測(cè)量線的調(diào)整和晶體檢波器的校準(zhǔn)

1、測(cè)量線的調(diào)整和晶體檢波器的校準(zhǔn)一、 目的與要求 1. 學(xué)會(huì)正確調(diào)整和使用測(cè)量線；掌握晶體定標(biāo)和測(cè)量駐波比的直接方法。 2. 熟練掌握用交叉讀數(shù)法測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng)；明確探針調(diào)諧的目的和方法。 二、 實(shí)驗(yàn)原理 1. 駐波測(cè)量線駐波測(cè)量線是微波系統(tǒng)的一種常見(jiàn)測(cè)量?jī)x器，它可以探測(cè)微波傳輸系統(tǒng)中電磁場(chǎng)分布情況，測(cè)量駐波比、阻抗、調(diào)匹配等。測(cè)量線由開(kāi)槽波導(dǎo)、不調(diào)諧探頭和滑架組成。開(kāi)槽波導(dǎo)中的場(chǎng)由不調(diào)諧探頭取樣，探頭的移動(dòng)靠滑架上的傳動(dòng)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(chǎng)變化信息，測(cè)量線外形如圖1圖1: DH364A00型3cm測(cè)量線外形測(cè)量線波導(dǎo)是一段精密加工的開(kāi)槽直波導(dǎo),此槽位于波導(dǎo)寬

2、邊的正中央，平行于波導(dǎo)軸線，不切割高頻電流，因此對(duì)波導(dǎo)內(nèi)的電磁場(chǎng)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(kāi)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(pán)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)諧探頭的輸出為接頭，檢波二極管是經(jīng)過(guò)加工改造的同軸檢波管，其內(nèi)導(dǎo)體作為探針伸入到開(kāi)槽波導(dǎo)中，因此，探針與檢波晶體之間的長(zhǎng)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?lái)安裝開(kāi)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。在

3、分析駐波測(cè)量線時(shí)，為了方便起見(jiàn)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(shí)，由于Gu的分流作用，駐波腹點(diǎn)的電圖2 探針等效電路場(chǎng)強(qiáng)度要比真實(shí)值小，而B(niǎo)u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(cè)量線終端短路時(shí)，如果探針?lè)旁隈v波的波節(jié)點(diǎn)B上，由于此點(diǎn)處的輸入導(dǎo)納yin故Yu的影響很小，駐波節(jié)點(diǎn)的位置不會(huì)發(fā)生偏移。如果探針?lè)旁隈v波的波腹點(diǎn)，由于此點(diǎn)上的輸入導(dǎo)納yin0，故Yu對(duì)駐波腹點(diǎn)的影響就特別明顯，探針呈容性電納時(shí)將使駐波腹點(diǎn)向負(fù)載方向偏移，如圖圖3 探針電納對(duì)駐波分

4、布圖形的影響2所示。所以探針引入的不均勻性，將導(dǎo)致場(chǎng)的圖形畸變，使測(cè)得的駐波波腹值下降而波節(jié)點(diǎn)略有增高，造成測(cè)量誤差。欲使探針導(dǎo)納影響變小，探針愈淺愈好，但這時(shí)在探針上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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1015。2、 波長(zhǎng)的測(cè)量：測(cè)量波長(zhǎng)的常見(jiàn)方法有諧振腔法和駐波法。諧振腔法：用諧振式波長(zhǎng)計(jì)進(jìn)行測(cè)量，諧振式波長(zhǎng)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖4.圖4 諧振式頻率計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖 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. 刻度套筒電磁波通過(guò)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

5、體失諧時(shí)，腔里的電磁場(chǎng)極為微弱，此時(shí)，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(shí)，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(guò)波導(dǎo)中的電磁波信號(hào)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(shí)的刻度，通過(guò)查表可得知輸入微波諧振頻率，從而計(jì)算出微波的波長(zhǎng)。駐波法：駐波法是用駐波測(cè)量線進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)測(cè)量線終端短路時(shí)，傳輸線上形成純駐波，移動(dòng)測(cè)量線探針，測(cè)出兩個(gè)相鄰駐波的最小點(diǎn)之間的距離，即可求得波導(dǎo)波長(zhǎng)。在傳輸橫電磁波的同軸系統(tǒng)中，按上測(cè)出的波導(dǎo)波長(zhǎng)就是工作波長(zhǎng)；但是在波導(dǎo)系統(tǒng)中，測(cè)量線測(cè)出的波長(zhǎng)是波導(dǎo)波長(zhǎng)，它是入射波與反射波迭加而成的合成波，由于

