實(shí)驗(yàn)三、阻抗測(cè)量與匹配技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)三、阻抗測(cè)量與匹配技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)：核32 姓名：楊新宇 學(xué)號(hào)：2013011806 同組成員：楊宗諭一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握用測(cè)量線測(cè)量微波元件阻抗的方法；2、熟悉Smith 圓圖在阻抗測(cè)量中的應(yīng)用；3、熟悉阻抗匹配技術(shù)；二、 實(shí)驗(yàn)原理1、 阻抗測(cè)量的基本原理在微波測(cè)量技術(shù)中，微波系統(tǒng)的阻抗是微波工程中的重要參數(shù)。微波元件的阻抗是微波系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)的依據(jù),也是研究復(fù)雜微波結(jié)構(gòu)的微波網(wǎng)絡(luò)中確定等效電路參數(shù)的依據(jù)。阻抗測(cè)量不僅應(yīng)用于微波器件特性阻抗的研究及微波系統(tǒng)的阻抗匹配，同時(shí)也是一些復(fù)雜測(cè)量（如微波網(wǎng)路參量的測(cè)量）的基礎(chǔ)。因而微波阻抗測(cè)量是一項(xiàng)非常重要的測(cè)量。根據(jù)傳輸線理論，傳輸線中駐波分布

2、與終端負(fù)載阻抗直接相關(guān)，表征駐波特性的兩個(gè)參量，駐波比及相位lmin與負(fù)載阻抗有如下關(guān)系：式中，ZL為歸一化負(fù)載阻抗，即單口微波器件輸入阻抗；為駐波比；lmin是終端負(fù)載至相鄰駐波節(jié)點(diǎn)的距離，見圖4-1。由于=2g，這樣g、lmin就是確定負(fù)載歸一化阻抗的三個(gè)參數(shù)，利用式（4-1）即阻抗測(cè)量就歸結(jié)為對(duì)上述三個(gè)參量的測(cè)量。2、 駐波最小點(diǎn)位置lmin的測(cè)量原理由于測(cè)量線標(biāo)尺的兩端點(diǎn)不是延伸到線體的兩端口，直接測(cè)量輸入端口至相鄰駐波節(jié)點(diǎn)的距離有困難，但根據(jù)阻抗分布的g2重復(fù)性原理，只要找到與待測(cè)阻抗相等的面作為等效參考面即可，這就是在測(cè)量中常采用的方法“等效截面法”。首先讓測(cè)量線終端短路，沿線駐波

3、分布如圖4-2（a）所示，因而移動(dòng)測(cè)量探針可測(cè)得某一駐波節(jié)點(diǎn)位置dT,它與終端距離為半波長(zhǎng)的整倍數(shù)ng2（n=1,2,3），此位置即為待測(cè)元件輸入端面在測(cè)量線上的等效位置T。當(dāng)測(cè)量線終端接上待測(cè)負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)的駐波分布圖如圖4-2（b）所示，用測(cè)量線測(cè)得dT左邊（向波源方向）的相鄰駐波節(jié)點(diǎn)位置dmin即為終端相鄰駐波節(jié)點(diǎn)的等效位置，所以有: lmin=|dmin-dT|。由公式4-1可以計(jì)算待測(cè)元件的輸入阻抗ZL。在工程設(shè)計(jì)中為簡(jiǎn)便起見，負(fù)載阻抗也可由Smith圓圖進(jìn)行求解。圖4-3為導(dǎo)納圓圖，圖中A點(diǎn)即為歸一化導(dǎo)納YL，B點(diǎn)的讀數(shù)即為歸一化阻抗ZL。3、 感性膜片和容性膜片在波導(dǎo)中放置如圖4-

4、4所示的開有窗口的全金屬片稱為膜片，當(dāng)膜片的厚度滿足 tg時(shí)（為膜片的趨附深度），g為波導(dǎo)波長(zhǎng)，其等效電路為一并聯(lián)電納Y=G+jB ，通常膜片的損耗很小，電導(dǎo)G分量可以忽略，因此有Y=jB。膜片電納可用駐波法測(cè)出。但將膜片接在測(cè)量線輸出端，膜片窗口將向外輻射能量，必須接一個(gè)匹配負(fù)載，這時(shí)從膜片左端向終端看上去的歸一化輸入導(dǎo)納即為：Yin=1+jB ，從而得到膜片的歸一化電納值B,精度取決于匹配負(fù)載的匹配性能。4、 阻抗匹配匹配是微波技術(shù)中的一個(gè)重要概念，通常包含兩方面的意義：一是微波源的匹配，二是負(fù)載的匹配。通常微波系統(tǒng)中微波源都采用匹配源，因此，微波系統(tǒng)中的匹配技術(shù)如果不特別說明通常就指的是

