天線測(cè)量第二章

1、阻抗測(cè)量阻抗測(cè)量單端口的微波元件天線的電路特性測(cè)量可以直接應(yīng)用微波測(cè)量的各種方法阻阻抗抗測(cè)測(cè)量量方方法法諧振法測(cè)量天線輸入阻抗比較法比較法待測(cè)天線阻ZA抗接入ab點(diǎn)將信號(hào)源調(diào)到測(cè)試頻率；閉合開(kāi)關(guān)K2調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電感L0或標(biāo)準(zhǔn)電容C0，使電路諧振，此時(shí)電流指示I2最大記下標(biāo)準(zhǔn)電抗數(shù)值X1及電流值I2斷開(kāi)K2，閉合K1，此時(shí)電路失諧；重新調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電感L0或標(biāo)準(zhǔn)電容C0 ，使電路諧振調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)電阻R0，是I2任保持先前數(shù)值記下此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電抗值X2及電阻值R2RA=R2XA= X=X2-X1保持信號(hào)源保持信號(hào)源輸出恒定輸出恒定諧振法測(cè)量天線輸入阻抗Q表法表法在Q表的12端接入標(biāo)準(zhǔn)電感L0調(diào)節(jié)Q表的電容C使回

2、路諧振；記下此時(shí)的電容量C1和回路品質(zhì)因素Q1將待測(cè)天線阻抗ZA于C相并聯(lián)接入電路在相同頻率下，將回路再次調(diào)到諧振記下此時(shí)的電容量C1和回路品質(zhì)因素Q1 )(1120CCXA1021211CQQQQRA諧振法測(cè)量天線輸入阻抗綜合法綜合法將開(kāi)關(guān)K置于1位置，使待測(cè)天線阻抗ZA接入電路調(diào)節(jié)Q表的電容C,使回路在測(cè)試頻率上諧振記下此時(shí)的回路品質(zhì)因素Q1將開(kāi)關(guān)位置轉(zhuǎn)換到2 ，從而斷開(kāi)待測(cè)天線阻抗 ZA ，接入標(biāo)準(zhǔn)阻抗(R0,C0,L0)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)阻抗，使回路重新諧振，并得到與先前相同的品質(zhì)因素Q1001CXA或 00LXA0RRA電橋法測(cè)量天線輸入阻抗電橋是用比較法測(cè)量物理量的電磁學(xué)基本測(cè)量?jī)x器，電橋的

3、種類(lèi)很多，測(cè)量中等阻值（10106歐姆）的電阻要用惠斯登單臂電橋進(jìn)行測(cè)量；若要測(cè)量更大阻值的電阻，一般采用高電阻電橋或兆歐表；而要測(cè)量阻值較小的電阻，一般采用雙臂電橋（開(kāi)爾文電橋）。電橋準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，所以被廣泛用于電磁測(cè)量、自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制中?；菟沟菃伪垭姌蚴亲罨镜闹绷鲉伪垭姌?。 在測(cè)量電阻及其它電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)用到一種叫惠斯通電橋的電路，很多人認(rèn)為這種電橋是惠斯通發(fā)明的，其實(shí)，這是一個(gè)誤會(huì)，這種電橋是由英國(guó)發(fā)明家克里斯蒂在1833年發(fā)明的，但是由于惠斯通第一個(gè)用它來(lái)測(cè)量電阻，所以人們習(xí)慣上就把這種電橋稱(chēng)作了惠斯通電橋。開(kāi)爾文電橋又稱(chēng)“雙臂電橋”。測(cè)量10(-6)102歐姆低電阻的

