實(shí)驗(yàn)四 輸入阻抗測(cè)量及匹配技術(shù).docx

大連理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告姓名： 牛玉博 班級(jí)： 電通1202 學(xué)號(hào)： 201201203 實(shí)驗(yàn)四 輸入阻抗測(cè)量及匹配技術(shù)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1. 應(yīng)用阻抗圓圖，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)求任意負(fù)載的輸入阻抗；2. 了解調(diào)匹配的基本原理和方法，加深對(duì)匹配意義的認(rèn)識(shí)；3. 掌握常用調(diào)匹配器的使用方法和調(diào)配技巧。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1) 求任意負(fù)載的輸入阻抗；2) 用不同形式的匹配器進(jìn)行匹配的使用方法和調(diào)配技巧。2. 實(shí)驗(yàn)原理1) 阻抗測(cè)量的基本原理輸入阻抗是微波元器件或天線系統(tǒng)的主要參數(shù)之一，所以阻抗測(cè)量就顯得尤其重要。本實(shí)驗(yàn)旨在學(xué)習(xí)用駐波測(cè)量線測(cè)量單端口微波元件輸入阻抗的方法。根據(jù)傳輸線理論，微波傳輸系統(tǒng)中駐波分布與終端負(fù)載阻抗有關(guān)系。表征駐波特性的兩個(gè)參量，駐波比及香味Lmin與負(fù)載阻抗的關(guān)系如下：ZL=1-jtandmin-jtandmin （4-1）式中ZL為歸一化負(fù)載阻抗，即單端口微波元件的輸入阻抗，為駐波比，Lmin為終端負(fù)載至相鄰駐波點(diǎn)的距離，參見圖4-1圖4-1 終端負(fù)載至相鄰駐波節(jié)點(diǎn)的距離在測(cè)量線的輸出端接上待測(cè)元件，分別測(cè)量駐波比、波導(dǎo)波長(zhǎng)g及距離Lmin，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)帶入式（4-1）中，或者根據(jù)阻抗（或到哪）圓圖就可以計(jì)算出待測(cè)元件的輸入阻抗（或輸入導(dǎo)納）。在測(cè)量Lmin時(shí)，由于測(cè)量線結(jié)構(gòu)的限制，直接測(cè)量待測(cè)元件的輸入端面到相鄰駐波節(jié)點(diǎn)的距離有困難，所以，在實(shí)際測(cè)量中常采用“等效截面法”進(jìn)行測(cè)量。首先讓測(cè)量線短路，沿線的駐波分布如圖4-2（a）所示，移動(dòng)測(cè)量線探針于測(cè)得的某一駐波點(diǎn)上，該點(diǎn)位置記為dT，該點(diǎn)與終端距離應(yīng)為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即n=g2（n=1，2，3）此位置就是待測(cè)元件輸入端面在測(cè)量線上的等效位置T。圖4-2 等效截面法示意圖當(dāng)測(cè)量線終端換接待測(cè)元件做負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)的駐波分布如圖4-2（b）所示，用測(cè)量線測(cè)得dT左邊（向波源方向）的 相鄰駐波節(jié)點(diǎn)的位置dmin，即為終端相鄰駐波節(jié)點(diǎn)的等效位置，即：Lmin=dmin-dT。由公式（4-1）便可計(jì)算出待測(cè)元件的輸入阻抗ZL。為了工程設(shè)計(jì)的方便，通常采用阻抗圓圖來進(jìn)行求解。2) 匹配技術(shù)匹配是微波技術(shù)中的一個(gè)重要概念，通常包含兩方面的含義：一是微波源的匹配，而是負(fù)載的匹配。是系統(tǒng)的傳輸功率最大并能減小傳輸線的損耗等等。從測(cè)量角度來說，良好的匹配能夠減小頻率牽引所帶來的影響。因此，熟悉、掌握調(diào)匹配的原理和調(diào)匹配的技巧，對(duì)分析和解決微波技術(shù)中的實(shí)際問題具有十分重要的意義。調(diào)匹配的方法有很多，可根據(jù)不同的場(chǎng)合需要靈活選用。對(duì)于固定的負(fù)載，通常采用在系統(tǒng)中接入隔離器、膜片、銷釘、諧振窗等方法以達(dá)到匹配的目的；而對(duì)于變動(dòng)的負(fù)載，可以采用接入滑動(dòng)單螺釘、多螺釘及單短截線等各種類型的匹配器的方法達(dá)到匹配的目的。本實(shí)驗(yàn)是利用單螺釘及多螺釘匹配器來調(diào)匹配喇叭天線。