實(shí)驗(yàn)二、晶體檢波器校準(zhǔn)及駐波比測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)二、晶體檢波器校準(zhǔn)與駐波比測量班級：核32 姓名：楊新宇 學(xué)號：2013011806 同組成員：楊宗諭第一部分：晶體檢波器校準(zhǔn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握測量線的使用方法.（2）掌握晶體檢波器定標(biāo)和求檢波率的方法二、實(shí)驗(yàn)原理1、駐波測量線的調(diào)整駐波測量線是微波系統(tǒng)的一種常用測量儀器，它在微波測量中用途很廣，如測駐波、阻抗、相位和波導(dǎo)波長等。測量線通常由一段開槽傳輸線、探頭（耦合探針、探針的調(diào)諧腔體和輸出指示）、傳動裝置三部分組成。由于耦合探針深入傳輸線而引入不均勻性，其作用相當(dāng)于在線上并聯(lián)一個導(dǎo)納，從而影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。為了減小影響，測量前必須仔細(xì)調(diào)整測量線。實(shí)驗(yàn)中測量線的調(diào)整一般包括選擇合適

2、的探針伸度、調(diào)諧探頭和測定晶體檢波特性。探針電路的調(diào)諧方法：先使探針的插入深度適當(dāng)，通常取1.01.5mm。然后測量線終端接匹配負(fù)載，移動探針至測量線中間位置，調(diào)節(jié)探頭活塞，直到輸出指示輸出值為最大。在之后的測量試驗(yàn)中，請不要再改變探針及探頭活塞位置。2、導(dǎo)波波長測量測量波長常見的方法有諧振法和駐波分布法。前者用諧振式頻率計(jì)測量，后者用駐波測量線測量，當(dāng)測量線終端短路時(shí)，傳輸線上形成純駐波，移動測量線探針，測出兩個相鄰駐波最小點(diǎn)之間的距離即可求得導(dǎo)波波長g。此外，也可將精密可調(diào)短路器接在測量線的輸出端，置測量線探針于某一波節(jié)點(diǎn)位置不變，移動可調(diào)短路器活塞，則探針檢測值隨之由最小逐漸增至最大，然

3、后又減至最小值，即為相鄰的又一個駐波節(jié)點(diǎn)，短路器移動的活塞距離等于半個導(dǎo)波波長。在傳輸橫電磁波的同軸系統(tǒng)中，按上述方法測出的導(dǎo)波波長就是電磁波在自由空間傳播的工作波長0，即g=0。而在波導(dǎo)系統(tǒng)中測量線測出的是導(dǎo)波波長g，導(dǎo)波波長和工作波長0之間的關(guān)系式為：g=01-0c2=01-02a2 (2-1)其中0=C/f0，a=22.86mm。為了提高測量精度，通常采用交叉讀數(shù)法測量導(dǎo)波波長如圖2.1 所示。交叉讀數(shù)法的測量方法是在波節(jié)點(diǎn)附近兩旁找出電表讀數(shù)相等的兩個對應(yīng)位置d11、d12；d21、d22，然后分別取其平均值確定波節(jié)點(diǎn)的位置。具體操作步驟是：（1）用數(shù)字頻率計(jì)測量信號頻率，并配合信號源

4、上的頻率調(diào)諧旋鈕調(diào)整信號源的工作頻率，使信號源的工作頻率在8.212.5GHz 范圍（BJ100 波導(dǎo)工作帶寬）內(nèi)，建議為9300MHz。（2）測量線終端接短路板，使系統(tǒng)處于短路狀態(tài)。（3）按交叉讀數(shù)法測量導(dǎo)波波長：請測量三遍，求平均值。d01=(d11+d12)/2d02=(d21+d22)/2則得：g=2×|d02-d01|3、晶體檢波器特性的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。晶體二極管是非線性元件，其檢波電流與兩端電壓之間的關(guān)系為：I=KUn (2-2)式中n表示晶體管的檢波規(guī)律：如n=1，I