5、阻抗匹配技術(shù)。阻抗匹配不僅廣泛地應(yīng)用在微波傳輸系統(tǒng)中，用以獲得良好的工作性能及傳輸效率，如傳輸效率高，系統(tǒng)能傳輸?shù)墓β嗜萘孔畲螅⒉ㄔ垂ぷ饕草^穩(wěn)定等，而且對(duì)于微波測(cè)量，也是十分重要的，它直接關(guān)系到測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，在精密測(cè)量中，往往對(duì)阻抗匹配提出很高的要求。從傳輸線理論可知電壓反射系數(shù)與負(fù)載阻抗ZL的關(guān)系為：當(dāng)ZLZC時(shí)，即阻抗不匹配，就會(huì)產(chǎn)生反射，所以掌握匹配的原理和技巧，對(duì)分析和解決微波技術(shù)中的實(shí)際問題具有十分重要的意義。在小功率時(shí)，構(gòu)成微波匹配源的最簡(jiǎn)單的辦法是在信號(hào)源的輸出端口接一個(gè)衰減器或一個(gè)隔離器，使負(fù)載反射波通過衰減進(jìn)入信號(hào)源后的二次反射已微不足道，可以忽略。匹配的基本原理是利用

6、一個(gè)調(diào)配器，使它產(chǎn)生的附加反射波，其幅度和失配元件產(chǎn)生的反射波幅度相等，而相位相反，抵消失配元件在系統(tǒng)中引起的反射從而達(dá)到匹配。阻抗匹配的裝置與方法很多，可以根據(jù)不同的場(chǎng)合要求靈活選用。對(duì)于固定的負(fù)載，通?？梢栽谙到y(tǒng)中接入隔離器（主要用于微波源端匹配）、膜片、銷釘、諧振窗等以達(dá)到匹配目的；而在負(fù)載變動(dòng)的情況下，可接入單螺釘調(diào)配器，EH阻抗調(diào)配器等類型的調(diào)配器，這里僅就實(shí)驗(yàn)室常用的一種介紹。5、 單螺釘調(diào)配器在一段開槽波導(dǎo)段寬邊中心裝置一個(gè)位置可移動(dòng)的螺釘，而螺釘伸入波導(dǎo)里的深度可調(diào)，就構(gòu)成可移動(dòng)的單螺釘調(diào)配器，它是利用螺釘產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾娂{達(dá)到匹配目的，其調(diào)配原理由下圖說明。假設(shè)系統(tǒng)終端的歸一化導(dǎo)

7、納為YL，在圓圖上處于位置A點(diǎn)，移動(dòng)單螺釘，要找到這樣一個(gè)位置，在這個(gè)位置參考面上，向負(fù)載端看去的輸入導(dǎo)納為Yin=1jB。在圓圖上相當(dāng)于從A點(diǎn)沿等圓移動(dòng)距離d到等圓與G =1圓的交點(diǎn)B（圖上B點(diǎn)導(dǎo)納值為1-jB），在這個(gè)位置上改變螺釘深度，在螺釘插入深度tg/4時(shí)，其作用相當(dāng)于在傳輸線上并聯(lián)了一個(gè)正的電納（為容性的）。再改變螺釘?shù)纳疃?，即能改變?nèi)菪噪娂{值jB，這相當(dāng)于在輸入端并聯(lián)一電納值，使之與原來的電納值相加抵消。此參考面上總導(dǎo)納為1，實(shí)現(xiàn)匹配。在圓圖上相當(dāng)于從B點(diǎn)沿G=1的等G圓移動(dòng)到原點(diǎn)，即匹配點(diǎn)，從而使系統(tǒng)達(dá)到匹配。如果滑動(dòng)單螺釘調(diào)配器的長(zhǎng)度可以半波長(zhǎng)范圍內(nèi)變化，同時(shí)調(diào)節(jié)螺釘深度提供

8、的并聯(lián)電納可以0之間任意調(diào)節(jié)，則該調(diào)配器能對(duì)任何有耗負(fù)載調(diào)配，在理想情況下沒有禁區(qū)。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、 調(diào)整微波測(cè)量系統(tǒng)(a) 參照?qǐng)D4-6 接線，在測(cè)量線后接匹配負(fù)載。調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)，用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量并記錄工作頻率（建議調(diào)到9.3GHz）。(b) 測(cè)量線后接短路板，用交叉讀數(shù)法測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng)g，并確定測(cè)量線標(biāo)尺中間部位的一個(gè)駐波波節(jié)位置dT，記錄測(cè)得的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中在取數(shù)時(shí)要注意微波輸出頻率保持穩(wěn)定。2、 測(cè)量感性、容性膜片和晶體檢波器輸入阻抗(a) 取下短路板，測(cè)量線后接“感性膜片（或容性）+匹配負(fù)載”。測(cè)出dT左邊（向波源方向）的相鄰駐波節(jié)點(diǎn)位dmin，計(jì)算lmin=|dmin-dT|，

