《微波技術(shù)與天線》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書南京工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院通信工程系-2-實(shí)驗(yàn)一 微波測(cè)量系統(tǒng)的熟悉和調(diào)整實(shí)驗(yàn)二 電壓駐波比的測(cè)量-9-實(shí)驗(yàn)三 微波阻抗的測(cè)量與匹配-實(shí)驗(yàn)四 二端口微波網(wǎng)絡(luò)阻抗參數(shù)的測(cè)量- 1 - 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉波導(dǎo)測(cè)量線的使用方法；2. 掌握校準(zhǔn)晶體檢波特性的方法；3. 觀測(cè)矩形波導(dǎo)終端的三種狀態(tài)（短路、接任意負(fù)載、匹配）時(shí)，TE 波的電10場(chǎng)分量沿軸向方向上的分布。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 傳輸線的三種狀態(tài)V對(duì)于波導(dǎo)系統(tǒng)，電場(chǎng)基本解為E e E e0iftiftrb/a)rrm(1) 當(dāng)終端接短路負(fù)載時(shí)，導(dǎo)行波在終端全部被反射純駐波狀態(tài)。E E x)e E x)eyy0ay0

2、a在 x=a/2 處E E (e e )2E sinziftiftyy0y0其模值為： E 2E sin zyy0最大值和最小值為：EE 2E 0r r r0(2) 終端接任意負(fù)載時(shí)，導(dǎo)行波在終端部分被反射行駐波狀態(tài)。 x)eaE E x)e Eyy0ay0在 x=a/2 處E E e Eefit (E eift Eefit)(Eefit Ee)fit fityy0y0y0y0y0y0(E E )e 2E cos zifty0y0y0由此可見，行駐波由一行波與一駐波合成而得。其模值為：- 2 -E (E E) (z E E) 2 z22yy0y0y0y0可得到最大值和最小值為：EE E Eyy

3、0y0maxmin E Eyy0y0(3) 終端接匹配負(fù)載時(shí)，導(dǎo)行波僅有入射波而無(wú)反射波行波狀態(tài)。E E eiftyy0其模值為E Eyy0示讀數(shù)。2. 由測(cè)量線的基本工作原理可知，指示器的讀數(shù) 1 是探針?biāo)谔帉?duì)應(yīng)的檢波電流。任一位置處與 I的對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)視檢波晶體二極管的檢波特性而定。一般，這種關(guān)系可通過(guò)對(duì)二極管定標(biāo)而確定。所謂定標(biāo)，就是找出電場(chǎng)的歸一化值與 I的對(duì)應(yīng)關(guān)系。EE Emax我們知道，當(dāng)測(cè)量線終端短路時(shí)：E 2E sin z0E 2E0maxE sin z sindg d E dg晶體二極管上的檢波電壓 u 正比于探針?biāo)谔?。所以上式可?u 的歸一- 3 -化值 u來(lái)表示。即：

4、uu dug晶體二極管的檢波電流 I與檢波電壓 u 之間的關(guān)系為：I n式中 c為比例常數(shù)，n 為檢波率。nI csindg式中 為比例常數(shù)。3. 當(dāng)測(cè)量線的探針插入波導(dǎo)時(shí)，在波導(dǎo)中會(huì)引入不均勻性，從而影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。支路。即探針等效為一個(gè)導(dǎo)納y g 。其中g(shù) 反映探針吸收功率的大小，ppppb 表示在波動(dòng)中產(chǎn)生反射的影響。在信號(hào)和測(cè)量系統(tǒng)匹配的條件下，由于 g 的ppg 和 b 將造成誤差。為了減小測(cè)量誤差，必須要減小或消除g 和 b 的影響。減pppp小 g b 的影響要依靠調(diào)諧來(lái)達(dá)到。pp探針的調(diào)整辦法：1 取較小的探針插入深度。2 將測(cè)量系統(tǒng)短路時(shí)，將探針移至相鄰兩個(gè)波節(jié)之間正中位