5、|U|，稱線性檢波；當(dāng)n=2，|U|2，成平方律檢波。因此，二極管的檢波特性隨其端電壓大小而變化，當(dāng)端電壓較小時(shí)，呈現(xiàn)出平方律；端電壓較大時(shí)，呈現(xiàn)線性規(guī)律。測量線探針在波導(dǎo)中感應(yīng)的電動勢（即晶體二極管兩端的電壓U）與探針?biāo)谔幍碾妶鯡成正比，因而，檢波電流和波導(dǎo)中的場強(qiáng)E 同樣滿足關(guān)系式I=KEn (2-3)故要從檢波電流讀數(shù)值決定電場強(qiáng)度的相對值，就必須確定晶體檢波律n。當(dāng)n=2 時(shí)，該檢波電流讀數(shù)即為相對功率指示值。實(shí)驗(yàn)室常用的晶體檢波器定標(biāo)方法駐波法。（1）第一種方法：測量指示器讀數(shù)與相對場強(qiáng)的關(guān)系曲線當(dāng)測量線短路時(shí)，沿線各點(diǎn)電場分布為E=Em·sin2gd (2-4a)相對場

6、強(qiáng) EEm=|sin2gd| (2-4b)將式(2-4b)代入式(2-3)得I=K''|sin2gd|n (2-5)式中，Em為駐波波腹點(diǎn)電場強(qiáng)度，g為波導(dǎo)波長，d為測量線探針與駐波節(jié)點(diǎn)的距離，|sin2gd|是探針位置的相對場強(qiáng)。按E/ Em和隨d 的變化規(guī)律,即可得出圖2.2 曲線。在g/4范圍內(nèi)移動探針，使其偏離駐波節(jié)點(diǎn)不同位置d，各點(diǎn)讀取指示電表讀數(shù)，即能做出sin2d/g關(guān)系曲線，也就是晶體二極管定標(biāo)曲線。如圖2.3 所示。對式(2-5)兩邊取對數(shù)，并令K''=1，得到 log=nlogsin2d/g根據(jù)上式，曲線的斜率即為晶體檢波律n。(2) 第二種

7、方法：測量線終端短路，測出半峰值讀數(shù)間的距離W，如圖2.4 所示。n=log0.5logcosWg (2-6)根據(jù)測定的晶體檢波律，即能得到晶體平方律檢波的工作范圍。實(shí)驗(yàn)中大多數(shù)微波測試系統(tǒng)屬于小信號工作狀態(tài)，因此，晶體檢波律基本為平方律，如果不是精密測量，通?？扇=2。4、實(shí)驗(yàn)線路圖三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、測量準(zhǔn)備工作(1) 參照圖2.5 連接各微波元件,測量線終端接匹配負(fù)載。(2) 檢查系統(tǒng)是否連接正確，調(diào)整信號源工作方式，選擇為“等幅波”或“CW”波。輸出頻率設(shè)定在8.212.5GHz 范圍（BJ100 波導(dǎo)工作帶寬）內(nèi)。建議設(shè)在9300MHz。(3) 調(diào)整測量線 ，方法參見“實(shí)驗(yàn)原理”

8、中的“1.1 駐波測量線的調(diào)整”。a測量線終端接匹配負(fù)載，并將測量線探頭晶體檢波輸出端接微安表。b移動探針至測量線的中間部位，調(diào)節(jié)探頭活塞，使電表偏轉(zhuǎn)最大，如果發(fā)現(xiàn)探針可調(diào)諧在幾個峰值上時(shí)，應(yīng)選取峰值最大位置，此時(shí)測量線處于最佳工作狀態(tài)。2、校準(zhǔn)晶體二極管的檢波特性2.1用測量指示器讀數(shù)與相對場強(qiáng)的關(guān)系曲線求晶體檢波律（第一種方法）(1) 測量波導(dǎo)波長（a）測量線終端接短路板，移動探針至駐波波節(jié)點(diǎn)，用交叉讀數(shù)法測量相鄰三個波節(jié)點(diǎn)的位置，列出相應(yīng)表格記錄測量數(shù)據(jù)d11、d12；d21、d22、d31、d32，并計(jì)算導(dǎo)波波長g1。（b） 測量線終端改接可調(diào)短路器：置短路活塞于某一位置l01（活塞標(biāo)

9、尺刻度約2.0mm 處），使測量線探針位于某駐波節(jié)點(diǎn)處，用交叉讀數(shù)法測量l01。測量線探針不動，移動活塞位置，在l01兩旁測出指示電表讀數(shù)相等的兩對應(yīng)位置l11 、l12、取其平均值即為l01。仍固定測量線探針位置，移動活塞直至探針指示再次出現(xiàn)最小值，用交叉讀數(shù)法測出活塞位置為l02。列出相應(yīng)表格，記錄測量數(shù)據(jù)l11、l12；l21、l22，計(jì)算導(dǎo)波波長g2，并與g1 比較。(2) 在波節(jié)到波腹的g/4長度內(nèi)，分為10 個等距間隔，即確定10 個測量點(diǎn)，找出每個測量點(diǎn)上對應(yīng)的指示器的讀數(shù)。(3) 根據(jù)表中的，I 值，畫出（I）曲線，即檢波律校準(zhǔn)曲線。2.2用半高點(diǎn)間的距離求晶體檢波律（第二種方