9、記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。(b) 用直接法（或等指示度法）測(cè)量駐波系數(shù)（注意輸出功率電平不要超過平方律檢波范圍）。(c) 根據(jù)、lmin、g應(yīng)用導(dǎo)納圓圖計(jì)算“感性膜片（或容性）+匹配負(fù)載”的歸一化導(dǎo)納YL 。將步驟（a）(c)的數(shù)據(jù)列成相應(yīng)的表格。3、 用滑動(dòng)螺釘進(jìn)行調(diào)配（a）測(cè)量線后接“膜片+匹配負(fù)載”，用直接法（或等指示度法）測(cè)量其駐波系數(shù)1。(b) 測(cè)量線后換接“單螺釘調(diào)配器+匹配負(fù)載”，調(diào)節(jié)螺釘深度，使其駐波系數(shù)仍等于1。(c) 保持單螺釘調(diào)配器的螺釘深度及其位置不變，在單螺釘調(diào)配器與匹配負(fù)載之間接入膜片，移動(dòng)單螺釘調(diào)配器的螺釘位置，使其駐波系數(shù)1.05。四、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理1、 調(diào)整微波測(cè)量系統(tǒng)

10、工作頻率：9300.28MHz 電壓最小值：0.1mV 電壓最大值：17.5mVd11d12d21d22位置/mm88.5491.80111.28114.50電表讀數(shù)/mV1.01.01.01.0由此測(cè)出的導(dǎo)波波長(zhǎng)g=2d21+d222-d11+d122=45.44mm駐波波節(jié)位置dT=90.17mm2、 測(cè)量感性、容性膜片和晶體檢波器輸入阻抗（a）測(cè)量駐波相位由于駐波比較小，波節(jié)位置不好確定，這里同樣采取交叉讀數(shù)法測(cè)量dmin，數(shù)據(jù)記錄如下：d11d12位置/mm92.4098.04電表讀數(shù)/mV3.23.2由此得出dmin=95.22mm，lmin=dmin-dT=5.05mm。（b）測(cè)量

11、駐波系數(shù)電表最大值為4.8mV，最小值為3.0mV，由此計(jì)算出駐波系數(shù) =ImaxImin=1.2649。（c）計(jì)算歸一化導(dǎo)納將測(cè)得的駐波系數(shù)、駐波相位和導(dǎo)波波長(zhǎng)代入公式4-1可以計(jì)算出歸一化導(dǎo)納為YL=1.094+0.161j。與用Smith圓圖計(jì)算的結(jié)果一致。Smith圓圖的計(jì)算方法如下：在導(dǎo)納圓圖上先找到駐波比為1.2649的等圓，然后向電源方向旋轉(zhuǎn)5.05/45.44=0.1111的電長(zhǎng)度即可得到歸一化導(dǎo)納的位置，讀數(shù)與計(jì)算結(jié)果一致。3、 用滑動(dòng)螺釘進(jìn)行調(diào)配上一步測(cè)得駐波系數(shù)為1.2649，接下來調(diào)整螺釘深度，使得駐波系數(shù)仍為1.2649，經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)螺釘深度為4.61mm時(shí)，駐波比仍

12、為1.2649，此時(shí)電壓最大值為4.0Mv，最小值為2.5mV。接下來調(diào)整螺釘位置，當(dāng)螺釘位置為39.6mm時(shí)，駐波比小于1.05，此時(shí)電壓最大值為3.3Mv，最小值為3.1mV，駐波系數(shù)為1.0318，達(dá)到要求。五、思考題(1) 測(cè)量阻抗時(shí)，駐波節(jié)點(diǎn)的位置dT如何確定？為什么能用測(cè)等效參考面阻抗的方法確定待測(cè)阻抗？答：測(cè)量線后接短路板，先將測(cè)量線的探針移到最右端，然后向左移動(dòng)，找到的第一個(gè)波節(jié)點(diǎn)即為dT的位置。由于阻抗分布的g2重復(fù)性原理，所以可以用等效參考面阻抗的方法確定待測(cè)阻抗。(2) 測(cè)量膜片電納時(shí)，為什么后面要接匹配負(fù)載？答：接匹配負(fù)載時(shí)，從膜片左端看的歸一化輸入導(dǎo)納為Y=1+jB，從而得到膜片歸一化電納。(3) 測(cè)量待測(cè)元件波節(jié)點(diǎn)位置dmin 時(shí)，是否必須在“等效截面”dT左邊？為什么？答：必須在等效截面左邊，因?yàn)橹罢业降膁T是右端第一個(gè)波節(jié)點(diǎn)，接待測(cè)元件后，dT的右端不可能再有一個(gè)波節(jié)點(diǎn)，所以這