-Kc，g=2g,K=2 和 Kc=2c 得出令 g 為波導波長，從（2g）=（2）-（2c） （3-17）g=

23、(1-(c) (3-18)這里是 空間的波長。為了在波導內傳播，必須 c。這就是說在波導內 g 大于 。換句話說，波導波長比空間波長大。（2） 相速度波導內的相速度或等相點的速度容易從頻率和波導波長得出：p=fg (3-19)需要對 3-19 說明的是，波導內的相速度可以超過真空中的光速3*10m/sec。四、實驗過程四、實驗過程如圖 3-2，連接實驗器件。17方波發(fā)生生器PIN 調制器可變衰減器頻率計測量線選頻放大器（SWR）反射板 圖 3-2 頻率、g 和 的測量實驗連接圖A、頻率測量 （1） 給 Gum 振蕩器加電，給 PINk 調制器送 1KHz、2Vp-p 的方波。（2） 調節(jié)可調衰

24、減器到 10dB，調節(jié) SWR 表時期指示在中間刻度位置。（3） 調節(jié)方波發(fā)生器的頻率，從而使 SWR 的指示最大。（4） 調解頻率計直到 SWR 表指示有大幅下降。將頻率記錄在表 3-1 中，再使頻率計失諧。B、自由空間波長和波導波長的測量（1） 當反射板放在波導的開口前方，反射板垂直于波導。移動反射板，駐波圖形將由于反射板的變化而發(fā)生變化。駐波的變化是通過開槽測量線的探頭檢測的。移動反射板，尋找兩個相鄰的最小檢測值的點，此兩點距離對應自由空間的半波長。將距離記錄在表 3-1 中。（2） 將開槽測量線的出口用短路板蓋住，調節(jié)開槽測量線并定位出shuchudianyazuidide 點，從此點

25、開始尋找相鄰的另一個電壓最低的點。頻率測量的 測量的 g直導波電源耿氏振蕩器18計算的 計算的 g表 3-1 頻率、自由空間的波長、波導波長的測量值和計算值得比較19實驗四、實驗四、Q Q 值和諧振腔帶寬值和諧振腔帶寬的測量的測量一、一、實驗目的實驗目的1、學習諧振腔的理論2、通過實驗學習 Q 值與帶寬之間的關系，學習如何測量諧振腔的 Q 值。二、二、實驗儀器實驗儀器AT3000三厘米波導實訓系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計、示波器、SWR表三、三、實驗原理實驗原理諧振電路對微波振蕩器、調諧放大器和頻率測量等是非常重要的。如圖41 的諧振電路，當頻率不超過 100MHz 時，可用 R、L、C 來表示。

26、圖 41 諧振電路在圖 41 里，(4-1)Ro是并聯(lián)等效電阻，o是諧振頻率，Qo是諧振腔的 Q 值。 (4-2)當 R、C 和 L 為已知時，從公式（41）中，很容易計算出 o、Qo 和 Ro。然而，在微波電路里，諧振腔的分析因為 Q 值太高變得困難?？蓪е轮C振腔難于分析的其他特性有：1、電路的參數(shù)太依賴于傳播模式。2、不像低頻情況。此時電壓和電流的概念變得模糊，導致 Ro難以定義。通常微波中 Ro定義為：20(4-3)這里 E 是在腔內兩點間的最大的電勢，并且 W 是腔內耗散的功率。o、Qo和 Ro可從腔體的尺寸及壁上的功率耗散來尋找。然而由于腔體結構的復雜性，幾乎無法計算 o、Qo和 R

27、o。實際上腔體的少數(shù)參數(shù)測量是有可能確定器件的整個特性的。讓我們考慮如圖 42(a)的腔體系統(tǒng)。圖 42(a) 傳輸腔體在圖 42(a)中，Z01是波導的輸入阻抗，Z02是波導的輸出阻抗，Rg是振蕩器的內部電阻，RL是負載電阻。令 Z01=Rg，Z02=RL ，圖 42(a)的等效電路可以改為如圖 42(b)所示。圖 42(b) 圖 42(a)的等效電路在圖 42(b)中，腔體等效為一個串聯(lián)諧振電路。用兩個理想變壓器耦合，變壓比為1:n1 和 n2:1。此時，輸出功率是 Po = Ey2 / 4Zo。諧振曲線是頻率和諧振腔輸出功率的關系圖，考慮諧振曲線上的兩點，如圖 45 中所示。假設這些點比