10、法）移動探針至駐波波腹點(diǎn)，再調(diào)整微波衰減器使指示電表讀數(shù)可整除，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、I右為50%時(shí)探針對應(yīng)的位置刻度d1、d2。計(jì)算晶體檢波律n（計(jì)算公式見（2-6），與方法（1）結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)測定的晶體就檢波律，既能得到晶體平方檢波律的工作范圍，是未來實(shí)驗(yàn)中晶體檢波器應(yīng)用的依據(jù)。四、數(shù)據(jù)記錄及處理1、測量導(dǎo)波波長方法1測量結(jié)果：d11d12d21d22位置/mm89.3491.08112.14113.70電表讀數(shù)/mV0.80.80.80.8波節(jié)處電表讀數(shù)：0.1mV波腹處電表讀數(shù)：40mV這里本應(yīng)該測量三個波節(jié)處的讀數(shù)，但是由于實(shí)驗(yàn)過程中只能找到兩個波

11、節(jié)，所以只有兩組數(shù)據(jù)。由此計(jì)算出的導(dǎo)波波長g1的公式如下：g1=2d21+d222-d11+d122=22.71mm×2=45.42mm方法2測量結(jié)果：l11l12l21l22位置/mm1.415.4323.7227.31電表讀數(shù)/mV0.50.50.50.5波節(jié)處電表讀數(shù)：0.1mV由此計(jì)算導(dǎo)波波長g2的公式如下：g2=2l21+l222-l11+l122=44.19mm由公式(2-1)計(jì)算出的導(dǎo)波波長g為45.52mm，可以發(fā)現(xiàn)方法1的結(jié)果更接近與計(jì)算出的導(dǎo)波波長。這里需要說明的是在方法2的測量過程中，電表的讀數(shù)并不穩(wěn)定，所以一方面在讀數(shù)上的誤差要大于方法1的讀數(shù)。另一方面，在實(shí)

12、驗(yàn)過程中，信號源的頻率不穩(wěn)定，也為測量帶來了一定的誤差。2、檢波律校準(zhǔn)曲線d0g40g203g40g10g83g207g40g59g40g4=2dg0201032054310720259202E=sin00.1560.3090.4540.5880.7070.8090.8910.9510.9881.000I00.0510.1020.2200.3730.5080.6900.8140.8980.9831.000E與I的數(shù)據(jù)如上表所示，做成圖像如下圖所示：取對數(shù)后，線性擬合的斜率為1.68938，我們很明顯的看出最下面的點(diǎn)帶來了比較大的誤差，如果刪去這個點(diǎn)，重新進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如下所示：此時(shí)斜率變成

13、了1.938，很接近2，近似可以認(rèn)為是平方檢波律。最下面的點(diǎn)的電表示數(shù)相對值為0.051，絕對讀數(shù)為0.3mV，而且讀數(shù)不穩(wěn)定，帶來的誤差比較大，所以在這里忽略掉這個點(diǎn)是合理的。3、半高點(diǎn)求晶體檢波律測得左右兩個半高點(diǎn)的位置分別為d1=95.62mm，d2=107.16mm，W=d2-d1=11.54mm由此計(jì)算n的公式為：n=log0.5logcosWg=1.938。比較接近2，可以近似認(rèn)為是平方檢波律。附：原始數(shù)據(jù)記錄表第二部分：駐波比測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握用直接法和等指示度法測量電壓駐波比的測量原理和方法。二、實(shí)驗(yàn)原理駐波測量是微波測量中最基本和最重要的內(nèi)容之一。通過駐波系數(shù)（通常指

14、電壓駐波比）測量不僅可以了解傳輸線上的場分布，而且可以獲得阻抗、導(dǎo)波波長、相位移、衰減、Q 值等其它微波參量。電壓駐波比（簡稱駐波比）是傳輸線中電場最大值與最小值之比，表示為：=EmaxEmin (2-7)測量駐波比的方法很多，測量儀器也較多。本實(shí)驗(yàn)主要通過直接法、等指示度法測量一些負(fù)載的駐波比，掌握兩種方法所適用的測量范圍、測量原理、測量步驟。1、直接法直接測量沿線駐波的最大和最小場強(qiáng)（參見圖2.6），根據(jù)式（2-7）直接求出電壓駐波比。該方法適用于測量中、小電壓駐波比。具體操作方法是：將測量線探頭沿線移動直接測出測量線上最大場強(qiáng)Emax（實(shí)際測量的是它對應(yīng)的檢波電流Imax）和最小場強(qiáng)Em