5、置（即波腹 b 已達(dá)到最p小。需要指出的是，當(dāng)信號(hào)源的頻率或探針插入深度改變時(shí)，必須重新對(duì)探針進(jìn)行調(diào)整。- 4 -三、實(shí)驗(yàn)儀器及線路圖圖1四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1調(diào)整測(cè)量線（1） 開啟信號(hào)源。對(duì)波導(dǎo)系統(tǒng)的 XB9A操作時(shí)，直接打開“電源”開關(guān)即可，經(jīng)過(guò) 20 分鐘左右信號(hào)輸出穩(wěn)定。（2） 按圖 11 （3） （4） 度的 2/3 量程以上。2繪制晶體定標(biāo)曲線（1） 用交叉讀數(shù)法測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng) ，并確定任一波節(jié)點(diǎn)位置 D （坐標(biāo) d 的gmin 12 所示。（2） 在相鄰的波節(jié)點(diǎn)與波腹點(diǎn)之間大約取 10 D 開始依次將探針移到這些點(diǎn)上，并讀取測(cè)量線上的標(biāo)尺刻度 D 與相mini應(yīng)的指示器讀數(shù) l。i-

6、 5 -IDD圖2D3測(cè)繪終端三種負(fù)載時(shí)的分布（1） 測(cè)量線終端接短路器：在大約 1 個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，每半個(gè)波長(zhǎng)范圍取 10 個(gè)點(diǎn)，依次將探針移到這些位置上并讀取測(cè)量線標(biāo)尺刻度 D 和相應(yīng)的指示i器讀數(shù) l。i（2） 測(cè)量線終端接任意負(fù)載，重復(fù)步驟（1（3） 測(cè)量線終端接匹配負(fù)載，重復(fù)步驟（1五、數(shù)據(jù)處理1晶體定標(biāo)（1） 計(jì)算波導(dǎo)波長(zhǎng)gDDDD2 (D D )(D D )min1min222gmin1min1min2min2g3min1min2- 6 -終端負(fù)載:短路相對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度(uA)sinl g g g g g g g g g g終端負(fù)載:開路、任意負(fù)載（各 1 份表格） - 7 - g g

7、 g g g g g g g g（2） 計(jì)算 di 及|d D DiiminE sindig2測(cè)繪 分布：（1） 在晶體定標(biāo)曲線上找出 li 對(duì)應(yīng)的|;i（2） 在直角坐標(biāo)紙上繪出三種狀態(tài)的|D 分布曲線。ii六、思考題1測(cè)量線的使用中應(yīng)注意什么問題？為什么？2如果要實(shí)現(xiàn)終端開路，將測(cè)量線后直接開路是否可以？為什么？- 8 - 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆沼弥苯臃y(cè)量中、小電壓駐波比。二、實(shí)驗(yàn)原理電壓駐波比的測(cè)量是微波測(cè)量中最基本、最重要的內(nèi)容之一。測(cè)量線的一端接上信號(hào)源，另一端接上負(fù)載阻抗后，便會(huì)在測(cè)量線里形成駐波。駐波的大小可以用駐波比來(lái)表示。EEEES 式中為電場(chǎng)的歸一化值（相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)）。檢波電流）和

8、最小場(chǎng)強(qiáng)（實(shí)際測(cè)出的是與它對(duì)應(yīng)的檢波電流）。從而由公式計(jì)算出S。量值小于真值。所以，在滿足指標(biāo)要求的情況下，要盡量減小探針穿伸度。而探針的電納將使駐波發(fā)生畸變，即駐波的波腹和波節(jié)位置發(fā)生偏移。時(shí)，不僅能得到高靈敏度的指示，而且駐波位置的測(cè)量誤差最小。因而，為了準(zhǔn)接以匹配負(fù)載。測(cè)量駐波位置和波導(dǎo)波長(zhǎng)時(shí)必須以測(cè)波節(jié)點(diǎn)位置為依據(jù)。在我們實(shí)驗(yàn)中所使用的功率電平范圍內(nèi)，一般可近似地認(rèn)為是平方率檢波即：I C E2maxmaxI C E2minmin式中C為比例系數(shù)，則：- 9 -IEmaxCmaxIE minCminEIIS maxmaxminEmin三、實(shí)驗(yàn)儀器及線路圖1四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1按圖 21

