天線測量第二章

1、阻抗測量阻抗測量引言諧陣法測量天線輸入阻抗電橋法測量天線輸入阻抗測量線法測量天線輸入阻抗掃頻法測量天線輸入阻抗網(wǎng)路分析儀法測量天線的輸入阻抗互阻抗測量阻抗法測電小天線的效率阻抗測量單端口的微波元件天線的電路特性測量可以直接應(yīng)用微波測量的各種方法諧振法低頻中頻電橋法高頻超高頻測量線法微波毫米波阻阻抗抗測測量量方方法法諧振法測量天線輸入阻抗比較法比較法1. 待測天線阻ZA抗接入ab點2. 將信號源調(diào)到測試頻率；3. 閉合開關(guān)K24. 調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電感L0或標(biāo)準(zhǔn)電容C0，使電路諧振，此時電流指示I2最大5. 記下標(biāo)準(zhǔn)電抗數(shù)值X1及電流值I26. 斷開K2，閉合K1，此時電路失諧；7. 重新調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電感L

2、0或標(biāo)準(zhǔn)電容C0 ，使電路諧振8. 調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)電阻R0，是I2任保持先前數(shù)值9. 記下此時的標(biāo)準(zhǔn)電抗值X2及電阻值R2RA=R2XA= X=X2-X1保持信號源保持信號源輸出恒定輸出恒定諧振法測量天線輸入阻抗Q表法表法1. 在Q表的12端接入標(biāo)準(zhǔn)電感L02. 調(diào)節(jié)Q表的電容C使回路諧振；記下此時的電容量C1和回路品質(zhì)因素Q13. 將待測天線阻抗ZA于C相并聯(lián)接入電路4. 在相同頻率下，將回路再次調(diào)到諧振5. 記下此時的電容量C1和回路品質(zhì)因素Q1 )(1120CCXA1021211CQQQQRA諧振法測量天線輸入阻抗綜合法綜合法1.將開關(guān)K置于1位置，使待測天線阻抗ZA接入電路2.調(diào)節(jié)Q表的電容

3、C,使回路在測試頻率上諧振3.記下此時的回路品質(zhì)因素Q14.將開關(guān)位置轉(zhuǎn)換到2 ，從而斷開待測天線阻抗 ZA ，接入標(biāo)準(zhǔn)阻抗(R0,C0,L0)5.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電橋法測量天線輸入阻抗電橋是用比較法測量物理量的電磁學(xué)基本測量儀器，電橋的種類很多，測量中等阻值（10106歐姆）的電阻要用惠斯登單臂電橋進(jìn)行測量；若要測量更大阻值的電阻，一般采用高電阻電橋或兆歐表；而要測量阻值較小的電阻，一般采用雙臂電橋（開爾文電橋）。電橋準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，所以被廣泛用于電磁測量、自動調(diào)節(jié)和自動控制中。惠斯登單臂電橋是最基本的直流單臂

4、電橋。 在測量電阻及其它電學(xué)實驗時，經(jīng)常會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，這是一個誤會，這種電橋是由英國發(fā)明家克里斯蒂在1833年發(fā)明的，但是由于惠斯通第一個用它來測量電阻，所以人們習(xí)慣上就把這種電橋稱作了惠斯通電橋。開爾文電橋又稱“雙臂電橋”。測量10(-6)102歐姆低電阻的直流電橋。1862年英國的W.湯姆孫在研究利用單比電橋測量小電阻遇到困難時，發(fā)現(xiàn)引起測量產(chǎn)生較大誤差的原因是引線電阻和連接點處的接觸電阻。這些電阻值可能遠(yuǎn)大于被測電阻值。因此,他提出了的橋路，被稱為湯姆孫電橋。后因他晉封為開爾文勛爵，故又稱開爾文電橋。引線電阻、接觸電阻及內(nèi)部連線電阻