15、in（實(shí)際測出的是它對應(yīng)的檢波電流Imin），直接代入公式（2-7）得到駐波比。通常在實(shí)驗(yàn)條件下，檢波功率電平較小，可以認(rèn)為檢波特性為平方律，即n=2。當(dāng)待測元件的駐波比在1.05 << 1.5 時(shí)，則駐波比為：=ImaxImin (2-8)駐波的最大值和最小值相差不大，且波節(jié)、波腹平坦難以準(zhǔn)確測定。為了提高測量精度，可移動探針測出幾個波腹和波節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。然后用式（2-9）或（2-10）取平均值：=Imax1+Imax2+Imax3+Imax nImin1+Imin2+Imin3+Imin n (2-9)或=1nImax1Imin1+Imax2Imin2+Imax3Imin3+Im

16、ax nImin n (2-10)當(dāng)駐波系數(shù)1.5<< 6 時(shí)，可直接讀出場強(qiáng)的最大值與最小值，按公式（2-8）計(jì)算。直接法測駐波比是一種最簡單而又最常用的方法。但這種方法僅適用于駐波系數(shù)小于6情，即適用于中、小駐波系數(shù)的測量。在大駐波比時(shí)，最大場強(qiáng)指示與最小場強(qiáng)指示相差懸殊。若要使Imax不超出量程，Imin就必定很小，而低量程時(shí)電表讀數(shù)誤差較大。若要使Imin保持較大的讀數(shù)，則Imax就必定要超出電表的量程。同時(shí)，當(dāng)被測器件的駐波系數(shù)大于6 時(shí)，由于駐波最大與最小時(shí)電壓相差很大，在駐波最大點(diǎn)由于電壓較大，往往使晶體的檢波特性偏離平方律而轉(zhuǎn)向直線律。這樣用直接法測量駐波系數(shù)就將引

17、入較大的誤差。因此，在大駐波系數(shù)的條件下，直接法不適用。需要尋求其他方法，下面介紹的等指示度法就是其中之一。2、等示度法（適用于>6）等指示度法適用于測量大、中電壓駐波比。當(dāng)被測器件駐波較大時(shí)，駐波波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)電平相差懸殊，因而在測量最大和最小點(diǎn)電平時(shí)，使晶體工作在不同的檢波律，若按照直接法測量會產(chǎn)生較大的誤差。等指示度法是采用測量駐波圖形節(jié)點(diǎn)兩旁附近的場分布規(guī)律求駐波比的方法，因此克服了直接法測量的缺點(diǎn)。具體描述如下：圖（2.7）中表示出了駐波波節(jié)點(diǎn)附近的電場分布曲線和需要測量的相關(guān)量。通常測量I左或右=2Imin的兩個等指示度點(diǎn)所對應(yīng)的探針位置間的距離W=|d2-d1|。當(dāng)檢波器的

18、檢波律是平方檢波時(shí)，傳輸線中駐波比可以按下式作近似計(jì)算：=1+1sin2Wg (2-11)當(dāng)大于10時(shí)，sinWg很小，上式可以簡化為：=gW （2-12）上式可以看出，在等指示度法中，寬度W 和波導(dǎo)波長g的測量精度對我們的測量結(jié)果影響很大，所以在測量過程中，我們測量寬度W 和波導(dǎo)波長g時(shí)要細(xì)心，力求精確。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、參照圖2.8接線，測量線終端接匹配負(fù)載。2、調(diào)整信號源工作狀態(tài)，以獲得最佳輸出。3、不改變頻率，導(dǎo)波波長仍采用第一部分測量得到的導(dǎo)波波長。4、用直接法測量螺釘不同插入深度時(shí)的駐波比。（a）在測量線后換接成“單螺釘調(diào)配器 + 匹配負(fù)載”。（b）將螺釘插入深度置于0mm 處