28、最大輸出功率發(fā)生時低幾 dB，結果21 (4-4)這里 F 是曲線上最大功率和這兩點處功率的比率。 f 是腔體的帶寬, 是帶寬系數(shù)。圖 42(b)的腔體部分可表示為圖 43。圖 43 圖 42(b)的腔體部份的等效電路仔細觀察圖 43 可得出以下關系：，因為 = (4-5)這里 和 等效電路的阻抗是：(4-6)到達負載的功率是：(4-7)22在諧振點上，公式 46 中虛部變成 0。(4-8)諧振電路的帶寬定義為：最大功率衰減到一半處的兩個頻率的差值。發(fā)生此情況的條件如下：(4-9)這里f 是半功率帶寬。四、四、實驗過程實驗過程用功率測量技術測量 Q 值電 源耿氏振蕩器可變衰減器頻率計功率計同軸

29、/波導轉換器圖 44 Q 值測量連接圖(1) 如圖 44 連接設備。(2)給 Gunn 振蕩器加電，調整功率計量程到1mW，調整衰減器到功率計的最大刻度。 將此時的值記為 P0。(3)慢慢調整頻率計，在功率計讀數(shù)最小處讀出功率和頻率。此時的功率記為 PB，頻率記為 f0。(4)慢慢調整頻率計，尋找兩個功率為P/2 處的頻率(f1 和 f2)。 圖 45 諧振腔的諧振曲線23實驗五、實驗五、駐波比的測量駐波比的測量一、一、實驗目的實驗目的學習如何用開槽測量線或 SWR 表測量 SWRX 。二、二、實驗儀器實驗儀器AT3000三厘米波導實訓系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計、示波器、SWR表三、三、實驗原理

30、實驗原理在傳輸線上任一點，我們可以考慮電磁場是兩個波形的總和：一個流向負載(入射波)，另一個流向發(fā)生器(反射波)。如前面章節(jié)所述，反射的原因是因為阻抗不匹配。線上任何開口都可以認為是阻抗不匹配而且也是產生反射的原因。反射波的幅度和相位依賴于負載阻抗。線的衰減程度也影響反射波的幅度。消除反射的方法就是要么傳輸線無限長，要么傳輸線與負載的阻抗匹配。駐波來自兩個相對方向的行波。正如前面章節(jié)所述，兩個波的向量和在駐波圖上產生最小、最大點。圖 61 表示無損失傳輸線的駐波圖形。圖 51 無損失傳輸線的駐波圖圖 62 表示具有特性阻抗 Zo 和負載阻抗 ZL的傳輸線里的電壓駐波波形。24在圖 62 中，復

31、反射因數(shù)為：Er-Zo- Z=- Ei= +Zo- Z(5-1)這里，Er=反射信號，Ei=入射信號，=給定點的復數(shù)阻抗,用負載表- Z示為：結果，因此圖 52 電壓駐波四、四、實驗過程實驗過程(1)如圖 63，連接 SWR 測量實驗。ZL-ZoL- =ZL +Zo(5-2)Emax| Ei| + | Er|VSWR= SEmin=| Ei| - | Er|.(5-3)S-1|- =S+1(5-4)25選頻放大器(SWR)測量線電 源耿氏振蕩器PIN 調制器固定衰減器方波發(fā)生器可變衰減器滑動螺桿調配器匹配負載圖 53 連接 SWR 測量實驗(2) 將 Gunn 二極管電源調到+12V，不要超過

32、此電壓。(3) 將衰減器調到 10dB。(4) 將 SWR 顯示范圍調到 20-40dB。打開 SWR 表。(5) 打開 Gunn 振蕩器。(6) 將調制信號輸入到 PIN 二極管調制器。(7) 調整 SWR 顯示頻率從而獲得最大表針偏轉。用校正過的衰減器測量高范圍 SWR。(1)將滑動螺旋調諧器的探頭深度調到最大。(2)移動開槽檢測線的探頭直到讀數(shù)最小。(3)調整衰減器到 10dB (稱此值為 A1)，調節(jié) SWR 的增益，直到顯示3dB。(4)移動開槽檢測線的探頭，并調整衰減器，直到出現(xiàn)和上一步相同的最大值。讀此 dB 值(稱為 A2) 并記錄在表 63 中。探頭深度A1 dBA2 dBS

