《微波技術與天線》實驗指導書

1、微波技術與天線實驗指導書南京工業(yè)大學 信息科學與工程學院通信工程系-2-實驗一 微波測量系統(tǒng)的熟悉和調(diào)整實驗二 電壓駐波比的測量-9-實驗三 微波阻抗的測量與匹配-實驗四 二端口微波網(wǎng)絡阻抗參數(shù)的測量- 1 - 一、實驗目的1. 熟悉波導測量線的使用方法；2. 掌握校準晶體檢波特性的方法；3. 觀測矩形波導終端的三種狀態(tài)（短路、接任意負載、匹配）時，TE 波的電10場分量沿軸向方向上的分布。二、實驗原理1. 傳輸線的三種狀態(tài)V對于波導系統(tǒng)，電場基本解為E e E e0iftiftrb/a)rrm(1) 當終端接短路負載時，導行波在終端全部被反射純駐波狀態(tài)。E E x)e E x)eyy0ay0

2、a在 x=a/2 處E E (e e )2E sinziftiftyy0y0其模值為： E 2E sin zyy0最大值和最小值為：EE 2E 0r r r0(2) 終端接任意負載時，導行波在終端部分被反射行駐波狀態(tài)。 x)eaE E x)e Eyy0ay0在 x=a/2 處E E e Eefit (E eift Eefit)(Eefit Ee)fit fityy0y0y0y0y0y0(E E )e 2E cos zifty0y0y0由此可見，行駐波由一行波與一駐波合成而得。其模值為：- 2 -E (E E) (z E E) 2 z22yy0y0y0y0可得到最大值和最小值為：EE E Eyy

3、0y0maxmin E Eyy0y0(3) 終端接匹配負載時，導行波僅有入射波而無反射波行波狀態(tài)。E E eiftyy0其模值為E Eyy0示讀數(shù)。2. 由測量線的基本工作原理可知，指示器的讀數(shù) 1 是探針所在處對應的檢波電流。任一位置處與 I的對應關系應視檢波晶體二極管的檢波特性而定。一般，這種關系可通過對二極管定標而確定。所謂定標，就是找出電場的歸一化值與 I的對應關系。EE Emax我們知道，當測量線終端短路時：E 2E sin z0E 2E0maxE sin z sindg d E dg晶體二極管上的檢波電壓 u 正比于探針所在處。所以上式可用 u 的歸一- 3 -化值 u來表示。即：

4、uu dug晶體二極管的檢波電流 I與檢波電壓 u 之間的關系為：I n式中 c為比例常數(shù)，n 為檢波率。nI csindg式中 為比例常數(shù)。3. 當測量線的探針插入波導時，在波導中會引入不均勻性，從而影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。支路。即探針等效為一個導納y g 。其中g 反映探針吸收功率的大小，ppppb 表示在波動中產(chǎn)生反射的影響。在信號和測量系統(tǒng)匹配的條件下，由于 g 的ppg 和 b 將造成誤差。為了減小測量誤差，必須要減小或消除g 和 b 的影響。減pppp小 g b 的影響要依靠調(diào)諧來達到。pp探針的調(diào)整辦法：1 取較小的探針插入深度。2 將測量系統(tǒng)短路時，將探針移至相鄰兩個波節(jié)之間正中位

5、置（即波腹 b 已達到最p小。需要指出的是，當信號源的頻率或探針插入深度改變時，必須重新對探針進行調(diào)整。- 4 -三、實驗儀器及線路圖圖1四、實驗內(nèi)容與步驟1調(diào)整測量線（1） 開啟信號源。對波導系統(tǒng)的 XB9A操作時，直接打開“電源”開關即可，經(jīng)過 20 分鐘左右信號輸出穩(wěn)定。（2） 按圖 11 （3） （4） 度的 2/3 量程以上。2繪制晶體定標曲線（1） 用交叉讀數(shù)法測量波導波長 ，并確定任一波節(jié)點位置 D （坐標 d 的gmin 12 所示。（2） 在相鄰的波節(jié)點與波腹點之間大約取 10 D 開始依次將探針移到這些點上，并讀取測量線上的標尺刻度 D 與相mini應的指示器讀數(shù) l。i-