調(diào)配過程從物理意義上來說，就是調(diào)節(jié)調(diào)配器使它產(chǎn)生一個(gè)反射波，其幅度和“失配元件”所產(chǎn)生的反射波幅值相等，相位相反，從而抵消“失配元件”在系統(tǒng)中引起的反射。(1) 單螺釘匹配器圖4-3（a）為單螺釘匹配器的結(jié)構(gòu)示意圖。它是插入在矩形波導(dǎo)中的一個(gè)穿深度可以調(diào)節(jié)的螺釘，并可沿著矩形波導(dǎo)寬壁中心的無輻射縫做縱向移動(dòng)。其匹配原理用圖4-3（b）來說明。圖4-3 匹配原理圖假設(shè)系統(tǒng)終端導(dǎo)納YL處在圓圖A點(diǎn)的位置上，當(dāng)參考面從負(fù)載向波源移動(dòng)時(shí)，傳輸線輸入導(dǎo)納由A點(diǎn)沿等圓順時(shí)針方向移動(dòng)，到達(dá)位置BB面時(shí)（與g=1的圓相交），輸入導(dǎo)納YB=1-jb，電納為感性的。又因?yàn)椴▽?dǎo)寬壁插入一個(gè)直徑dg，出入深度tg4的螺釘時(shí)，等效于在傳輸線上并聯(lián)一容性電納，改變螺釘深度，即能改變?nèi)菪噪娂{值jb;因而BB截面上總的歸一導(dǎo)納為YB=YB+jb=1-jb+jb。若調(diào)節(jié)螺釘深度t，至b=b時(shí)，則YB=1，圓圖上BB面的導(dǎo)納逐漸移動(dòng)到0點(diǎn)、及匹配點(diǎn)，從而使系統(tǒng)達(dá)到匹配。(2) 三螺釘匹配器為了達(dá)到匹配，必須使CC面向負(fù)載看總輸入歸一化導(dǎo)納YC=1，故必須使CC面右方向負(fù)載看的輸入導(dǎo)納YC位于g=1，導(dǎo)納為感性的半個(gè)單位圓上，同時(shí)，必須使BB面左右向負(fù)載看的輸入導(dǎo)納YB位于“輔助半圓”上（如圖中虛線所示）三螺釘匹配器是在矩形波導(dǎo)寬壁中心處，由三個(gè)彼此相距為g/4（或者g/8）、相對(duì)位置固定、穿深度可以調(diào)整的螺釘組成的，其等效電路如圖4-4（a）所示。其匹配原理簡(jiǎn)單說明如下：首先簡(jiǎn)單介紹一下雙螺釘匹配器（即利用螺釘B、C）的調(diào)匹配過程，圖4-4（b）。圖4-4 三螺釘匹配器及調(diào)匹配原理示意圖為了達(dá)到匹配，必須使CC面向負(fù)載方向看，其總的輸入歸一化導(dǎo)納YC=1；這樣，就必須使CC面右方向向負(fù)載看的輸入導(dǎo)納YC位于g=1、電納為感性的半個(gè)單位圓上；同時(shí)，還必須使BB面左方向向負(fù)載看的輸入導(dǎo)納YB位于“輔助半圓”上（如圖中虛線所示）。依據(jù)上述結(jié)論，假設(shè)BB面右方向向負(fù)載看的負(fù)載輸入導(dǎo)納YB位于導(dǎo)納圖中的A點(diǎn)上（注意：YB與負(fù)載導(dǎo)納YL不同，彼此相距l(xiāng)0/g）。但是，并非所有的有損耗負(fù)載都能利用雙螺旋進(jìn)行匹配，實(shí)際上YB所對(duì)應(yīng)的A點(diǎn)如果落在圓圖的陰影區(qū)中，因?yàn)闊o法通過改變jbB來使的YB的對(duì)應(yīng)點(diǎn)B落在“輔助半圓上”，所以也就無法對(duì)這種負(fù)載進(jìn)行匹配，這里我們把陰影區(qū)成為：“匹配盲區(qū)”。如果利用螺釘D構(gòu)成三螺釘匹配器，就能克服上述缺點(diǎn)。當(dāng)YB對(duì)應(yīng)的A點(diǎn)落在“匹配盲區(qū)”中，這時(shí)利用jbC和jbD（注意：不用jbB）組成另外一個(gè)雙螺釘調(diào)配器；因?yàn)锽B面對(duì)應(yīng)的A點(diǎn)落在“匹配盲區(qū)”中，經(jīng)過長(zhǎng)度為g/4的均勻傳輸線變換到CC面右方時(shí)，其輸入導(dǎo)納YC的對(duì)應(yīng)點(diǎn)事A點(diǎn)，將沿圓旋轉(zhuǎn)180，所以YC的對(duì)應(yīng)點(diǎn)就肯定不會(huì)落在“匹配盲區(qū)”內(nèi)，利用由jbC和jbD組成的雙螺調(diào)配器一定能匹配負(fù)載。調(diào)配方法：以上只是從阻抗調(diào)配圖上說明了單螺（或者三螺）匹配器的調(diào)配原理。在實(shí)際工作中，常常采用逐步減小駐波比的方法，即先將測(cè)量線的探針置于波節(jié)（或波腹）的位置上，通過調(diào)整匹配器可觀測(cè)到電流表的指針讀數(shù)增大（若探針位于波腹時(shí)指針讀數(shù)減?。?。就說明調(diào)配活塞或螺釘移動(dòng)方向正確，反復(fù)調(diào)整相應(yīng)位置上的單螺位置及螺釘?shù)拇┥疃龋钡竭_(dá)到所要求的駐波比。