實(shí)驗(yàn)五阻抗測(cè)量及匹配技術(shù)

1、北京郵電大學(xué)電磁場(chǎng)與微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院：電子工程學(xué)院班級(jí)：2011211206組員：報(bào)告撰寫人： 學(xué)號(hào)：阻抗的測(cè)量和匹配技術(shù)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握利用駐波測(cè)量線測(cè)量阻抗的原理和方法。2.熟悉利用螺釘調(diào)配器匹配的方法3.熟悉Smith圓圖的應(yīng)用4.初步了解諧振腔、波導(dǎo)魔T的特性。 二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 測(cè)量給定期間的阻抗和電壓駐波系數(shù)，并觀察其smith圓圖。2. 在測(cè)量線系統(tǒng)中測(cè)量給定器件的阻抗,并應(yīng)用三螺調(diào)配器對(duì)其進(jìn)行調(diào)匹配，使駐波系數(shù)<1.1。 三 實(shí)驗(yàn)原理1. 阻抗測(cè)量原理微波元件的阻抗參數(shù)或者天線的輸入阻抗等是微波工程中的主要參數(shù)，因而阻抗測(cè)量也是重要測(cè)量?jī)?nèi)容之一。一般情況下，測(cè)量的

2、對(duì)象可以是膜片、螺釘、濾波器、諧振腔及其它不均勻性等。在阻抗測(cè)量的方法中常采用測(cè)量線法。本實(shí)驗(yàn)著重應(yīng)用測(cè)量線技術(shù)測(cè)量終端型（等效二端網(wǎng)絡(luò)）微波元件的阻抗。由傳輸線理論可知，傳輸線上任一點(diǎn)的輸入阻抗Zin與其終端負(fù)載阻抗ZL關(guān)系為：（2.1）設(shè)傳輸線上第一個(gè)電壓駐波最小點(diǎn)離終端負(fù)載的距離為 電壓駐波最小點(diǎn)處的輸入阻抗在數(shù)值上等于1/即 （2.2）將及代入式（2.2），整理得：（2.3）所以，負(fù)載阻抗的測(cè)量實(shí)質(zhì)上歸結(jié)為電壓駐波系數(shù)及駐波相位值的測(cè)量，當(dāng)測(cè)出及后，就能由上式計(jì)算負(fù)載阻抗ZL。但是，這是一個(gè)復(fù)數(shù)運(yùn)算，在工程上，通常由和從圓圖上求出阻抗或?qū)Ъ{來(lái)。電壓駐波系數(shù)的測(cè)量，已在實(shí)驗(yàn)一中討論過(guò)了，

3、現(xiàn)在來(lái)討論的測(cè)量方法。由于測(cè)量線結(jié)構(gòu)的限制，直接測(cè)量終端負(fù)載ZL端面到第一個(gè)駐波最小點(diǎn)的距離是比較困難的。因此實(shí)際測(cè)量中常用“等效截面法”（以波導(dǎo)測(cè)量線系統(tǒng)為例）：首先將測(cè)量線終端短路，此時(shí)沿線的駐波分布如圖2-1 a所示。用測(cè)量線測(cè)得某一駐波節(jié)點(diǎn)位置DT（任一駐波節(jié)點(diǎn)與終端的距離都是半波長(zhǎng)的整倍數(shù)，1，2，3），將此位置定為終端負(fù)載的等效位置DT。然后去掉短路片改接被測(cè)負(fù)載，此時(shí)系統(tǒng)的駐波分布如圖2-1 b所示。用測(cè)量線測(cè)得DT左邊第一個(gè)駐波最小點(diǎn)的位置DA及，則。以上是以波導(dǎo)測(cè)量線系統(tǒng)為例說(shuō)明了阻抗測(cè)量的實(shí)驗(yàn)原理。對(duì)于同軸測(cè)量線系統(tǒng)，首先是將測(cè)量線終端開路，然后在將被測(cè)負(fù)載接上，所測(cè)的和，