4、直流電橋。1862年英國(guó)的W.湯姆孫在研究利用單比電橋測(cè)量小電阻遇到困難時(shí)，發(fā)現(xiàn)引起測(cè)量產(chǎn)生較大誤差的原因是引線電阻和連接點(diǎn)處的接觸電阻。這些電阻值可能遠(yuǎn)大于被測(cè)電阻值。因此,他提出了的橋路，被稱(chēng)為湯姆孫電橋。后因他晉封為開(kāi)爾文勛爵，故又稱(chēng)開(kāi)爾文電橋。引線電阻、接觸電阻及內(nèi)部連線電阻所測(cè)電阻值可低到毫歐級(jí)或更小。根據(jù)雙比電橋原理又發(fā)展出史密斯電橋，三平衡電橋和四跨線電橋等，使得采用橋路測(cè)小電阻的理論與實(shí)踐臻于完善。電橋法測(cè)量天線輸入阻抗電橋：由首尾相聯(lián)四個(gè)阻電橋：由首尾相聯(lián)四個(gè)阻 抗構(gòu)成，其對(duì)角端抗構(gòu)成，其對(duì)角端 分別為供橋電源和分別為供橋電源和 輸出端的測(cè)量電路。輸出端的測(cè)量電路。電橋的作用

5、：電橋的作用：把電阻、電感或電容的變化量轉(zhuǎn)換為電壓或電流把電阻、電感或電容的變化量轉(zhuǎn)換為電壓或電流量，以供后續(xù)電路測(cè)量記錄。量，以供后續(xù)電路測(cè)量記錄。UU0R1R2R3R4電橋法測(cè)量天線輸入阻抗ac 端：端： 供橋電源端供橋電源端1直流電橋直流電橋dcabUU0R1R2R3R4bd 端：輸出端端：輸出端 接入輸接入輸 入電阻較大的儀表入電阻較大的儀表 或放大器，因此電或放大器，因此電 橋的輸出端可看成橋的輸出端可看成 開(kāi)路。開(kāi)路。電橋法測(cè)量天線輸入阻抗直流電橋的平衡條件直流電橋的平衡條件根據(jù)電工學(xué)理論，輸出電壓為：根據(jù)電工學(xué)理論，輸出電壓為：URRRRRRRRU432142310電橋平衡：電橋

6、平衡：b、d 點(diǎn)電位相等，點(diǎn)電位相等， 輸出輸出U0 為為 0。直流電橋平衡條件：直流電橋平衡條件：4231RRRR或或4312/RRRR對(duì)臂電阻的乘積相等，對(duì)臂電阻的乘積相等，或鄰臂電阻之比相等?；蜞彵垭娮柚认嗟?。平衡條件與電平衡條件與電源電壓無(wú)關(guān)。源電壓無(wú)關(guān)。dcabUU0R1R2R3R4電橋法測(cè)量天線輸入阻抗 交流電橋的電路與直流電橋相同交流電橋的電路與直流電橋相同，但在電路具體但在電路具體實(shí)現(xiàn)上與直流電橋有兩點(diǎn)不同：實(shí)現(xiàn)上與直流電橋有兩點(diǎn)不同：交流電橋交流電橋（1）供橋電源是高頻交流電源；）供橋電源是高頻交流電源；（2）交流電橋的橋臂可以是純電阻，也可以是）交流電橋的橋臂可以是純電阻

7、，也可以是 含有電容、電感的交流阻抗。含有電容、電感的交流阻抗。dcabUU0Z1Z2Z3Z4電橋法測(cè)量天線輸入阻抗交流電橋的平衡條件：交流電橋的平衡條件：其中，其中，Z 為各橋臂的復(fù)阻抗為各橋臂的復(fù)阻抗：純電阻時(shí)電流與電壓同相位純電阻時(shí)電流與電壓同相位： = 0；電感性阻抗電感性阻抗： 0；電容性阻抗電容性阻抗 ： 0。4231ZZZZjjeZeZZ0Z或或 Z0 為復(fù)為復(fù)阻抗的模阻抗的模 為復(fù)阻抗的阻抗為復(fù)阻抗的阻抗角，是各橋臂電流與角，是各橋臂電流與電壓之間的相位差。電壓之間的相位差。dcabUU0Z1Z2Z3Z4電橋法測(cè)量天線輸入阻抗將復(fù)阻抗代入，將復(fù)阻抗代入，可得：可得：上式成立必須