但要必須注意的是：每次的調(diào)配都會(huì)改變駐波比的相位，因此每當(dāng)用測(cè)量線觀察波節(jié)（或波腹）電平時(shí)，要移動(dòng)探針位置使之位于真正的波節(jié)（或波腹）點(diǎn)上。(3) 用滑動(dòng)單螺調(diào)配器調(diào)配晶體檢波器，使駐波比小于1.05。不改變晶體檢波器工作狀態(tài)，將滑動(dòng)單螺調(diào)配器接于測(cè)量線和晶體器之間，單螺釘完全退出波導(dǎo)，將所測(cè)數(shù)據(jù)記錄。由滑動(dòng)單螺調(diào)配器結(jié)構(gòu)示意圖所示，l=ng2+xg（n=0,1,2,3），估算調(diào)配螺釘應(yīng)離開終端負(fù)載的大約距離l，記錄數(shù)據(jù)與表，并調(diào)節(jié)螺釘于此位置。緩慢調(diào)節(jié)螺釘穿深度，并微調(diào)螺釘位置，用測(cè)量線跟蹤駐波節(jié)點(diǎn)，使電表指示讀數(shù)逐步增加，在用測(cè)量線跟蹤駐波腹點(diǎn)，使指示電表讀數(shù)逐步下降，反復(fù)數(shù)次，直至駐波比1.05。測(cè)量螺釘與終端實(shí)際距離l，讀取螺釘穿伸度t，將數(shù)據(jù)記于上表。不用圓圖，直接用單螺釘配晶體檢波器，調(diào)配器單螺釘穿深度置于12mm，移動(dòng)其位置，并用測(cè)量線分別跟蹤駐波腹點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)，直至螺釘在某一位置時(shí)，駐波腹點(diǎn)有下降，駐波節(jié)點(diǎn)有上升趨勢(shì)。這時(shí)，反復(fù)調(diào)整螺釘穿深度，并微調(diào)位置，用測(cè)量線跟蹤駐波大小，直至駐波比1.05。測(cè)量螺釘離開終端負(fù)載的距離l及螺釘穿伸度t，將數(shù)據(jù)記于表4-1，并與前面測(cè)得的l，t比較。三、 實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備1. X波段信號(hào)源（DH 1121B）2. 1kHz 選頻放大器（DH 388A0）3. 駐波測(cè)量線（TC26）4. 可變衰減器（BD-20-2）5. 直讀式頻率計(jì)（BD1/035A）6. 精密衰減器（TS 7）7. 單螺調(diào)配器 等四、 實(shí)驗(yàn)步驟及操作方法1. 系統(tǒng)調(diào)整頻率計(jì)固態(tài)信號(hào)源精密衰減器可變衰減器速調(diào)管管座速調(diào)管電源指示器測(cè)量線圖4-5 駐波比測(cè)量系統(tǒng)框圖按照?qǐng)D4-5接好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量線終端接短路板；打開電源開關(guān)預(yù)熱儀器，并使信號(hào)源和電流表指針處于正常狀態(tài)。調(diào)諧測(cè)量線探頭，使測(cè)量線處于最佳工作狀態(tài)。用直讀式頻率計(jì)測(cè)定工作頻率f。交叉讀書法測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng)g，并確定某一波節(jié)點(diǎn)位置dT（通常取測(cè)量線中間段的波節(jié)位置能保證精度）。2. 測(cè)量H面扇形喇叭的輸入阻抗取下短路板、接上H面扇形喇叭天線，測(cè)出dT左邊（信號(hào)源與dT之間）的第一個(gè)駐波最小點(diǎn)位置，記為dmin，并計(jì)算：lmin=dmin-dT用直接法或功率衰減法測(cè)出喇叭天線的駐波比。由測(cè)得的、g和lmin值便可以在阻抗圓圖上找出負(fù)載歸一化的輸入阻抗值。因?yàn)樵隈v波電壓的最大值、最小值處均為純電阻性的阻抗值，而且阻抗圓圖實(shí)軸上的r值也表示了值，所以可以在圓圖上找到r值等于值的點(diǎn)A（如=2時(shí)），通過A點(diǎn)畫出=2的圓，此圓與實(shí)軸相交于B點(diǎn)，從B點(diǎn)開始向反時(shí)針方向轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)向負(fù)載的方向）lmin/g的角度，在外圓上得到D點(diǎn)，再由D點(diǎn)與圓心連一條直線，該直線與等圓相交于C點(diǎn)，若在圓圖上的C點(diǎn)的r，x值分別設(shè)為r1，x1，則負(fù)載歸一化的輸入阻抗為：z=r1-jx1。3. 利用三螺釘匹配