33、WR53 用校正過的衰減器測量 SWR(5)用下式計算 SWR 并填入表 6-3。 (5-6)用不同的探頭深度重復以上過程。26實驗六、實驗六、阻抗測量阻抗測量一、一、實驗目的實驗目的1、根據(jù)傳輸線及波導理論，設計測量傳輸線的阻抗2、根據(jù)設計方案，實際測量并計算以上參數(shù)，以驗證方案的可行性和正確二、二、實驗儀器實驗儀器AT3000三厘米波導實訓系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計、示波器、SWR表三、三、實驗原理實驗原理 在傳輸線上任一點，我們可以考慮電磁場是兩個波形的總和：一個流向負載（入射波）另一個流向發(fā)生器（反射波） 。如前面章節(jié)所述，反射的原因是因為阻抗不匹配，線上任何開口都可以認為是阻抗不匹配而

34、且也是產生反射的原因。反射波的相位和幅度以來于負載阻抗。線的衰減程度也影響反射波的幅度。消除反射的方法就是要么傳輸線無限長，要么傳輸線與負載的阻抗相匹配。駐波來自兩個相對方向的行波。正如前面章節(jié)所述，兩個波的向量和在駐波圖上產生最小、最大點。圖 6-1 表示無損失傳輸線的駐波圖形。 圖 6-1 無損失傳輸線的駐波圖27圖 6-2 表示具有特性阻抗 ZO和負載阻抗 ZL的傳輸線里的電壓駐波波形。在圖 6-2 中，復反射因為： Error!Error!=Er/Ei=(Error!Error!-Zo)/(Error!Error!+Zo) (6-1)這里，Er=反射信號，Ei=入射信號,Error!E

35、rror!=給定點的復數(shù)阻抗，用負載表示為：Error!Error!L =(ZL-Zo)/(ZL+Zo) (6-2)結果：VSWR=S*Emax/Emin=(|Ei|+|Er|)/(|Ei|-|Er|) (6-3)因此|Error!Error!|=(S-1)/(S+1) (6-4) 圖 6-2 電壓駐波特征阻抗為 Zo 的傳輸線，其入射反射信號的反射系數(shù)定義為：Error!Error! =Z-Zo/Z+Zo (6-5)這里，Z=R+JX=連接傳輸線的負載阻抗 =Error!Error!Error!Error!ej=復數(shù)反射系數(shù)P（P）的大小是入射和反射信號幅度的比例，角度 代表反射點的相位角。

36、傳輸線上任意給出的電壓是入射和反射電壓波形的向量和。合成電壓波形叫做28駐波圖形。實際上，當兩個波形同相相加時，在某點形成一個峰。同樣，當兩個波形異相相加時，此點會出現(xiàn)一個谷底或最低電壓。電壓駐波比 VSWR 定義為：VSWR=Emax/Emin=1+Er/Er/1-Er/Ei=1+Error!Error!/1-Error!Error! (6-6) 在距離負載“d”處的反射系數(shù)的相位角決定于： 可由以下 3 個步驟來確定負載阻抗： 通過正確設計的測量獲得波導的數(shù)據(jù)； 確定反射系數(shù)的大小和相位；計算負載阻抗。在第 3 步時應用史密斯圓圖，從已知反射系數(shù)在波導（或傳輸線）上的任意給定點確定阻抗。史

37、密斯圓圖是表示傳輸線長度的阻抗轉換工具圖。表的坐標表示歸一化電阻和電抗，波導的特征阻抗被歸一化為 Zo,VSWR 圓并為包含在圖中，但是可以在需要時以圖中心為圓心用圓規(guī)來畫出。注意，圖外圈距離比例被歸一化到波導波長。通常，最好的學習史密斯圓圖的方法就是試著解決實際問題。我們來看一個例題。例題：一個波導鏈接到 0.6+J1.2 的歸一化負載，波導波長是 42 毫米。a.尋找距離負載 10mm 處的阻抗。b.尋找第一次出現(xiàn) VSWR 最小值時距離負載的距離。解題：a.參考史密斯。 尋找點 A，阻抗為 0.6+J1.2. 從 O 畫直線到 A，此線相交于發(fā)生器方向距離圓 0.15 處。從負載處傳播10mm，相當于從負載傳播 10mm/42mm=0.238g 。 在距離圓上，在 0.15+0.238=0.338 處定位一個點，從 O 處畫一直線。 以 O 點為圓心 OA 為半徑畫圓，B 點的阻抗表示距離負載 10mm 處一點的阻抗。B 點的歸一化阻抗是 0.38-J0.78.29b. C 點的 VSWR=4.3，它是 VSWR 的圖上出現(xiàn)的最大值處。第一個最小值出現(xiàn)處在 D 點，A 點和 D 點的距離是 0.5 -0.15=0.35 。 當解決未知阻抗時，必須建立一個阻抗可以關系到的參考平面。例如，未知阻抗的輸入