8、同時(shí)滿足上式成立必須同時(shí)滿足以下條件以下條件：幅值平衡條件幅值平衡條件423104020301jjeZZeZZ相位平衡條件相位平衡條件04020301ZZZZ4231交流電橋平衡必須滿足交流電橋平衡必須滿足 幅值平衡條件幅值平衡條件 和和 相位平衡條件相位平衡條件，即相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積相，即相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積相等，它們的阻抗角之和也必須相等。等，它們的阻抗角之和也必須相等。電橋法測(cè)量天線輸入阻抗對(duì)兩種特例進(jìn)行分析：對(duì)兩種特例進(jìn)行分析：（1）交流電橋四個(gè)橋臂中有兩相）交流電橋四個(gè)橋臂中有兩相 鄰橋臂，若鄰橋臂，若1、2橋臂為純電橋臂為純電 阻，則阻，則：1= 2= 0 ，根據(jù)根據(jù) 平衡條

9、件對(duì)相位的要求，必平衡條件對(duì)相位的要求，必 須使須使 3= 4，這說(shuō)明電橋這說(shuō)明電橋 的另外兩個(gè)橋臂必須具有同的另外兩個(gè)橋臂必須具有同 性的阻抗，如容抗或感抗。性的阻抗，如容抗或感抗。143212344231電橋法測(cè)量天線輸入阻抗（2）交流電橋四個(gè)橋臂中有兩）交流電橋四個(gè)橋臂中有兩 對(duì)邊橋臂，若對(duì)邊橋臂，若1、3橋臂為橋臂為 純電阻，則純電阻，則1= 3= 0， 根據(jù)平衡條件對(duì)相位的要根據(jù)平衡條件對(duì)相位的要 求，其它兩個(gè)對(duì)邊橋臂必求，其它兩個(gè)對(duì)邊橋臂必 須具有異性的電抗，如一須具有異性的電抗，如一 邊為容抗，則另一邊應(yīng)為邊為容抗，則另一邊應(yīng)為 感抗，這樣才能符合感抗，這樣才能符合 2= -4

10、的要求。的要求。14324231電橋法測(cè)量天線輸入阻抗電容電橋的平衡條件電容電橋的平衡條件：根據(jù)平衡條件，有：根據(jù)平衡條件，有：24431111RCjRRCjRR1、R4 可視為電容介可視為電容介質(zhì)損耗的等效電阻質(zhì)損耗的等效電阻4231ZZZZ電橋法測(cè)量天線輸入阻抗令上式的實(shí)部和虛部分別相等，則得平衡條件：令上式的實(shí)部和虛部分別相等，則得平衡條件：可知可知：要使電橋平衡，必須要使電橋平衡，必須 同時(shí)調(diào)節(jié)同時(shí)調(diào)節(jié) 電阻電阻 與與 電電 容容 兩個(gè)參數(shù)達(dá)到電阻兩個(gè)參數(shù)達(dá)到電阻 平衡和電容平衡。平衡和電容平衡。4231RRRR4213/CRCR電橋法測(cè)量天線輸入阻抗電電感電橋的平衡條件：感電橋的平衡

11、條件：對(duì)圖示對(duì)圖示電感電橋，推導(dǎo)可得：電感電橋，推導(dǎo)可得：可知可知：要使電橋平衡，必須要使電橋平衡，必須 同時(shí)調(diào)節(jié)同時(shí)調(diào)節(jié) 電阻電阻 與與 電電 感感 兩個(gè)參數(shù)達(dá)到電阻兩個(gè)參數(shù)達(dá)到電阻 平衡和電感平衡。平衡和電感平衡。4231RRRR4213LRLR電橋法測(cè)量天線輸入阻抗說(shuō)說(shuō) 明明（1）對(duì)于純電阻交流電橋，即）對(duì)于純電阻交流電橋，即 使各橋臂均為電阻，但由于導(dǎo)線間存在分布電容使各橋臂均為電阻，但由于導(dǎo)線間存在分布電容，相當(dāng)于在各橋臂上并聯(lián)一個(gè)電容。因此在調(diào)節(jié)電橋平衡時(shí)，相當(dāng)于在各橋臂上并聯(lián)一個(gè)電容。因此在調(diào)節(jié)電橋平衡時(shí)，除了有電阻平衡以外，還應(yīng)有電容平衡。除了有電阻平衡以外，還應(yīng)有電容平衡。（