9、 連接實(shí)驗(yàn)線路，開啟信號(hào)源，調(diào)整測(cè)量線，測(cè)量晶體定標(biāo)之各參數(shù)。2將被測(cè)負(fù)載接于測(cè)量線終端，移動(dòng)探針，測(cè)量 I 和 I 。maxmin五、數(shù)據(jù)處理根據(jù) I 與 I ，由晶體定標(biāo)曲線查得相應(yīng)的| 與| ,由maxminmaxminEES 計(jì)算 S，并與由- 10 -IIS計(jì)算得到的 S 進(jìn)行比較。駐波比 S查定標(biāo)曲線 平方率檢波波腹點(diǎn)波節(jié)點(diǎn)六、思考題1用直接法測(cè)量得到的電壓駐波比與用公式直接計(jì)算得到的結(jié)果是否有不同，如果有不同，請(qǐng)考慮一下引起這個(gè)的原因。2考慮一下用其他測(cè)量電壓駐波比的方法。- 11 - 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握應(yīng)用測(cè)量線測(cè)量微波阻抗的原理與方法，熟練掌握 smith 圓圖的應(yīng)用。2掌

10、握利用阻抗調(diào)配器進(jìn)行阻抗匹配的方法和技巧。二、 實(shí)驗(yàn)原理1阻抗測(cè)量由于微波系統(tǒng)阻抗的概念不是唯一的，所以一般并不進(jìn)行阻抗絕對(duì)值的測(cè)量，而是測(cè)量其歸一化阻抗。根據(jù) smith 圓圖的原理，只要知道了終端接負(fù)載阻抗時(shí)的線上駐波比 S，線上波導(dǎo)波長(zhǎng)和線上從終端到距離他第一個(gè)波節(jié)點(diǎn)之間的距離 L min1Z圖求得歸一化阻抗 。LZL0Lmin1圖1在這三個(gè)數(shù)據(jù)中，由于測(cè)量線的結(jié)構(gòu)限制，直接測(cè)量終端負(fù)載到第一個(gè)駐波波節(jié)點(diǎn)的距離 L min1 32(a)波節(jié)點(diǎn)位置 d ，此位置即為終端的等效位置。當(dāng)終端接被測(cè)負(fù)載時(shí)，線上的駐波T- 12 -分布如圖 32(b)所示，用測(cè)量線測(cè)得 d 左邊（向信號(hào)源方向）第

11、一個(gè)駐波波節(jié)T點(diǎn)位置 d 就是離終端負(fù)載第一個(gè)駐波波節(jié)點(diǎn)的位置。所以 L =| -d |minmin1 dminTZLd T圖22阻抗匹配阻抗匹配的含義是使微波系統(tǒng)沿線沒有反射，它還包括對(duì)波源的匹配和對(duì)負(fù) H雙 T 接頭構(gòu)成的雙 T 導(dǎo)系統(tǒng)）和三枝節(jié)調(diào)配器（同軸系統(tǒng)）對(duì)負(fù)載進(jìn)行調(diào)配。調(diào)配過(guò)程的物理意義為：調(diào)節(jié)調(diào)配器，使它產(chǎn)生一個(gè)反射波，抵消“失配負(fù)載”在系統(tǒng)中引起的反射。- 13 -雙 T 調(diào)配器的 H 臂和 E 臂內(nèi)，三枝節(jié)調(diào)配器的每一個(gè)臂內(nèi)，都裝有可調(diào)短路器，裝有短路活塞，改變活塞在臂中的位置，即可改變接頭處的電抗值。調(diào)節(jié)這些臂的短路活塞位置，可以對(duì)除純電抗負(fù)載外的任意失配負(fù)載阻抗進(jìn)行調(diào)配