6、波導(dǎo)中的電磁波以光速按“之”字形進(jìn)行傳播，所以它要大于在自由空間傳播的波長(zhǎng)，二者之間的關(guān)系是： 1式中的為矩形波導(dǎo)中傳播的色散波的“臨界波長(zhǎng)”，只有當(dāng)自由空間的工作波長(zhǎng)小于臨界波長(zhǎng)時(shí)，電磁波才能在矩形波導(dǎo)中得到傳播。對(duì)于波導(dǎo)傳播的TEmn波或TMmn波的臨界波長(zhǎng)公式為 2式中的a,b 為波導(dǎo)截面的尺寸。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中常用的TE10波，g與之間的關(guān)系為 3測(cè)出波導(dǎo)波長(zhǎng)后由上式可計(jì)算出工作波長(zhǎng)。為了提高測(cè)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(cè)出幾個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)求其平均值。所謂交叉讀數(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(gè)對(duì)應(yīng)位置d11、d12、d21、d22然后分別以其平均值確定波節(jié)

7、點(diǎn)的位置，如圖5所示。 則 4圖5 交叉讀數(shù)法測(cè)量駐波的節(jié)點(diǎn)位置3、晶體檢波器的特性測(cè)定在微波測(cè)量系統(tǒng)中，送至指示器的微波能量通常是經(jīng)過(guò)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)系為圖6 晶體二極管的檢波特性，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(shí)，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(shí)，呈現(xiàn)平方律；當(dāng)端電壓較大時(shí)，呈現(xiàn)線性規(guī)律。如圖6所示，在UU1范圍內(nèi)，近似為線性；UU2時(shí)平方規(guī)律；U2U U1而在的范圍內(nèi)，檢波律n不

8、是常數(shù)。因此，加在晶體管兩端的電壓變化幅度較大時(shí)，n就是不常數(shù)。所以在精密測(cè)量中必須對(duì)晶體的檢波律進(jìn)行定標(biāo)。測(cè)量線探針在波導(dǎo)中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（即晶體二極管兩端電壓U）與探討針?biāo)谔幍碾妶?chǎng)E成正比，所以檢波電流和波導(dǎo)中的電場(chǎng)E同樣滿足關(guān)系 5所以要從檢波電流讀數(shù)值決定電場(chǎng)強(qiáng)度的相對(duì)值，必須確定晶體檢波律n。當(dāng)n=2時(shí)，檢波電流讀數(shù)為相對(duì)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(cè)量指示器讀數(shù)與相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系曲線：當(dāng)測(cè)量線終端短路時(shí)，沿線各點(diǎn)電場(chǎng)分布為 6即電場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度為 7式是Em為駐波波腹點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，為波導(dǎo)波長(zhǎng)，d為測(cè)量線探針與駐波節(jié)點(diǎn)的距離, 是探針位置的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)。將7式

9、代入到5式得 8I和E隨d的變化曲線如圖7所示 。圖7 I和E隨d的變化規(guī)律圖8 晶體檢波特性校準(zhǔn)曲線在范圍內(nèi)，移動(dòng)探針，使其偏離駐波節(jié)點(diǎn)不同位置d，在場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)值不同時(shí)，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(duì)8式左端用U表示，并取對(duì)數(shù)，并令常數(shù)=1，得到 9即logU與成正比，作出logU曲線，求出斜率n，或用最二乘法求出n即為晶體檢波律。 （2）另一種方法是，測(cè)量線終端短路，測(cè)出半峰值讀數(shù)間的距離W，如9所示，則檢圖9 按半高點(diǎn)間的距離求晶體檢波律波律n可以根據(jù)下式計(jì)算得到： 10 根據(jù)測(cè)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