12、2）交流電橋的供橋電源要求高，其必須具有良好的電）交流電橋的供橋電源要求高，其必須具有良好的電壓波形和頻率穩(wěn)定性。壓波形和頻率穩(wěn)定性。交流阻抗計(jì)算中包含有電源頻率交流阻抗計(jì)算中包含有電源頻率的因子的因子，當(dāng)電源頻率不穩(wěn)定，或者電壓波形畸變時(shí)，交流當(dāng)電源頻率不穩(wěn)定，或者電壓波形畸變時(shí)，交流阻抗值就會(huì)變化，并且給電橋平衡帶來(lái)困難。阻抗值就會(huì)變化，并且給電橋平衡帶來(lái)困難。比比如對(duì)基波如對(duì)基波而言，電橋達(dá)到平而言，電橋達(dá)到平衡，而對(duì)高次諧波，衡，而對(duì)高次諧波， 電橋不一定平衡，電橋不一定平衡，可能可能會(huì)會(huì)有高次諧波電壓輸出。有高次諧波電壓輸出。電橋法測(cè)量天線輸入阻抗阻抗電橋阻抗電橋 導(dǎo)納電橋?qū)Ъ{電橋N

13、BBBxCCCRR)(12120111pPxCCXGxCMG20BxCB20CRCCM 頻率在30MHz以下電橋法測(cè)量天線輸入阻抗同軸和波導(dǎo)電橋同軸和波導(dǎo)電橋同軸電橋同軸電橋 波導(dǎo)電橋的雙波導(dǎo)電橋的雙T接頭接頭 電橋法測(cè)阻抗簡(jiǎn)單、迅速，其精確度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)阻抗和電橋結(jié)構(gòu)，在微波波段，一方面高準(zhǔn)確度可變標(biāo)準(zhǔn)阻抗制作十分困難，另方面微波孔徑天線的反射系數(shù)比輸入阻抗更為重要和更有意義。因此，實(shí)際上工作中往往把波導(dǎo)電橋作為反射計(jì)，用以測(cè)量天饋系統(tǒng)的反射系數(shù)模值。測(cè)量線法測(cè)量天線輸入阻抗同軸測(cè)量線同軸測(cè)量線傳輸線電壓電流分布不同負(fù)載時(shí)，沿傳輸線的電壓、電流分布不同負(fù)載時(shí)，沿傳輸線的電壓、電流分布tgk

14、ljZZtgkljZZZlZAAin000)(gk20minZZminll 表示某一駐波波節(jié)點(diǎn)到終端的距離min0min000mintgkljZZtgkljZZZZZAAminmin01jtgkltgkljZZAmin2min22minmin2min2min220sincoscossin) 1(sincosklklklkljklklZZA測(cè)量線測(cè)得沿線駐波系數(shù)、波導(dǎo)波長(zhǎng)、節(jié)點(diǎn)位置傳輸線電壓電流分布駐波系數(shù)和節(jié)點(diǎn)位置的測(cè)定駐波系數(shù)和節(jié)點(diǎn)位置的測(cè)定minmaxUU駐波腹點(diǎn)駐波腹點(diǎn)電壓值電壓值駐波節(jié)點(diǎn)駐波節(jié)點(diǎn)電壓值電壓值aUBI 晶體二極管檢波電流測(cè)量線探針感應(yīng)的高頻電壓晶體檢波特性和工作狀態(tài)有關(guān)的

15、參量lAUg2sin？ ？連續(xù)波工作的檢波電流不大于10 ，脈沖工作的輸入電壓不大于幾毫伏時(shí)，可以近似認(rèn)為晶體二極管具有平方律檢波特性 A測(cè)量線法測(cè)量天線輸入阻抗lll min用阻抗圓圖計(jì)算天線輸入阻抗用阻抗圓圖計(jì)算天線輸入阻抗 500Z52cmg12cml2min166. 0mingl98. 008. 1JZA)(4954jZA測(cè)量誤差測(cè)量誤差min2min22minmin2min2min220sincoscossin) 1(sincosklklklkljklklZZAminminllZZZAAAminlminl測(cè)量線法測(cè)阻抗的準(zhǔn)確度很大程度上取決于駐波系數(shù)的測(cè)量精度。引起駐波測(cè)量誤差的種種