12、。實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)，如果駐波不太大，可先調(diào)節(jié) E 臂活塞，使駐波系數(shù)減至最小。然后再調(diào)節(jié) H 臂活塞，就可以得到近似的匹配 1.02。如果駐波系數(shù)較大，就需要反復(fù)調(diào)節(jié) E 臂和 H 臂的活塞，才能將輸入駐波系數(shù)降低到很小的程度。從理論上說(shuō)，雙 T 調(diào)配器除了純電抗的負(fù)載外，任何其他負(fù)載阻抗都可以調(diào)到匹配狀態(tài)。三、 實(shí)驗(yàn)儀器及線路1阻抗測(cè)量圖3- 14 -2. 阻抗匹配可 變圖4四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1測(cè)負(fù)載阻抗（1）按圖 33 連接測(cè)量線路，并調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)。（2）按測(cè)量線終端接上短路器，用測(cè)量線測(cè)出 及最靠近短路器的第一個(gè)駐波g波節(jié)點(diǎn)的位置 d 。T（3）取下短路器，接上被測(cè)失配負(fù)載，用測(cè)量線測(cè)出最靠

13、近 d 點(diǎn)的駐波波節(jié)點(diǎn)T的位置 d 或 d 。minmin則終端負(fù)載輸入端到第一個(gè)駐波波節(jié)點(diǎn)的距離為：L (d d 或L(d d)minminTminTmin（4）用測(cè)量線測(cè)出駐波最大點(diǎn)和最小點(diǎn)的電流 I 和 I ，按下式求出駐波比：maxminIIS Z（5）將測(cè)量得到的 ，L ，S 用 smith 圓圖計(jì)算負(fù)載阻抗歸一化值。gminL在計(jì)算時(shí)應(yīng)該注意：若測(cè)d （在 d 左邊）查圓圖時(shí)，要逆時(shí)針方向（即向minT2阻抗匹配按圖 34 連接測(cè)量線路，用最小點(diǎn)跟蹤法進(jìn)行調(diào)配（在調(diào)節(jié)過(guò)程中始終跟 S1.1。- 15 -五、 數(shù)據(jù)處理阻抗測(cè)量ZgdTd 或 dL 或 SminminminminL匹配

14、前駐波比 S匹配后駐波比 S六、 思考題1用測(cè)量線測(cè)微波阻抗應(yīng)注意什么問題？2用上面的方法能否驗(yàn)證匹配原理？為什么？- 16 - 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆杖我鉄o(wú)源二端口可逆網(wǎng)絡(luò)阻抗參數(shù)的測(cè)量方法之一三點(diǎn)法。二、實(shí)驗(yàn)原理如圖 41 T 接任意歸一化負(fù)載2Z，其中 Z Z Z Z 為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)歸一化阻抗參數(shù)。11 12 21 22LTT12ZZZ1121ZinLZZ 22圖1由網(wǎng)絡(luò)理論可知，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的歸一化轉(zhuǎn)移矩陣為：1 Z 21Z Z Z Z Z a 1111 2212 211Z22Z則參考面 T 處的歸一化輸入阻抗為：1inZ ZZ Z 21 12ZZm1122L由于網(wǎng)絡(luò)可逆，即 Z =Z ，則1221

15、Z212ZZ Z in11Z22LZ 1當(dāng)（參考面 T 接匹配負(fù)載）時(shí)，參考面T 的歸一化輸入阻抗為：21LZ212Z Z Z 1in1122- 17 -Z 0當(dāng)當(dāng)（參考面 T 接短路器）時(shí)，參考面T 的歸一化輸入阻抗為：21LZ212Z Z in,S11Z22Z （參考面 T 開路）時(shí)，參考面T 的歸一化輸入阻抗為：21LZ Zin,聯(lián)立上面三式，可解得被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的歸一化參數(shù)：Z Z11in,Z ZZ in,inZZ22inin,SZ Z (Z Z )1222in,in,S由此可見對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的參考面 T 2參考面 T 1Z 、Z 、Z 。三點(diǎn)法由此而得名。111222如果網(wǎng)絡(luò)又是對(duì)稱的，Z =Z ，則只需要進(jìn)行兩次測(cè)量即可。1112三、實(shí)驗(yàn)儀器及線路可 調(diào)圖2四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟由三點(diǎn)法測(cè)量（被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的歸一化阻抗參數(shù)）原理可知，二端口網(wǎng)絡(luò)阻- 1