5、所測電阻值可低到毫歐級或更小。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，使得采用橋路測小電阻的理論與實踐臻于完善。電橋法測量天線輸入阻抗電橋：由首尾相聯(lián)四個阻電橋：由首尾相聯(lián)四個阻 抗構(gòu)成，其對角端抗構(gòu)成，其對角端 分別為供橋電源和分別為供橋電源和 輸出端的測量電路。輸出端的測量電路。電橋的作用：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)電路測量記錄。量，以供后續(xù)電路測量記錄。UU0R1R2R3R4電橋法測量天線輸入阻抗ac 端：端： 供橋電源端供橋電源端1直流電橋直流電橋dcabUU0R1R2R3R4bd

6、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 開路。開路。電橋法測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：電橋平衡：b、d 點電位相等，點電位相等， 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對臂電阻的乘積相等，對臂電阻的乘積相等，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關(guān)。源電壓無關(guān)。dcabUU0R1

7、R2R3R4電橋法測量天線輸入阻抗 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現(xiàn)上與直流電橋有兩點不同：實現(xiàn)上與直流電橋有兩點不同：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，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：純電阻時電流與電壓同相位純電阻時電流與電壓同相位： = 0；電感性阻抗電感性阻

8、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：上式成立必須同時滿足上式成立必須同時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，即相對兩臂阻抗之模

9、的乘積相，即相對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。電橋法測量天線輸入阻抗對兩種特例進(jìn)行分析：對兩種特例進(jìn)行分析：（1）交流電橋四個橋臂中有兩相）交流電橋四個橋臂中有兩相 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) 平衡條件對相位的要求，必平衡條件對相位的要求，必 須使須使 3= 4，這說明電橋這說明電橋 的另外兩個橋臂必須具有同的另外兩個橋臂必須具有同 性的阻抗，如容抗或感抗。性的阻抗，如容抗或感抗。143212344231電橋法測量天線輸入阻抗（2）交流電橋四個橋臂中有兩）交流電橋四個橋臂中有兩

10、對邊橋臂，若對邊橋臂，若1、3橋臂為橋臂為 純電阻，則純電阻，則1= 3= 0， 根據(jù)平衡條件對相位的要根據(jù)平衡條件對相位的要 求，其它兩個對邊橋臂必求，其它兩個對邊橋臂必 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 的要求。的要求。14324231電橋法測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：R1、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電橋法測量天線輸入阻抗令上式的實部和虛部分別相等，則得平衡條件：令上式的

11、實部和虛部分別相等，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 同時調(diào)節(jié)同時調(diào)節(jié) 電阻電阻 與與 電電 容容 兩個參數(shù)達(dá)到電阻兩個參數(shù)達(dá)到電阻 平衡和電容平衡。平衡和電容平衡。4231RRRR4213/CRCR電橋法測量天線輸入阻抗電電感電橋的平衡條件感電橋的平衡條件：對圖示對圖示電感電橋，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 同時調(diào)節(jié)同時調(diào)節(jié) 電阻電阻 與與 電電 感感 兩個參數(shù)達(dá)到電阻兩個參數(shù)達(dá)到電阻 平衡和電感平衡。平衡和電感平衡。4231RRRR4213LRLR電橋法測量天線輸入阻抗說說 明明（1）對于純電阻交流電橋，即）對于純

12、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)一個電容。因此在調(diào)節(jié)電橋平衡時，相當(dāng)于在各橋臂上并聯(lián)一個電容。因此在調(diào)節(jié)電橋平衡時，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。（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。交流阻抗計算中包含有電源頻率交流阻抗計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，交流當(dāng)電源頻率不穩(wěn)定，或者電壓波形畸變時，交流阻抗值就會變化，并且給電橋平衡

