實驗二 阻抗測量和匹配

#實驗二阻抗測量和匹配一．實驗目的與意義微波元器件或天線系統(tǒng)的輸入阻抗是微波工程中的重要參數(shù)，因此阻抗測量也是重要內(nèi)容之一。微波元件的特性，有時是通過對該元件一系列的阻抗測量來達到的。例如微波雙口網(wǎng)絡散射參量的測量，阻抗法測量諧振腔的品質(zhì)因數(shù)、傳輸線與天線的匹配技術(shù)，以及研究傳輸線的不均勻性等等，都用到阻抗測量技術(shù)。二．實驗原理和方法1、阻抗測量的基本原理：阻抗測量方法有多種，最常用的是駐波法和阻抗電橋法，本實驗介紹駐波法。根據(jù)傳輸線基本理論，歸一化負載阻抗的電阻和電抗分量如下式所示：rl_1-r2zci+rI2-2|r|cos?(°XL2rsin?zci+rI2-2|r|cos?式中ZC為傳輸線的特性阻抗，|r|為傳輸線終端負載的反射系數(shù)r的模數(shù)，①為它的相角，r與駐波比p的關(guān)系由（2）式給出。①與由負載算起的最近一個駐波電壓節(jié)點的距離dmin之間關(guān)系由（3）式給出：P-1P+1P-1P+12)①二兀'4dmin＜九g3)因此，用駐波法測阻抗歸結(jié)為傳輸線中駐波比的測量和距負載最近一個電壓駐波節(jié)點的測量。關(guān)于駐波比的測量在實驗一中已學習過，這里介紹一下dmin的測量。dmin是待測負載到最近的一個駐波電壓節(jié)點之間的距離，由于測量線結(jié)構(gòu)的限制，直接測量dmin比較困難，因此，實際測量中常用“等效參考面法”。如圖一所示，待測負載接于測量線輸出端A，測量線的槽開到B處為止，該待測件的第一個駐波節(jié)點在C點，探針不可能直接移到C處，此時dmin=AC,所以不可能直接測量。而要采取等效負載參考面的方法，根據(jù)傳輸線原理，在傳輸線中相隔久g/2的整數(shù)倍的各點的阻抗是相同的。因此，我們可以將負載虛擬移動若干個半波導波長，直移到槽線中的某一適當位置，這個位置即為所取的等效負載參考面。在實驗時它可以

這樣得到，在測量線輸出端以短路片代替待測負載，這時傳輸線內(nèi)形成全反射的純駐波（如圖二a）。在測量線中用交叉讀數(shù)法測得一波節(jié)點，該點即為所需的等效負載參考面，以AA表示。以待測負載換短路片，在測量線中用交叉讀數(shù)找到離參考面AA向波源方向（或向負載方向）的最近一個駐波節(jié)點的位置，此駐波節(jié)點與參考面之間的距離即是dmin，測得駐波比p及距離dmin后，即可用（1）式計算出待測件歸一化阻抗值，也可用阻抗（或?qū)Ъ{）圓圖進行計算。短路(a)B負載(b)B短路(a)B負載(b)B圖三為導納圓圖，駐波節(jié)點截面處的導納為純電導，其電導值是以0為圓心，p為半徑作一等駐波系數(shù)圓，該圓與純電導軸00’交于點①，由①點沿等p圓逆時針（由信號源一負載方向）轉(zhuǎn)過dmin個波長數(shù)得A點，點A的讀數(shù)即為待測元件的歸一化導九

g納Y，連接A0并延長交等p圓于B點，B點的讀數(shù)即為歸一化阻抗Z。

2．膜片電納的測量在波導中垂直放置如圖四所示的薄銅片（稱為膜片）。理論分析證明：當膜片厚度t滿足5?t?X時，（5是銅的趨膚深度），它的等效電路為一并聯(lián)導納：Y=G+jB。（a）g圖所示膜片有電容作用，故稱電容膜片。（b）圖所示膜片有電感作用，故稱電感膜片。由于膜片的損耗極小，通常把它們的電導分量G忽略。膜片的電納量計算比較復雜，所以往往利用實驗方法測定。（a）電容膜片（b）電感膜片圖四匹配負載法測膜片的電納：在膜片后面接上匹配負載（如圖五所示），這是從膜片左面向終端看去的輸入導納為Y=l+jB，只須根據(jù)上述1?中測量終端阻抗原理，測量出Yin，因而也測出膜片的歸化電納值jB。其準確度決定了匹配負載的匹配程度。TTPYinkjbg=1圖五匹配負載法測膜片電納