6、 5 -IDD圖2D3測繪終端三種負載時的分布（1） 測量線終端接短路器：在大約 1 個波長范圍內(nèi)，每半個波長范圍取 10 個點，依次將探針移到這些位置上并讀取測量線標尺刻度 D 和相應的指示i器讀數(shù) l。i（2） 測量線終端接任意負載，重復步驟（1（3） 測量線終端接匹配負載，重復步驟（1五、數(shù)據(jù)處理1晶體定標（1） 計算波導波長gDDDD2 (D D )(D D )min1min222gmin1min1min2min2g3min1min2- 6 -終端負載:短路相對電場強度(uA)sinl g g g g g g g g g g終端負載:開路、任意負載（各 1 份表格） - 7 - g g

7、 g g g g g g g g（2） 計算 di 及|d D DiiminE sindig2測繪 分布：（1） 在晶體定標曲線上找出 li 對應的|;i（2） 在直角坐標紙上繪出三種狀態(tài)的|D 分布曲線。ii六、思考題1測量線的使用中應注意什么問題？為什么？2如果要實現(xiàn)終端開路，將測量線后直接開路是否可以？為什么？- 8 - 一、實驗目的掌握用直接法測量中、小電壓駐波比。二、實驗原理電壓駐波比的測量是微波測量中最基本、最重要的內(nèi)容之一。測量線的一端接上信號源，另一端接上負載阻抗后，便會在測量線里形成駐波。駐波的大小可以用駐波比來表示。EEEES 式中為電場的歸一化值（相對場強）。檢波電流）和

8、最小場強（實際測出的是與它對應的檢波電流）。從而由公式計算出S。量值小于真值。所以，在滿足指標要求的情況下，要盡量減小探針穿伸度。而探針的電納將使駐波發(fā)生畸變，即駐波的波腹和波節(jié)位置發(fā)生偏移。時，不僅能得到高靈敏度的指示，而且駐波位置的測量誤差最小。因而，為了準接以匹配負載。測量駐波位置和波導波長時必須以測波節(jié)點位置為依據(jù)。在我們實驗中所使用的功率電平范圍內(nèi)，一般可近似地認為是平方率檢波即：I C E2maxmaxI C E2minmin式中C為比例系數(shù)，則：- 9 -IEmaxCmaxIE minCminEIIS maxmaxminEmin三、實驗儀器及線路圖1四、實驗內(nèi)容及步驟1按圖 21

9、 連接實驗線路，開啟信號源，調(diào)整測量線，測量晶體定標之各參數(shù)。2將被測負載接于測量線終端，移動探針，測量 I 和 I 。maxmin五、數(shù)據(jù)處理根據(jù) I 與 I ，由晶體定標曲線查得相應的| 與| ,由maxminmaxminEES 計算 S，并與由- 10 -IIS計算得到的 S 進行比較。駐波比 S查定標曲線 平方率檢波波腹點波節(jié)點六、思考題1用直接法測量得到的電壓駐波比與用公式直接計算得到的結果是否有不同，如果有不同，請考慮一下引起這個的原因。2考慮一下用其他測量電壓駐波比的方法。- 11 - 一、 實驗目的1掌握應用測量線測量微波阻抗的原理與方法，熟練掌握 smith 圓圖的應用。2掌

10、握利用阻抗調(diào)配器進行阻抗匹配的方法和技巧。二、 實驗原理1阻抗測量由于微波系統(tǒng)阻抗的概念不是唯一的，所以一般并不進行阻抗絕對值的測量，而是測量其歸一化阻抗。根據(jù) smith 圓圖的原理，只要知道了終端接負載阻抗時的線上駐波比 S，線上波導波長和線上從終端到距離他第一個波節(jié)點之間的距離 L min1Z圖求得歸一化阻抗 。LZL0Lmin1圖1在這三個數(shù)據(jù)中，由于測量線的結構限制，直接測量終端負載到第一個駐波波節(jié)點的距離 L min1 32(a)波節(jié)點位置 d ，此位置即為終端的等效位置。當終端接被測負載時，線上的駐波T- 12 -分布如圖 32(b)所示，用測量線測得 d 左邊（向信號源方向）第

