《微波技術(shù)與天線》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書南京工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院通信工程系目錄實(shí)驗(yàn)一 微波測(cè)量系統(tǒng)的熟悉和調(diào)整 - 2 -實(shí)驗(yàn)二 電壓駐波比的測(cè)量 - 9 -實(shí)驗(yàn)三 微波阻抗的測(cè)量與匹配 - 12 -實(shí)驗(yàn)四 二端口微波網(wǎng)絡(luò)阻抗參數(shù)的測(cè)量 - 17 -實(shí)驗(yàn)一 微波測(cè)量系統(tǒng)的熟悉和調(diào)整一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉波導(dǎo)測(cè)量線的使用方法；2. 掌握校準(zhǔn)晶體檢波特性的方法；TE10 波的電3. 觀測(cè)矩形波導(dǎo)終端的三種狀態(tài)(短路、接任意負(fù)載、匹配)時(shí)， 場(chǎng)分量沿軸向方向上的分布。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 傳輸線的三種狀態(tài)對(duì)于波導(dǎo)系統(tǒng)，電場(chǎng)基本解為 ErV0e ift Erme iftr ln(b/a)(1) 當(dāng)終端接短路負(fù)載時(shí)，

2、導(dǎo)行波在終端全部被反射純駐波狀態(tài)ift iftEy E y0 sin( x)eEy0 sin( x)eaa在 x=a/2 處Ey Ey0(e ift e ift ) 2Ey0sin z其模值為： Ey 2Ey0 sin z最大值和最小值為：Ermax2Er0Ermin(2) 終端接任意負(fù)載時(shí)，導(dǎo)行波在終端部分被反射行駐波狀態(tài)ift iftEy E y0 sin( x)e ift Ey0 sin( x)eift aa在 x=a/2 處EyEy0efitEy0efit(Ey0eiftEy0efit )(Ey0efitEy 0e fit )(Ey0 E y0)e ift 2Ey0 cos z由此可見

3、，行駐波由一行波與一駐波合成而得。其模值為：Ey(Ey0 Ey0)2 cos2 z (Ey0 Ey0)2 sin z可得到最大值和最小值為：EymaxEy0Ey0Eymin Ey0 Ey0行波狀態(tài)（3）終端接匹配負(fù)載時(shí)，導(dǎo)行波僅有入射波而無反射波Ey Ey0e ift其模值為y0Ey由上述可知，在測(cè)量線的終端分別接上短路器、 任意負(fù)載和匹配負(fù)載， 移動(dòng)探針 位置，都可以觀測(cè)到測(cè)量線中不同位置的電場(chǎng)強(qiáng)度（復(fù)振幅大?。?對(duì)應(yīng)的電流指 示讀數(shù)。2. 由測(cè)量線的基本工作原理可知，指示器的讀數(shù) 1 是探針?biāo)谔?|E|對(duì)應(yīng)的檢波 電流。任一位置處 |E|與 I 的對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)視檢波晶體二極管的檢波特性而定

4、。一般， 這種關(guān)系可通過對(duì)二極管定標(biāo)而確定。所謂定標(biāo)，就是找出電場(chǎng)的歸一化值 |E|與 I 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。EEmaxE我們知道，當(dāng)測(cè)量線終端短路時(shí)：E 2E0 sin zmax2E0E sin zsin如果我們?nèi)∪我庖涣泓c(diǎn) （波節(jié)點(diǎn)）作為坐標(biāo)起始位置， 且坐標(biāo)用 d 表示，則：E2sin d g晶體二極管上的檢波電壓 u 正比于探針?biāo)谔?|E|。所以上式可用 u 的歸化值 u來表示。即：u2u sin dumaxg晶體二極管的檢波電流 I 與檢波電壓 u 之間的關(guān)系為：I cun式中 c為比例常數(shù)， n 為檢波率。n2I csin dg式中 c為比例常數(shù)。3. 當(dāng)測(cè)量線的探針插入波導(dǎo)時(shí)，在波導(dǎo)

5、中會(huì)引入不均勻性，從而影響系統(tǒng)的工 作狀態(tài)。探針在開槽線中與電場(chǎng)耦合， 其效果相當(dāng)于在等效傳輸線上并聯(lián)了一個(gè)探針 支路。即探針等效為一個(gè)導(dǎo)納 yp gp jbp 。其中 gp反映探針吸收功率的大小， bp 表示在波動(dòng)中產(chǎn)生反射的影響。在信號(hào)和測(cè)量系統(tǒng)匹配的條件下，由于gp的分流作用，駐波波腹點(diǎn)的位置發(fā)生偏移。 但當(dāng)終端斷路時(shí)， 波節(jié)點(diǎn)不偏移。 可見， gp和 bp將造成誤差。為了減小測(cè)量誤差，必須要減小或消除 gp和 bp的影響。減 小 gp的影響，可以適當(dāng)減小探針插入的深度； 消除 bp 的影響要依靠調(diào)諧來達(dá)到。探針的調(diào)整辦法：1 在信號(hào)源有足夠輸出和檢波指示器有足夠的靈敏度的條件下， 應(yīng)盡

