測量線的調(diào)整和晶體檢波器的校準(zhǔn)

1、測量線的調(diào)整和晶體檢波器的校準(zhǔn)目的與要求1.學(xué)會正確調(diào)整和使用測量線；掌握晶體定標(biāo)和測量駐波比的直接方法。2.熟練掌握用交叉讀數(shù)法測量波導(dǎo)波長；明確探針調(diào)諧的目的和方法。 實(shí)驗(yàn)原理1.駐波測量線駐波測量線是微波系統(tǒng)的一種常見測量儀器，它可以探測微波傳輸系統(tǒng)中電磁場分布 情況，測量駐波比、阻抗、調(diào)匹配等。測量線由開槽波導(dǎo)、不調(diào)諧探頭和滑架組成。開槽波導(dǎo)中的場由不調(diào)諧探頭取樣，探 頭的移動靠滑架上的傳動裝置，探頭的輸出送到顯示裝置，就可以顯示沿波導(dǎo)軸線的電磁場變化信息，測量線外形如圖1 r瞎曙応I；.；圖1: DH364A00型3cm測量線外形測量線波導(dǎo)是一段精密加工的開槽直波導(dǎo)，此槽位于波導(dǎo)寬邊

2、的正中央，平行于波導(dǎo)軸線，不切割高頻電流，因此對波導(dǎo)內(nèi)的電磁場分布影響很小。此外，槽端還有階梯匹配段,兩端法蘭具有尺寸精確的定位和連接孔，從而保證開槽波導(dǎo)有很低的剩余駐波系數(shù)。不調(diào)諧探頭由檢波二極管、吸收環(huán)、盤形電阻、彈簧、接頭和外殼組成，安放在滑架的探頭插孔中。不調(diào)諧探頭的輸出為BNC接頭，檢波二極管是經(jīng)過加工改造的同軸檢波管，其內(nèi)導(dǎo)體作為探針伸入到開槽波導(dǎo)中，因此，探針與檢波晶體之間的長度最短，從而可以不經(jīng)調(diào)諧，而達(dá)到電抗小、效率高，輸出響應(yīng)平坦?；苁怯脕戆惭b開槽波導(dǎo)和不調(diào)諧探頭的，不調(diào)諧探頭放入滑架的探頭插孔中，并由鎖緊螺釘固緊。探針插入波導(dǎo)中的深度為1.5mm約為波導(dǎo)窄邊尺寸的15%

3、。在分析駐波測量線時，為了方便起見通常把探針等效成一導(dǎo)納Yu與傳輸線并聯(lián)。如圖2所示，其中Gu為探針等效電導(dǎo)，反映探針吸取功率的大小,Bu為探針等效電納，表示探針在波導(dǎo)中產(chǎn)生反射的影響。當(dāng)終端接任意阻抗時，由于Gu的分流作用，駐波腹點(diǎn)的電場強(qiáng)度要比真實(shí)值小，而Bu的存在將使駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的位置發(fā)生偏移。當(dāng)測量線終端短路時，如果探針放在駐波的波節(jié)點(diǎn) B上,由于此點(diǎn)處的輸入導(dǎo)納yin 78故Yu的影響很小，駐波節(jié)點(diǎn)的位置不會發(fā)生偏移。如果探針放在駐波的波腹點(diǎn),由于此點(diǎn)上的輸入導(dǎo)納yin7 0,故Yu對駐波腹點(diǎn)的影響就特別明顯，探針呈容性電納時將使駐波腹點(diǎn)向負(fù)載方向偏移，如圖2所示。所以探針引入的不

4、均勻性，將導(dǎo)致場的圖形畸變,使測得的駐波波腹值下降而波節(jié)點(diǎn)略有增高，造成測量誤差。欲使探針導(dǎo)圖2探針等效電路圖3探針電納對駐波分布圖形的影響納影響變小，探針愈淺愈好，但這時在探針上的感應(yīng)電動勢也變小了。通常我們選用的原則是在指示儀表上有足夠指示下，盡量減小探針深度，一般采用的深度應(yīng)小于波導(dǎo)高度的10%15%。波長的測量：測量波長的常見方法有諧振腔法和駐波法。4.諧振腔法：用諧振式波長計(jì)進(jìn)行測量，諧振式波長計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1. 諧振腔腔體2. 耦合孔3. 矩形波導(dǎo)4. 可調(diào)短路活塞5. 計(jì)數(shù)器6. 刻度7. 刻度套筒圖4諧振式頻率計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖電磁波通過耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入頻率計(jì)的空腔中，當(dāng)頻率計(jì)的腔體失

5、諧時，腔里的電磁 場極為微弱，此時，它基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條 件時，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過波導(dǎo)中的電磁波信號強(qiáng)度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時的刻度，通 過查表可得知輸入微波諧振頻率，從而計(jì)算出微波的波長。駐波法:駐波法是用駐波測量線進(jìn)行測量。當(dāng)測量線終端短路時，傳輸線上形成純駐波，移動嘰。在傳輸橫電測量線探針，測出兩個相鄰駐波的最小點(diǎn)之間的距離，即可求得波導(dǎo)波長磁波的同軸系統(tǒng)中，按上測出的波導(dǎo)波長爲(wèi)就是工作波長兀；但是在波導(dǎo)系統(tǒng)中，測量線 測出的波長是波導(dǎo)波長 為，它是入射波與反射波迭加而成