三．阻抗匹配匹配是微波技術(shù)中的一個重要概念，通常包含兩個方面的意義：一是微波源的匹配，二是負載的匹配。在小功率時，構(gòu)成微波源匹配最簡單的方法是在信號源的輸出端口接一個衰減量足夠大的隔離器，使負載反射的波通過衰減進入到信號源后的二次反射已微不足道，可以忽略。而負載匹配，則是要解決如何消除負載反射的問題。因此熟悉掌握匹配的原理和有關(guān)技巧，對分析和解決微波技術(shù)中的實際問題具有十分重要的意義。阻抗匹配技術(shù)不僅廣泛地應用在微波設(shè)備的傳輸系統(tǒng)中，用于獲得良好的工作性能及傳輸效率，而且對于微波測量也十分重要。測量系統(tǒng)匹配的好壞，直接關(guān)系到測量數(shù)Z-Z據(jù)的準確度，在精密測量中，往往對阻抗匹配提出了很高的要求。由公式r=—l一c可知，當Z鼻Z即阻抗失配時，就會產(chǎn)生反射。匹配的基本原理是利用調(diào)配器產(chǎn)生反射，并使此反射和待測部件所產(chǎn)生的反射互相抵消。通常所用的調(diào)配器本身是電抗性元件，理想情況下它只產(chǎn)生反射而沒有損耗。在波導系統(tǒng)中阻抗匹配的裝置和方法很多，可以根據(jù)不同的場合和要求靈活選用，如螺釘調(diào)配器（單螺釘或多螺釘）、EH阻抗調(diào)配器、階梯阻抗匹配器等。我們常用的有單螺釘調(diào)配器和EH阻抗調(diào)配器。1.螺釘調(diào)配器在波導的寬邊中心伸入一個或數(shù)個金屬螺釘（或梢桿），便構(gòu)成螺釘調(diào)配器，利用螺釘產(chǎn)生適當?shù)碾娂{達到匹配的目的，當螺釘稍伸入波導時，它的作用相當于在波導傳輸線上并聯(lián)一個正電納（為容性的），電納的大小隨伸入深度而增加，當伸入深度達到諧振位置時，電納由正值變?yōu)樨撝担ǔ尸F(xiàn)感性），其諧振位置取決于螺釘?shù)拇旨?、伸入深度及波導高度。實際使用時，螺釘作為正電納并聯(lián)在波導傳輸線中。也即其伸入深度不超過諧振位置。應用較多的是在波導寬邊正中央開有槽縫的，螺釘可沿槽縫移動的可調(diào)單螺匹配器。三螺釘、四螺釘匹配器應用也較廣，它們的匹配范圍很寬，四螺釘調(diào)配器使用方便，可以從最靠近待匹配元件的那個螺釘調(diào)起，用逐次調(diào)小駐波的方法迅速得到匹配（可做到p<1.02）。圖六EH臂調(diào)配器的結(jié)構(gòu)和等效電路EH阻抗調(diào)配器由雙T接頭（E-T接頭和H-T接頭）構(gòu)成，在接頭處的E臂和H臂均接有短路活塞，改變短路活塞在臂中的位置，也即改變在接頭處的電抗值，就可以使

系統(tǒng)很好地匹配。其結(jié)構(gòu)與等效電路如圖六所示。由于這種調(diào)配器不影響系統(tǒng)中功率傳輸，可以用在高功率系統(tǒng)中，尤其在毫米波段更具有優(yōu)越性，能在較寬的頻帶范圍內(nèi)匹配較大范圍的駐波。在負載駐波比不大時，可先調(diào)E臂活塞，使駐波減至最小，然后再調(diào)H臂活塞，就可達到匹配。如果駐波較大則需反復調(diào)E臂和H臂活塞，才能將負載駐波調(diào)至最小。信號源11待測網(wǎng)絡111選頻放大器信號源11待測網(wǎng)絡111選頻放大器測量線隔離器單螺調(diào)配器雙T調(diào)配器圖七阻抗測量及匹配電路三、實驗儀器及裝置圖選頻放大器微波信號源測量線匹配負載單螺調(diào)配器衰減器EH選頻放大器微波信號源測量線匹配負載單螺調(diào)配器衰減器EH調(diào)配器實驗裝置圖一）四、實驗內(nèi)容1．調(diào)整信號源和測量線。2．使用單螺調(diào)配器調(diào)波源匹配，使g接近于1.03。3．用匹配負載法（匹配負載加膜片作為待測負載）測電容膜片及電感膜片的歸一化并聯(lián)電納（先阻抗測量），并用導納圓圖計算。4.用E-H調(diào)配器匹配一駐波比不太大的待測負載（匹配負載加上容性膜片），使匹配后的駐波比小于1.05。（提示：調(diào)配