16、原因分析，不難從一般“微波測(cè)量”書(shū)中找到。大致原因有：指示電表讀數(shù)不準(zhǔn)；探針導(dǎo)納影響；測(cè)量線機(jī)械平穩(wěn)度差；聯(lián)接轉(zhuǎn)換裝置的反射等等。掃頻法測(cè)量天線輸入阻抗不同頻率時(shí)，終端短路傳輸線上的駐波電壓分布不同頻率時(shí)，終端短路傳輸線上的駐波電壓分布1l2251l傳輸線輸入端的駐波電壓必為零傳輸線輸入端駐波電壓為最大值351l傳輸線輸入端的駐波電壓必為零當(dāng)頻率改變時(shí)，傳輸線輸入端電壓呈周期變化？輸入的頻率要變化多少輸入的頻率要變化多少時(shí)，才能使輸入端的駐時(shí)，才能使輸入端的駐波電壓變換一個(gè)周期波電壓變換一個(gè)周期22) 1(13mml131fmmf1113mmffff電波在傳輸線中傳播的速度lm21lf2傳輸線

17、愈長(zhǎng)，則在其輸入端電壓變化一個(gè)周期所需的頻率變化量就愈小掃頻法測(cè)量天線輸入阻抗測(cè)試原理圖等效電路圖終端短路時(shí)檢波電壓：10U終端接上待測(cè)阻抗)(00掃頻法測(cè)量天線輸入阻抗駐波系數(shù)駐波系數(shù)01ZR 11001minURZZUUi傳輸線特性阻抗內(nèi)阻11001maxURZZUUi111minmax2UUUU2121UUUU掃頻法測(cè)量天線輸入阻抗將傳輸線l輸出端輸出端a短路到地，記下波紋幅值U1將待測(cè)阻抗ZA接入傳輸線輸出端，記下波紋幅值U2求得待測(cè)阻抗接入后傳輸線上的駐波系數(shù)駐波系數(shù)駐波系數(shù)測(cè)量測(cè)量掃頻法測(cè)量天線輸入阻抗三頻法測(cè)三頻法測(cè)lmin傳輸線終端短路時(shí)兩相鄰節(jié)點(diǎn)的頻率傳輸線終端接待測(cè)阻抗時(shí)節(jié)

18、點(diǎn)的頻率)(21312minffffL寬帶天線的駐波測(cè)量寬帶天線的駐波測(cè)量用掃頻儀測(cè)量阻抗的條件是待測(cè)阻抗必須具有固定的電阻及電抗值。當(dāng)待測(cè)阻抗值改變時(shí)，掃頻儀熒光屏上的波形知識(shí)大小及相位改變但每個(gè)周期的頻率間隔是不變的。但一般天線的輸入阻抗是隨使用頻率而變的，因此，當(dāng)天線接入傳輸線時(shí)，不能在掃頻儀上顯示出均勻周期的波形滿足給定駐波系數(shù)要求條件的兩個(gè)頻率點(diǎn)210fff 掃頻儀測(cè)天線駐波時(shí)，熒光屏上顯示的典型波形掃頻儀測(cè)天線駐波時(shí)，熒光屏上顯示的典型波形網(wǎng)絡(luò)分析儀法測(cè)天線的輸入阻抗RAB輸入源輸入源LO 源源RFN*LO +/- IF反射反射傳輸傳輸輸入?yún)⒖夹盘?hào)輸入?yún)⒖夹盘?hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)輸出信號(hào)輸出信號(hào)BRAR駐波比測(cè)量駐波比測(cè)量矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀12無(wú)回波室被測(cè)天線校準(zhǔn)端面被測(cè)天線（含支架）在8個(gè)相隔45的水平方向上移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)，向上、向下各移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，若測(cè)量電壓駐波比的變化小于10%，則認(rèn)為測(cè)試場(chǎng)是符合要求的。(a) 將被測(cè)天線安裝符合測(cè)量環(huán)境要求的空間；(b) 將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀開(kāi)機(jī)，預(yù)熱1530分鐘；(c) 對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)按照儀器提示分別用短路器、開(kāi)路器和匹配器進(jìn)行校準(zhǔn)；(d) 將網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試端口與被測(cè)天線相接，選擇駐波比測(cè)試功能(S11