6、的合成波，由于波導(dǎo)中的電磁波幾，二者之間的關(guān)系以光速按“之”字形進(jìn)行傳播，所以它要大于在自由空間傳播的波長 是：為=M1 式中的界波長/時，電磁波才能在矩形波導(dǎo)中得到傳播。對于波導(dǎo)傳播的TEmn波或TM mn 波的臨Ac為矩形波導(dǎo)中傳播的色散波的“臨界波長”，只有當(dāng)自由空間的工作波長 入小于臨界波長公式為r/ 221mn1+L丿lb式中的a,b為波導(dǎo)截面的尺寸。對于實(shí)驗(yàn)中常用的TEio波，幾c=2a ,入g與入之間的關(guān)系、A人 g =1.人2 jl（） V 2a測出波導(dǎo)波長后由上式可計(jì)算出工作波長。為了提高測量的精度，通常采用交叉讀數(shù)法確定波節(jié)點(diǎn)位置，并測出幾個波導(dǎo)波長求5所示。其平均值。所謂

7、交叉讀數(shù)法，是指在波節(jié)點(diǎn)附近兩旁找出指示電表讀數(shù)相等的兩個對應(yīng)位 置dii、di2、d2i、d22,然后分別以其平均值確定波節(jié)點(diǎn)的位置，如圖kg =2d0j -doit3、晶體檢波器的特性測定在微波測量系統(tǒng)中，送至指示器的微波能量通常是經(jīng)過晶體二極管檢波后的直流或低頻電流，指示電表的讀數(shù)是檢波電流的有效值。晶體二極管為非線性元件，其檢波電流與兩端電壓之間的關(guān)系為 I =kUn，式中，n表征晶體管的檢波規(guī)律：如 n=1，則I與U成正比，稱為線性檢 波；當(dāng)n=2時，I與U2成正比，稱為平方檢波。晶體二極管的檢波特性是隨其端電壓的變化而變化的,當(dāng)端電壓較小時，呈現(xiàn)平方律；當(dāng)端電壓較大時，呈現(xiàn)線性規(guī)律

8、。如圖6所示，在UU 1范圍內(nèi)，近似為線性；UU2時平方規(guī)律;波律n不是常數(shù)。因此，加在晶體管兩端的電壓變化幅度較大時,密測量中必須對晶體的檢波律進(jìn)行定標(biāo)。測量線探針在波導(dǎo)中感應(yīng)電動勢 (即晶體二極管兩端電壓成正比，所以檢波電流和波導(dǎo)中的電場E同樣滿足關(guān)系I =kEn所以要從檢波電流讀數(shù)值決定電場強(qiáng)度的相對值,U2U Ui而在的范圍內(nèi)，檢n就是不常數(shù)。所以在精U)與探討針?biāo)谔幍碾妶?E必須確定晶體檢波律 n。當(dāng)n=2時，檢波電流讀數(shù)為相對功率指示值。實(shí)驗(yàn)室常用駐波法為晶體定標(biāo)，具體又分為兩種:(1)測量指示器讀數(shù)與相對場強(qiáng)的關(guān)系曲線:當(dāng)測量線終端短路時，沿線各點(diǎn)電場分布為E = Em sin

9、d 人g67E2;r sinde7人g即電場的相對強(qiáng)度為式是Em為駐波波腹點(diǎn)的電場強(qiáng)度，Zg為波導(dǎo)波長，d為測量線探針與駐波節(jié)點(diǎn)的距離.2兀 sind是探針位置的相對場強(qiáng)。將7式代入到5式得2兀 I =K -Sin dI和E隨d的變化曲線如圖7所示。在人力范圍內(nèi)，移動探針，使其偏離駐波節(jié)點(diǎn)不同位置d，在場強(qiáng)相對值不同時，讀取指示電表讀數(shù) U，即能作出UE關(guān)系曲線，也就是二極管的定標(biāo)曲線，如圖8所示。對8式左端用U表示，并取對數(shù)，并令常數(shù)=1，得到圖log U =n log sin爲(wèi)2叱2咤sin 、成正比，作出logU log sin 、人g即 logU 與 log求出斜率n,或用最二乘法求出

10、n即為晶體檢波律。(2)另一種方法是，測量線終端短路，測出半峰值讀數(shù)間的距離W，如9所示，則檢波律n可以根據(jù)下式計(jì)算得到:log 0.5n = 了 S,tWlog cos -Ag J10根據(jù)測定的晶體檢波律，即可得到晶體平方律的工作范圍。實(shí)驗(yàn)中大多數(shù)微波測試都在小信號工作狀態(tài)，因此，晶體檢波律基本為平方律,在非精密測量的條件下，可取n=2。實(shí)驗(yàn)儀器短路器圖10 測試裝置圖1.隔離器：位于磁場中的某些鐵氧體材料對于來自不同方向的電磁波有著不同的吸收，過適當(dāng)調(diào)節(jié)，可使其對微波具有單方向傳播的特性（見圖11）。隔離器常用于振蕩器與負(fù) 載之間，起隔離和單向傳輸作用?？v向插入波導(dǎo)管即成衰減器：把一片能吸

