實驗四 輸入阻抗測量及匹配技術(shù).docx

大連理工大學(xué)實驗預(yù)習(xí)報告姓名： 牛玉博 班級： 電通1202 學(xué)號： 201201203 實驗四 輸入阻抗測量及匹配技術(shù)一、 實驗?zāi)康呐c要求1. 應(yīng)用阻抗圓圖，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)求任意負載的輸入阻抗；2. 了解調(diào)匹配的基本原理和方法，加深對匹配意義的認識；3. 掌握常用調(diào)匹配器的使用方法和調(diào)配技巧。二、 實驗內(nèi)容與原理1. 實驗內(nèi)容1) 求任意負載的輸入阻抗；2) 用不同形式的匹配器進行匹配的使用方法和調(diào)配技巧。2. 實驗原理1) 阻抗測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，所以阻抗測量就顯得尤其重要。本實驗旨在學(xué)習(xí)用駐波測量線測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載阻抗有關(guān)系。表征駐波特性的兩個參量，駐波比及香味Lmin與負載阻抗的關(guān)系如下：ZL=1-jtandmin-jtandmin （4-1）式中ZL為歸一化負載阻抗，即單端口微波元件的輸入阻抗，為駐波比，Lmin為終端負載至相鄰駐波點的距離，參見圖4-1圖4-1 終端負載至相鄰駐波節(jié)點的距離在測量線的輸出端接上待測元件，分別測量駐波比、波導(dǎo)波長g及距離Lmin，并將測得的數(shù)據(jù)帶入式（4-1）中，或者根據(jù)阻抗（或到哪）圓圖就可以計算出待測元件的輸入阻抗（或輸入導(dǎo)納）。在測量Lmin時，由于測量線結(jié)構(gòu)的限制，直接測量待測元件的輸入端面到相鄰駐波節(jié)點的距離有困難，所以，在實際測量中常采用“等效截面法”進行測量。首先讓測量線短路，沿線的駐波分布如圖4-2（a）所示，移動測量線探針于測得的某一駐波點上，該點位置記為dT，該點與終端距離應(yīng)為半波長的整數(shù)倍，即n=g2（n=1，2，3）此位置就是待測元件輸入端面在測量線上的等效位置T。圖4-2 等效截面法示意圖當(dāng)測量線終端換接待測元件做負載時，系統(tǒng)的駐波分布如圖4-2（b）所示，用測量線測得dT左邊（向波源方向）的 相鄰駐波節(jié)點的位置dmin，即為終端相鄰駐波節(jié)點的等效位置，即：Lmin=dmin-dT。由公式（4-1）便可計算出待測元件的輸入阻抗ZL。為了工程設(shè)計的方便，通常采用阻抗圓圖來進行求解。2) 匹配技術(shù)匹配是微波技術(shù)中的一個重要概念，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，對分析和解決微波技術(shù)中的實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)不同的場合需要靈活選用。對于固定的負載，通常采用在系統(tǒng)中接入隔離器、膜片、銷釘、諧振窗等方法以達到匹配的目的；而對于變動的負載，可以采用接入滑動單螺釘、多螺釘及單短截線等各種類型的匹配器的方法達到匹配的目的。本實驗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。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點的位置上，當(dāng)參考面從負載向波源移動時，傳輸線輸入導(dǎo)納由A點沿等圓順時針方向移動，到達位置BB面時（與g=1的圓相交），輸入導(dǎo)納YB=1-jb，電納為感性的。又因為波導(dǎo)寬壁插入一個直徑dg，出入深度tg4的螺釘時，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，則YB=1，圓圖上BB面的導(dǎo)納逐漸移動到0點、及匹配點，從而使系統(tǒng)達到匹配。(2) 三螺釘匹配器為了達到匹配，必須使CC面向負載看總輸入歸一化導(dǎo)納YC=1，故必須使CC面右方向負載看的輸入導(dǎo)納YC位于g=1，導(dǎo)納為感性的半個單位圓上，同時，必須使BB面左右向負載看的輸入導(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，由三個彼此相距為g/4（或者g/8）、相對位置固定、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。其匹配原理簡單說明如下：首先簡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到匹配，必須使CC面向負載方向看，其總的輸入歸一化導(dǎo)納YC=1；這樣，就必須使CC面右方向向負載看的輸入導(dǎo)納YC位于g=1、電納為感性的半個單位圓上；同時，還必須使BB面左方向向負載看的輸入導(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面右方向向負載看的負載輸入導(dǎo)納YB位于導(dǎo)納圖中的A點上（注意：YB與負載導(dǎo)納YL不同，彼此相距l(xiāng)0/g）。