6、量 取較小的探針插入深度。2 將測(cè)量系統(tǒng)短路時(shí)，將探針移至相鄰兩個(gè)波節(jié)之間正中位置（即波腹 點(diǎn)上），調(diào)節(jié)探頭的調(diào)諧活塞，直至輸出指示最大。此時(shí) bp 已達(dá)到最 小。需要指出的是，當(dāng)信號(hào)源的頻率或探針插入深度改變時(shí)，必須重新對(duì)探針進(jìn) 行調(diào)整。三、實(shí)驗(yàn)儀器及線路圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1調(diào)整測(cè)量線（ 1） 開啟信號(hào)源。對(duì)波導(dǎo)系統(tǒng)的 XB9A 操作時(shí)，直接打開“電源”開關(guān)即可， 經(jīng)過 20 分鐘左右信號(hào)輸出穩(wěn)定。（2） 按圖 11連接實(shí)驗(yàn)線路圖（接短路器） 。（ 3） 調(diào)節(jié)探針位置，使指示器讀數(shù)為最大（此時(shí)探針位于波腹點(diǎn)） 。（ 4） 調(diào)節(jié)探針插入深度， 同時(shí)調(diào)整調(diào)諧活塞，使指示器讀數(shù)最大，且達(dá)到滿刻

7、度的 2/3 量程以上。2繪制晶體定標(biāo)曲線（ 1） 用交叉讀數(shù)法測(cè)量波導(dǎo)波長 g，并確定任一波節(jié)點(diǎn)位置 Dmin（坐標(biāo) d 的 起始位置）。如圖 12 所示。（2） 在相鄰的波節(jié)點(diǎn)與波腹點(diǎn)之間大約取 10個(gè)點(diǎn)（包括波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)） 。從 Dmin 開始依次將探針移到這些點(diǎn)上，并讀取測(cè)量線上的標(biāo)尺刻度Di 與相應(yīng)的指示器讀數(shù) li。3測(cè)繪終端三種負(fù)載時(shí) |E|的分布（1） 測(cè)量線終端接短路器：在大約 1 個(gè)波長范圍內(nèi)，每半個(gè)波長范圍取 10個(gè) 點(diǎn)，依次將探針移到這些位置上并讀取測(cè)量線標(biāo)尺刻度Di 和相應(yīng)的指示器讀數(shù) li。（ 2） 測(cè)量線終端接任意負(fù)載，重復(fù)步驟（ 1）；（ 3） 測(cè)量線終端接匹

8、配負(fù)載，重復(fù)步驟（ 1）。五、數(shù)據(jù)處理1晶體定標(biāo)min 2Dmin 2（ 1） 計(jì)算波導(dǎo)波長 g波節(jié)點(diǎn) 1 位置 （mm）波節(jié)點(diǎn) 2 位置 （mm）g3(mm)Dmin1Dmin2Dmin1Dmin2Dmin1Dmin2min 2min 2D) (Dmin1g22Dm in1Dm in 12(Dm in1終端負(fù)載 :短路相對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度sin2gl探針位置( mm )電表讀數(shù) I(uA)測(cè)量點(diǎn)與波節(jié)點(diǎn)相對(duì)位 移 L(mm)實(shí)際位置 d+L(mm)0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.0= g/63= g/31.3= g/20.6= g/15.3= g/12= g/9

9、.8= g/8.1= g/6.8= g/5.6= g/4=0.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0 g /2- g/5.6= g /2- g/6.8= g /2- g/8.1= g /2- g/9.8= g /2- g/12= g /2- g/15.3= g /2- g/20.6= g /2- g/31.3= g /2- g/63= g /2=終端負(fù)載 :開路、任意負(fù)載(各 1 份表格)探針位置( mm )電表讀數(shù) I (uA)相對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量點(diǎn)與波節(jié)點(diǎn)相 對(duì)位移 L(mm)實(shí)際位置 d+L(mm)0.0= g/63= g/31.3= g/20.6= g/15.3= g/1