10、測(cè)試都在小信號(hào)工作狀態(tài)，因此，晶體檢波律基本為平方律，在非精密測(cè)量的條件下，可取n=2。圖10 測(cè)試裝置圖實(shí)驗(yàn)儀器1 隔離器：位于磁場(chǎng)中的某些鐵氧體材料對(duì)于來(lái)自不同方向的電磁波有著不同的吸收，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)，可使其對(duì)微波具有單方向傳播的特性(見(jiàn)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。圖 11 隔離器結(jié)構(gòu)示意圖 圖12 衰減其結(jié)構(gòu)示意圖2 衰減器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管即成(見(jiàn)圖12)，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動(dòng)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。3 駐波測(cè)量線：駐波測(cè)量線是測(cè)量微波傳輸系統(tǒng)中

11、電場(chǎng)的強(qiáng)弱和分布的精密儀器。在波導(dǎo)的寬邊中央開(kāi)有一個(gè)狹槽，金屬探針經(jīng)狹槽伸入波導(dǎo)中。由于探針與電場(chǎng)平行，電場(chǎng)的變化在探針上感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)晶體檢波器變成電流信號(hào)輸出。4 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，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。5 微波源：提供所需微波信號(hào)，頻率范圍在8696GHz內(nèi)可調(diào)，工作方式有等幅、方波、外調(diào)制等，實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要加以選擇，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇方波工作方式。6 選頻放大器：用于測(cè)量微弱低頻信號(hào)，信號(hào)經(jīng)升壓、放大，選出1kHz附近的信號(hào)，7 波導(dǎo)管：本實(shí)驗(yàn)所使用的波導(dǎo)管型號(hào)為BJ100，其內(nèi)腔尺寸為

12、22.86mm，b1016mm。其主模頻率范圍為8201250GHz，截止頻率為6557GHz。實(shí)驗(yàn)操作：1、 參照?qǐng)D10連接微波元件（實(shí)驗(yàn)前已由實(shí)驗(yàn)室連好）2、 檢查下列連接是否正確：測(cè)量線檢波輸出選頻放大輸入；三厘米固態(tài)信號(hào)源波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換；檢波二極管輸出檢波指示器。3、 打開(kāi)三厘米固態(tài)信號(hào)源的電源，選取擇信號(hào)輸出為“方波”；打開(kāi)選頻放大器的電源，輸入電壓選“1”檔；頻率選“1K”檔；增益選“1”檔。預(yù)熱15分鐘。4、 調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出頻為9.370GHz5、 移動(dòng)測(cè)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(hào)源加到測(cè)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(dòng)微波測(cè)量

13、線，觀察批示器的讀數(shù)變化，判斷駐波圖形的對(duì)稱性。6、 信號(hào)源工作方式選擇“等幅”、“點(diǎn)頻”，用頻率計(jì)測(cè)量工作頻率，記錄數(shù)據(jù)f1，然后失諧頻率計(jì)。7、 測(cè)量線終端接短路板，信號(hào)源工作方式選“方波”，移動(dòng)探針至駐波節(jié)點(diǎn)，用交叉讀數(shù)法測(cè)量相鄰三個(gè)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(zhǎng)，取平均值即為所測(cè)波導(dǎo)波長(zhǎng)。8、 從波節(jié)到波腹的g/4長(zhǎng)度內(nèi)，確定10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，用百分表找出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的測(cè)量線輸出電壓值U，9、 不改變輸入電壓，移動(dòng)測(cè)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(dòng)探針，分別找出波腹點(diǎn)相鄰兩邊指示電表讀數(shù)I左,I右為50%時(shí)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n。數(shù)據(jù)處理：1、由f1計(jì)算微波的工作波長(zhǎng)，2、計(jì)算出波導(dǎo)波長(zhǎng)，并與測(cè)量所得的波導(dǎo)波長(zhǎng)進(jìn)行比較 3、畫(huà)出晶體的特性校準(zhǔn)曲線U-E；在同一坐標(biāo)系畫(huà)出晶體檢波特性曲線U-d, E-d4、畫(huà)出logUlogE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(hào)源輸出頻率f0 = ;頻率計(jì)測(cè)量頻率f1 = 2、波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量： 波導(dǎo)波長(zhǎng)的計(jì)算：gi