11、收微波能量的吸收片垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊,（見圖12），用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動吸收片可改變衰減量的大小。衰減器 起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率以及去耦合的作用。SssasssssEsssss圖11隔離器結(jié)構(gòu)示意圖圖12衰減其結(jié)構(gòu)示意圖3、畫出晶體的特性校準(zhǔn)曲線U-E ;在同一坐標(biāo)系畫出晶體檢波特性曲線U-d, E-d在波導(dǎo)駐波測量線：駐波測量線是測量微波傳輸系統(tǒng)中電場的強(qiáng)弱和分布的精密儀器。的寬邊中央開有一個狹槽，金屬探針經(jīng)狹槽伸入波導(dǎo)中。由于探針與電場平行，電場的變化在探針上感應(yīng)出的電動勢經(jīng)過晶體檢波器變成電流信號輸出。晶體檢波器：從波導(dǎo)寬壁中點(diǎn)耦合出兩寬壁間的感應(yīng)電壓，經(jīng)微波二極管進(jìn)行檢波

12、，調(diào)節(jié)其短路活塞位置，可使檢波管處于微波的波腹點(diǎn)，以獲得最高的檢波效率。微波源：提供所需微波信號，頻率范圍在& 69. 6GHz內(nèi)可調(diào)，工作方式有等幅、方波、外調(diào)制等，實(shí)驗(yàn)時根據(jù)需要加以選擇，實(shí)驗(yàn)時選擇方波工作方式。1kHz附近的信號,選頻放大器：用于測量微弱低頻信號，信號經(jīng)升壓、放大，選出波導(dǎo)管：本實(shí)驗(yàn)所使用的波導(dǎo)管型號為BJ 100,其內(nèi)腔尺寸為a = 22.86mm , b =10. 16mm。其主模頻率范圍為 8. 2012. 50GHz，截止頻率為 6. 557GHz。實(shí)驗(yàn)操作:1、參照圖10連接微波元件（實(shí)驗(yàn)前已由實(shí)驗(yàn)室連好）檢查下列連接是否正確： 測量線檢波輸出選頻放大輸入；三厘

13、米固態(tài)信號源波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換；檢波二極管輸出檢波指示器。;打開選頻放大器的電源,1 ”檔。預(yù)熱15分鐘。打開三厘米固態(tài)信號源的電源，選取擇信號輸出為“方波”輸入電壓選“ 1 ”檔；頻率選“ 1K ”檔；增益選“調(diào)節(jié)信號源輸出頻為 9.370GHz移動測量線探針，使選頻放大器的檢波輸出指示最大;調(diào)節(jié)衰減器或信號源加到測量線上的微波功率，使選頻放大器的檢波輸出為滿刻度，移動微波測量線，觀察批示器的讀數(shù)變化，判斷駐波圖形的對稱性。信號源工作方式選擇“等幅”、“點(diǎn)頻”，用頻率計(jì)測量工作頻率，記錄數(shù)據(jù)f1，然后失諧頻率計(jì)。測量線終端接短路板，信號源工作方式選“方波”，移動探針至駐波節(jié)點(diǎn)，用交叉讀數(shù)法測量相鄰

14、三個波節(jié)點(diǎn)的位置，具體方法是找到波節(jié)點(diǎn)后， 在其兩側(cè)找選頻放大器電表讀數(shù)相等的點(diǎn)，記下數(shù)據(jù)，用3式計(jì)算波導(dǎo)波長為j，取平均值即為所測波導(dǎo)波長Ag。8、從波節(jié)到波腹的 入g/4長度內(nèi)，確定10個測試點(diǎn)，用百分表找出每個測試點(diǎn)上對應(yīng)的測量線輸出電壓值 U,不改變輸入電壓，移動測量線的探針到駐波的波腹點(diǎn)，再調(diào)整微波衰減器使電表讀數(shù)達(dá)100%然后移動探針，分別找出波腹點(diǎn)相鄰兩邊指示電表讀數(shù)I左,1右為50%寸探針的位置刻度d1,d2，記入數(shù)據(jù)表4，計(jì)算晶體的檢波律數(shù)據(jù)處理:1、由f1計(jì)算微波的工作波長,2、計(jì)算出波導(dǎo)波長，并與測量所得的波導(dǎo)波長進(jìn)行比較4、畫出logU logE曲線，并在曲線上求斜率 n用最小二乘法求n5、用公式 10求 n, 并與前邊所求進(jìn)行比較數(shù)據(jù)記錄:1、信號源輸出頻率fo;頻率計(jì)測量頻率f 1 =2、波導(dǎo)波長的測量:波導(dǎo)波長的計(jì)算：入gi =2|d oi -d 0i+i |diidi2doid2id22do2d3id32do3