10、2= g/9.8= g/8.1= g/6.8= g/5.6= g/4= g /2- g/5.6= g /2- g/6.8= g /2- g/8.1= g /2- g/9.8= g /2- g/12= g /2- g/15.3= g /2- g/20.6= g /2- g/31.3= g /2- g/63= g /2=（2） 計(jì)算 di 及|E|di Di Dmin2E sin dig2測(cè)繪 |E|分布：（1） 在晶體定標(biāo)曲線上找出 li 對(duì)應(yīng)的 |E|i;（2） 在直角坐標(biāo)紙上繪出三種狀態(tài)的 |E|i Di 分布曲線六、思考題1測(cè)量線的使用中應(yīng)注意什么問題？為什么？ 2如果要實(shí)現(xiàn)終端開路，將測(cè)

11、量線后直接開路是否可以？為什么？實(shí)驗(yàn)二 電壓駐波比的測(cè)量、 實(shí) 驗(yàn)?zāi)康恼莆沼弥苯臃y(cè)量中、小電壓駐波比、 實(shí) 驗(yàn)原理電壓駐波比的測(cè)量是微波測(cè)量中最基本、最重要的內(nèi)容之一。測(cè)量線的一端接上信號(hào)源，另一端接上負(fù)載阻抗后，便會(huì)在測(cè)量線里形成駐 波。駐波的大小可以用駐波比來表示。EmaxEmaxEminEminS式中 |E|為電場(chǎng)的歸一化值（相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)）。 直接法測(cè)駐波比就是直接測(cè)出測(cè)量線上最大場(chǎng)強(qiáng) （實(shí)際測(cè)出的是與它對(duì)應(yīng)的 檢波電流）和最小場(chǎng)強(qiáng)（實(shí)際測(cè)出的是與它對(duì)應(yīng)的檢波電流）。從而由公式計(jì)算 出S。由于測(cè)量線槽內(nèi)插入探針后， 探針電導(dǎo)的存在吸收功率， 從而使駐波比的測(cè) 量值小于真值。所以，在滿足指標(biāo)

12、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。分析結(jié)果表明， 波節(jié)位置偏移總是小于波腹位置的偏移。 當(dāng)探針的腔體諧振 時(shí)，不僅能得到高靈敏度的指示，而且駐波位置的測(cè)量誤差最小。因而，為了準(zhǔn) 確地進(jìn)行測(cè)量， 必須對(duì)探針進(jìn)行調(diào)諧。 在調(diào)諧時(shí)為了減少終端負(fù)載的電抗影響要 接以匹配負(fù)載。測(cè)量駐波位置和波導(dǎo)波長時(shí)必須以測(cè)波節(jié)點(diǎn)位置為依據(jù)。在我們實(shí)驗(yàn)中所使用的功率電平范圍內(nèi)，一般可近似地認(rèn)為是平方率檢波即：maxCEmaxminC Emin式中C為比例系數(shù)，則：SEmaxminE三、實(shí)驗(yàn)儀器及線路四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1按圖 21 連接實(shí)驗(yàn)線路，開啟信號(hào)源

13、，調(diào)整測(cè)量線，測(cè)量晶體定標(biāo)之各 參數(shù)。2將被測(cè)負(fù)載接于測(cè)量線終端，移動(dòng)探針，測(cè)量 Imax 和 Imin 。五、數(shù)據(jù)處理根據(jù) Imax 與 Imin，由晶體定標(biāo)曲線查得相應(yīng)的 |E|max 與 |E|min,由EmaxEmin計(jì)算 S，并與由- 10 -S計(jì)算得到的 S 進(jìn)行比較探針位置指示器讀數(shù)相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)駐波比 S查定標(biāo)曲線平方率檢波波腹點(diǎn)波節(jié)點(diǎn)六、思 考題1用直接法測(cè)量得到的電壓駐波比與用公式直接計(jì)算得到的結(jié)果是否有不 同，如果有不同，請(qǐng)考慮一下引起這個(gè)的原因。2考慮一下用其他測(cè)量電壓駐波比的方法。- 11 -實(shí)驗(yàn)三 微波阻抗的測(cè)量與匹配一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握應(yīng)用測(cè)量線測(cè)量微波阻抗的原理與方法，

14、熟練掌握smith 圓圖的應(yīng)用2掌握利用阻抗調(diào)配器進(jìn)行阻抗匹配的方法和技巧。二、實(shí)驗(yàn)原理1阻抗測(cè)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(jìn)行阻抗絕對(duì)值的測(cè) 量，而是測(cè)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(fù)載阻抗時(shí)的線上駐波比 S，線 上波導(dǎo)波長和線上從終端到距離他第一個(gè)波節(jié)點(diǎn)之間的距離 Lmin1 后，就可以由圓 圖求得歸一化阻抗 ZL 。在這三個(gè)數(shù)據(jù)中，由于測(cè)量線的結(jié)構(gòu)限制，直接測(cè)量終端負(fù)載到第一個(gè)駐波 波節(jié)點(diǎn)的距離 Lmin1 是比較困難的，根據(jù)駐波分布的半波長重復(fù)性， 在實(shí)際測(cè)量中， 采用“等效截面法”，其方法如下：首先將終端短路， 沿線的駐波分布如圖