19、，測量線探針置于波腹處，調(diào)整衰減器使微安表指示值適度，移動測量線探針，用直接法測出最大值與最小值，由式（2-8）計(jì)算駐波比。（c） 螺釘插入深度每增加2mm，按上述步驟(b)進(jìn)行一次測量，結(jié)果記錄于表(2-1)中。（d） 每次測量前，都要調(diào)整可變衰減器指示器的靈敏度，使在波節(jié)處指示器有明顯的指示。（e）測量波導(dǎo)開口時(shí)的電壓駐波比。（理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）5、用等指示度法測量不同深度下螺釘?shù)碾妷厚v波比（a） 調(diào)節(jié)單螺深度置于7mm，測量線探針移至駐波波節(jié)點(diǎn)。調(diào)整可變衰減器、正確選擇檢波電流值，必要時(shí)可微小調(diào)整測量線探針的插入深度（通常不用調(diào)整），讀取駐波波節(jié)點(diǎn)幅值Imin。（b） 緩慢移動探針，在駐波波

20、節(jié)點(diǎn)兩旁找到指示器讀數(shù)為2Imin的兩個等指示度點(diǎn)，應(yīng)用測量線標(biāo)尺千分表讀取這兩個等指示度點(diǎn)對應(yīng)的探針讀數(shù)值d1和d2，記錄數(shù)據(jù)。（c） 根據(jù)公式=gW計(jì)算駐波比。四、數(shù)據(jù)記錄及處理1、直接法測駐波比螺釘插入深度/mm02468Imin(mV)8.17.96.32.30.6Imax(mV)8.18.310.217.324.0計(jì)算1.0001.0251.2722.7436.325這里采取的公式為公式（2-8）。2、等指示度法測駐波比（測量5次取平均值）次數(shù)（n）Imin(mV)2Imin對應(yīng)的探針位置W=|d1-d2|(mm)駐波比d1(mm)d2(mm)11.197.68100.983.304

21、.5421.197.72101.023.304.5431.197.72101.043.324.5141.197.70100.963.264.5951.197.70101.023.324.51這里采用計(jì)算公式為公式(2-11)，得到的駐波比的平均值為4.54。所以，我們得到螺釘插入深度與駐波比的關(guān)系如下表所示：螺釘插入深度/mm024678駐波比1.0001.0251.2722.7434.5406.325畫成圖像如下圖所示：五、兩個部分的思考題（1）測量線的調(diào)整主要包括那些內(nèi)容？怎樣調(diào)整測量線的探針電路？答：實(shí)驗(yàn)中測量線的調(diào)整一般包括選擇合適的探針伸度、調(diào)諧探頭和測定晶體檢波特性。探針電路的調(diào)諧

22、方法：先使探針的插入深度適當(dāng)，通常取1.01.5mm。然后測量線終端接匹配負(fù)載，移動探針至測量線中間位置，調(diào)節(jié)探頭活塞，直到輸出指示輸出值為最大。（2）為什么要測量晶體二極管的檢波律，其意義是什么？答：晶體二極管將電場強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換成了電流信號或電壓信號，我們使用晶體檢波器的目的是要測量波導(dǎo)中的電場強(qiáng)度，為了得到電場強(qiáng)度與電流信號或電壓信號的對應(yīng)關(guān)系，就必須確定晶體檢波律n。（3）試比較實(shí)驗(yàn)中所用的二種駐波系數(shù)測量方法各自的特點(diǎn)。答：直接法直接根據(jù)駐波比的定義進(jìn)行測量，測出最大場強(qiáng)和最小場強(qiáng)，然后用定義求出駐波比，這要求最小場強(qiáng)可以不被噪聲湮沒，最大場強(qiáng)沒有超過量程，所以適用于測量中、小電壓駐波

23、比；等指示度法只需要測量波節(jié)左右的2倍最小場強(qiáng)的位置，然后由此導(dǎo)出駐波比，所以可以用于測量大駐波比，但是對位置的測量精度和導(dǎo)波波長的測量精度要求較高。（4）測量參量（如g、W 等）時(shí)，移動測量線探針及短路活塞應(yīng)如何操作？為什么？答：測量導(dǎo)波波長時(shí)，移動測量線探針至駐波波節(jié)點(diǎn)附近，然后沿一個方向移動，依次找出要測量的d11、d12；d21、d22、d31、d32的位置。若用短路活塞，則先將測量線探針置于駐波波節(jié)點(diǎn)，再將短路活塞置于某個位置（比如活塞標(biāo)尺刻度2.0mm處），然后沿一個方向依次找到要測的數(shù)據(jù)。兩個操作基本一致，都要盡量避免向反方向測量，這樣做可以避免空程帶來的誤差。（5）在接入單螺釘測駐波系數(shù)時(shí)，為什么要在單螺配器后接匹配負(fù)載？答：如果沒有在單螺調(diào)配器后加上匹配負(fù)載，那么不匹配負(fù)載的阻值就會與單螺調(diào)配器的阻值疊