11、一個駐波波節(jié)T點位置 d 就是離終端負載第一個駐波波節(jié)點的位置。所以 L =| -d |minmin1 dminTZLd T圖22阻抗匹配阻抗匹配的含義是使微波系統(tǒng)沿線沒有反射，它還包括對波源的匹配和對負 H雙 T 接頭構成的雙 T 導系統(tǒng)）和三枝節(jié)調(diào)配器（同軸系統(tǒng)）對負載進行調(diào)配。調(diào)配過程的物理意義為：調(diào)節(jié)調(diào)配器，使它產(chǎn)生一個反射波，抵消“失配負載”在系統(tǒng)中引起的反射。- 13 -雙 T 調(diào)配器的 H 臂和 E 臂內(nèi)，三枝節(jié)調(diào)配器的每一個臂內(nèi)，都裝有可調(diào)短路器，裝有短路活塞，改變活塞在臂中的位置，即可改變接頭處的電抗值。調(diào)節(jié)這些臂的短路活塞位置，可以對除純電抗負載外的任意失配負載阻抗進行調(diào)配

12、。實際調(diào)節(jié)時，如果駐波不太大，可先調(diào)節(jié) E 臂活塞，使駐波系數(shù)減至最小。然后再調(diào)節(jié) H 臂活塞，就可以得到近似的匹配 1.02。如果駐波系數(shù)較大，就需要反復調(diào)節(jié) E 臂和 H 臂的活塞，才能將輸入駐波系數(shù)降低到很小的程度。從理論上說，雙 T 調(diào)配器除了純電抗的負載外，任何其他負載阻抗都可以調(diào)到匹配狀態(tài)。三、 實驗儀器及線路1阻抗測量圖3- 14 -2. 阻抗匹配可 變圖4四、 實驗內(nèi)容及步驟1測負載阻抗（1）按圖 33 連接測量線路，并調(diào)整測試系統(tǒng)。（2）按測量線終端接上短路器，用測量線測出 及最靠近短路器的第一個駐波g波節(jié)點的位置 d 。T（3）取下短路器，接上被測失配負載，用測量線測出最靠

13、近 d 點的駐波波節(jié)點T的位置 d 或 d 。minmin則終端負載輸入端到第一個駐波波節(jié)點的距離為：L (d d 或L(d d)minminTminTmin（4）用測量線測出駐波最大點和最小點的電流 I 和 I ，按下式求出駐波比：maxminIIS Z（5）將測量得到的 ，L ，S 用 smith 圓圖計算負載阻抗歸一化值。gminL在計算時應該注意：若測d （在 d 左邊）查圓圖時，要逆時針方向（即向minT2阻抗匹配按圖 34 連接測量線路，用最小點跟蹤法進行調(diào)配（在調(diào)節(jié)過程中始終跟 S1.1。- 15 -五、 數(shù)據(jù)處理阻抗測量ZgdTd 或 dL 或 SminminminminL匹配

14、前駐波比 S匹配后駐波比 S六、 思考題1用測量線測微波阻抗應注意什么問題？2用上面的方法能否驗證匹配原理？為什么？- 16 - 一、實驗目的掌握任意無源二端口可逆網(wǎng)絡阻抗參數(shù)的測量方法之一三點法。二、實驗原理如圖 41 T 接任意歸一化負載2Z，其中 Z Z Z Z 為被測網(wǎng)絡歸一化阻抗參數(shù)。11 12 21 22LTT12ZZZ1121ZinLZZ 22圖1由網(wǎng)絡理論可知，被測網(wǎng)絡的歸一化轉移矩陣為：1 Z 21Z Z Z Z Z a 1111 2212 211Z22Z則參考面 T 處的歸一化輸入阻抗為：1inZ ZZ Z 21 12ZZm1122L由于網(wǎng)絡可逆，即 Z =Z ，則1221

15、Z212ZZ Z in11Z22LZ 1當（參考面 T 接匹配負載）時，參考面T 的歸一化輸入阻抗為：21LZ212Z Z Z 1in1122- 17 -Z 0當當（參考面 T 接短路器）時，參考面T 的歸一化輸入阻抗為：21LZ212Z Z in,S11Z22Z （參考面 T 開路）時，參考面T 的歸一化輸入阻抗為：21LZ Zin,聯(lián)立上面三式，可解得被測網(wǎng)絡的歸一化參數(shù)：Z Z11in,Z ZZ in,inZZ22inin,SZ Z (Z Z )1222in,in,S由此可見對被測網(wǎng)絡的參考面 T 2參考面 T 1Z 、Z 、Z 。三點法由此而得名。111222如果網(wǎng)絡又是對稱的，Z =Z ，則只需要進行兩次測量即可。1112三、實驗儀器及線路可 調(diào)圖2四、實驗內(nèi)容及步驟由三點法測量（被測網(wǎng)絡的歸一化阻抗參數(shù)）原理可知，二端口網(wǎng)絡阻- 1