但是，并非所有的有損耗負載都能利用雙螺旋進行匹配，實際上YB所對應(yīng)的A點如果落在圓圖的陰影區(qū)中，因為無法通過改變jbB來使的YB的對應(yīng)點B落在“輔助半圓上”，所以也就無法對這種負載進行匹配，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。當(dāng)YB對應(yīng)的A點落在“匹配盲區(qū)”中，這時利用jbC和jbD（注意：不用jbB）組成另外一個雙螺釘調(diào)配器；因為BB面對應(yīng)的A點落在“匹配盲區(qū)”中，經(jīng)過長度為g/4的均勻傳輸線變換到CC面右方時，其輸入導(dǎo)納YC的對應(yīng)點事A點，將沿圓旋轉(zhuǎn)180，所以YC的對應(yīng)點就肯定不會落在“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。在實際工作中，常常采用逐步減小駐波比的方法，即先將測量線的探針置于波節(jié)（或波腹）的位置上，通過調(diào)整匹配器可觀測到電流表的指針讀數(shù)增大（若探針位于波腹時指針讀數(shù)減?。?。就說明調(diào)配活塞或螺釘移動方向正確，反復(fù)調(diào)整相應(yīng)位置上的單螺位置及螺釘?shù)拇┥疃?，直到達到所要求的駐波比。但要必須注意的是：每次的調(diào)配都會改變駐波比的相位，因此每當(dāng)用測量線觀察波節(jié)（或波腹）電平時，要移動探針位置使之位于真正的波節(jié)（或波腹）點上。(3) 用滑動單螺調(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)，將滑動單螺調(diào)配器接于測量線和晶體器之間，單螺釘完全退出波導(dǎo)，將所測數(shù)據(jù)記錄。由滑動單螺調(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，用測量線跟蹤駐波節(jié)點，使電表指示讀數(shù)逐步增加，在用測量線跟蹤駐波腹點，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。測量螺釘與終端實際距離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，移動其位置，并用測量線分別跟蹤駐波腹點與節(jié)點，直至螺釘在某一位置時，駐波腹點有下降，駐波節(jié)點有上升趨勢。這時，反復(fù)調(diào)整螺釘穿深度，并微調(diào)位置，用測量線跟蹤駐波大小，直至駐波比1.05。測量螺釘離開終端負載的距離l及螺釘穿伸度t，將數(shù)據(jù)記于表4-1，并與前面測得的l，t比較。三、 實驗主要儀器設(shè)備1. X波段信號源（DH 1121B）2. 1kHz 選頻放大器（DH 388A0）3. 駐波測量線（TC26）4. 可變衰減器（BD-20-2）5. 直讀式頻率計（BD1/035A）6. 精密衰減器（TS 7）7. 單螺調(diào)配器 等四、 實驗步驟及操作方法1. 系統(tǒng)調(diào)整頻率計固態(tài)信號源精密衰減器可變衰減器速調(diào)管管座速調(diào)管電源指示器測量線圖4-5 駐波比測量系統(tǒng)框圖按照圖4-5接好實驗系統(tǒng)，測量線終端接短路板；打開電源開關(guān)預(yù)熱儀器，并使信號源和電流表指針處于正常狀態(tài)。調(diào)諧測量線探頭，使測量線處于最佳工作狀態(tài)。用直讀式頻率計測定工作頻率f。交叉讀書法測量波導(dǎo)波長g，并確定某一波節(jié)點位置dT（通常取測量線中間段的波節(jié)位置能保證精度）。2. 測量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，測出dT左邊（信號源與dT之間）的第一個駐波最小點位置，記為dmin，并計算：lmin=dmin-dT用直接法或功率衰減法測出喇叭天線的駐波比。由測得的、g和lmin值便可以在阻抗圓圖上找出負載歸一化的輸入阻抗值。因為在駐波電壓的最大值、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A（如=2時），通過A點畫出=2的圓，此圓與實軸相交于B點，從B點開始向反時針方向轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)向負載的方向）lmin/g的角度，在外圓上得到D點，再由D點與圓心連一條直線，該直線與等圓相交于C點，若在圓圖上的C點的r，x值分別設(shè)為r1，x1，則負載歸一化的輸入阻抗為：z=r1-jx1。3. 利用三螺釘匹配