15、 32(a)所示。用測(cè)量線測(cè)得其一駐波 波節(jié)點(diǎn)位置 dT，此位置即為終端的等效位置。當(dāng)終端接被測(cè)負(fù)載時(shí)，線上的駐波- 12 - 分布如圖 32（b）所示，用測(cè)量線測(cè)得 dT 左邊（向信號(hào)源方向）第一個(gè)駐波波節(jié) 點(diǎn)位置 dmin 就是離終端負(fù)載第一個(gè)駐波波節(jié)點(diǎn)的位置。所以 L min1=|dmin-dT | 2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(duì)波源的匹配和對(duì)負(fù) 載的匹配。調(diào)配的方法也很多，本實(shí)驗(yàn)利用 EH雙 T接頭構(gòu)成的雙 T調(diào)配器（波 導(dǎo)系統(tǒng)）和三枝節(jié)調(diào)配器（同軸系統(tǒng)）對(duì)負(fù)載進(jìn)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(gè)反射波，抵消“失配負(fù) 載”在系統(tǒng)中引起

16、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(gè)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(duì)除純電抗負(fù)載外的任意失配負(fù)載阻抗進(jìn)行調(diào)配。實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)，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(fù)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(fù)載外，任何其他負(fù)載阻抗都可以調(diào)到匹配 狀態(tài)。三、實(shí)驗(yàn)儀器及線路1阻抗測(cè)量- 14 -2. 阻抗

17、匹配四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1測(cè)負(fù)載阻抗（1）按圖 33 連接測(cè)量線路，并調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)。（2）按測(cè)量線終端接上短路器，用測(cè)量線測(cè)出 g 及最靠近短路器的第一個(gè)駐波 波節(jié)點(diǎn)的位置 dT。（3）取下短路器，接上被測(cè)失配負(fù)載，用測(cè)量線測(cè)出最靠近dT 點(diǎn)的駐波波節(jié)點(diǎn)的位置 dmin 或 dmin。則終端負(fù)載輸入端到第一個(gè)駐波波節(jié)點(diǎn)的距離為：Lmin(dmindT )或Lmin(dTdmin )4）用測(cè)量線測(cè)出駐波最大點(diǎn)和最小點(diǎn)的電流Imax 和 Imin， 按下式求出駐波比：（5）將測(cè)量得到的 g，Lmin，S用 smith圓圖計(jì)算負(fù)載阻抗歸一化值 ZL 。 在計(jì)算時(shí)應(yīng)該注意：若測(cè) dmin（在 dT 左邊

18、）查圓圖時(shí)，要逆時(shí)針方向（即向 負(fù)載方向），反之，則應(yīng)順時(shí)針方向（即向電源方向） 。2阻抗匹配按圖 34 連接測(cè)量線路，用最小點(diǎn)跟蹤法進(jìn)行調(diào)配（在調(diào)節(jié)過程中始終跟蹤最小點(diǎn)的變化），使駐波比 S1.1- 15 -五、數(shù)據(jù)處理阻抗測(cè)量gdTdmin 或 dminLmin 或 LminSZL阻抗匹配匹配前駐波比 S匹配后駐波比 S六、思考題1用測(cè)量線測(cè)微波阻抗應(yīng)注意什么問題？2用上面的方法能否驗(yàn)證匹配原理？為什么？- 16 -實(shí)驗(yàn)四 二端口微波網(wǎng)絡(luò)阻抗參數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆杖我鉄o源二端口可逆網(wǎng)絡(luò)阻抗參數(shù)的測(cè)量方法之二、實(shí)驗(yàn)原理如圖 41 所示的被測(cè)二端口可逆微波網(wǎng)絡(luò)， 參考面 T2接任意歸一化負(fù)載 ZL ，其中 Z11 Z12 Z21 Z 22為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)歸一化阻抗參數(shù)。由網(wǎng)絡(luò)理論可知，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的歸一化轉(zhuǎn)移矩陣為：a Z121 Z111Z11Z22 Z12Z21則參考面 T1 處的歸一化輸入阻抗 Zin 為：Zm Z11Z 21Z12Z22 ZL由于網(wǎng)絡(luò)可逆，即 Z12=Z21，則ZinZ1112Z22 ZL當(dāng) ZL 1（參考面 T2接匹配負(fù)載）時(shí)，參考面 T1 的歸一化輸入阻抗為：in,1Z11Z122Z22 1- 17 -當(dāng) ZL