13、帶來困難阻抗值就會變化，并且給電橋平衡帶來困難。比比如對基波如對基波而言，電橋達(dá)到平而言，電橋達(dá)到平衡，而對高次諧波衡，而對高次諧波， 電橋不一定平衡電橋不一定平衡，可能可能會會有高次諧波電壓輸出有高次諧波電壓輸出。電橋法測量天線輸入阻抗阻抗電橋阻抗電橋 導(dǎo)納電橋?qū)Ъ{電橋NBBBxCCCRR)(12120111pPxCCXGxCMG20BxCB20CRCCM 頻率在30MHz以下電橋法測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 電橋法測阻抗簡單、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，

14、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，實際上工作中往往把波導(dǎo)電橋作為反射計，用以測量天饋系統(tǒng)的反射系數(shù)模值。測量線法測量天線輸入阻抗同軸測量線同軸測量線傳輸線電壓電流分布不同負(fù)載時，沿傳輸線的電壓、電流分布不同負(fù)載時，沿傳輸線的電壓、電流分布tgkljZZtgkljZZZlZAAin000)(gk20minZZminll 表示某一駐波波節(jié)點到終端的距離min0min000mintgkljZZtgkljZZZZZAAminmin01jtgkltgkljZZAmin2min22minmin2min2min220sincoscossin) 1(sincosklklklklj

15、klklZZA測量線測得沿線駐波系數(shù)、波導(dǎo)波長、節(jié)點位置傳輸線電壓電流分布駐波系數(shù)和節(jié)點位置的測定駐波系數(shù)和節(jié)點位置的測定minmaxUU駐波腹點駐波腹點電壓值電壓值駐波節(jié)點駐波節(jié)點電壓值電壓值aUBI 晶體二極管檢波電流測量線探針感應(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，可以近似認(rèn)為晶體二極管具有平方律檢波特性 A測量線法測量天線輸入阻抗lll min用阻抗圓圖計算天線輸入阻抗用阻抗圓圖計算天線輸入阻抗 500Z52cmg12cml2min166. 0mingl98. 008. 1JZA)(4954

16、jZA測量誤差測量誤差min2min22minmin2min2min220sincoscossin) 1(sincosklklklkljklklZZAminminllZZZAAAminlminl測量線法測阻抗的準(zhǔn)確度很大程度上取決于駐波系數(shù)的測量精度。引起駐波測量誤差的種種原因分析，不難從一般“微波測量”書中找到。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。掃頻法測量天線輸入阻抗不同頻率時，終端短路傳輸線上的駐波電壓分布不同頻率時，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

17、的駐波電壓必為零當(dāng)頻率改變時，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，才能使輸入端的駐時，才能使輸入端的駐波電壓變換一個周期波電壓變換一個周期22) 1(13mml131fmmf1113mmffff電波在傳輸線中傳播的速度lm21lf2傳輸線愈長，則在其輸入端電壓變化一個周期所需的頻率變化量就愈小掃頻法測量天線輸入阻抗測試原理圖等效電路圖終端短路時檢波電壓：10U終端接上待測阻抗)(00掃頻法測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

18、量天線輸入阻抗1.將傳輸線l輸出端輸出端a短路到地，記下波紋幅值U12.將待測阻抗ZA接入傳輸線輸出端，記下波紋幅值U23.求得待測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)測量測量掃頻法測量天線輸入阻抗三頻法測三頻法測lmin傳輸線終端短路時兩相鄰節(jié)點的頻率傳輸線終端接待測阻抗時節(jié)點的頻率)(21312minffffL寬帶天線的駐波測量寬帶天線的駐波測量用掃頻儀測量阻抗的條件是待測阻抗必須具有固定的電阻及電抗值。當(dāng)待測阻抗值改變時，掃頻儀熒光屏上的波形知識大小及相位改變但每個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，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)要求條件的兩個頻率點210fff 掃頻儀測天線駐波時，熒光屏上顯示的典型波形掃頻儀測天線駐波時，熒光屏上顯示的典型波形網(wǎng)絡(luò)分析