4、要進(jìn)行相應(yīng)的變換才是公式中需要的。圖2- 1阻抗測(cè)量原理圖負(fù)載阻抗（單端口網(wǎng)絡(luò)阻抗）的測(cè)量可由駐波系數(shù)及其波節(jié)點(diǎn)位置換算得到，系統(tǒng)上的輸人阻抗周期性的變化，每隔 阻抗重復(fù)一次，所以被測(cè)元件的輸入阻抗可由測(cè)量線上距被測(cè)元件端口 的參考面T的輸入阻抗來(lái)確定，測(cè)量時(shí)測(cè)得駐波系數(shù)和參考面到波節(jié)點(diǎn)的距離通過(guò)圓圖換算確定被測(cè)元件的阻抗。2. 匹配技術(shù)在微波傳輸及測(cè)量技術(shù)中，阻抗匹配是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。為保證系統(tǒng)處于盡可能好的匹配狀態(tài)而又不降低傳輸系統(tǒng)的傳輸效率，必須在傳輸線與負(fù)載之間接入某種純電抗性元件，如單螺調(diào)配器、多螺調(diào)配器以及單短截線、雙短截線等調(diào)配器件，其作用是將任意負(fù)載阻抗變換為1+j0（規(guī)一

5、化值），從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載和傳輸線的阻抗匹配。單螺釘調(diào)配器：螺釘?shù)淖饔檬且胍粋€(gè)并聯(lián)在傳輸線上的容性電納，借助于導(dǎo)納圓圖很方便地求出螺釘?shù)目v向位置和電納jb值，見(jiàn)圖1-3-2。圖1- 3- 2 單螺釘調(diào)配器原理圖圖中點(diǎn)表示被匹配的負(fù)載輸入導(dǎo)納，欲使負(fù)載匹配即，首先必須使螺釘所在的平面位于G=1的圓上，由此在圓圖上求得等圓與G=1圓的交點(diǎn)A和A，A點(diǎn)輸入導(dǎo)納，電納呈感性。螺釘電納呈容性，改變螺釘深度，即能改變并聯(lián)的容性電納值，使得到匹配。由于滑動(dòng)單螺調(diào)配器能對(duì)圓圖上任一導(dǎo)納值調(diào)配，故在理想情況下它的禁區(qū)為零。三螺釘調(diào)配器：這種調(diào)配器的螺釘位置固定在傳輸線上，依靠調(diào)配螺釘深度得到匹配。其調(diào)配要點(diǎn)是先右后

6、左，循環(huán)多次，在調(diào)節(jié)過(guò)程中需不斷觀測(cè)駐波大小，使波節(jié)點(diǎn)電平提高，直至波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)電平接近，駐波系數(shù)最小。三短截線同軸調(diào)配器：三短截線彼此相距固定在傳輸線上，依靠調(diào)節(jié)短截線長(zhǎng)度得到匹配。其調(diào)配要點(diǎn)為先右后左，循環(huán)多次，在調(diào)節(jié)過(guò)程中也是不斷使波節(jié)點(diǎn)電平提高，直至駐波系數(shù)最小。四 實(shí)驗(yàn)裝置使用調(diào)配器調(diào)匹配的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖按原理圖接好設(shè)備調(diào)整系統(tǒng)，可測(cè)得波導(dǎo)中（測(cè)量線）電場(chǎng)沿線的幅值分布。在各種微波網(wǎng)絡(luò)中，二端口微波網(wǎng)絡(luò)是最基本的。例如：衰減器、相移器、阻抗變化器和濾波器等均屬于二端口微波網(wǎng)絡(luò)。傳播主模式的波導(dǎo)所接的終端結(jié)構(gòu)的電性質(zhì)可由單點(diǎn)測(cè)量求得，如果采用測(cè)量線，應(yīng)測(cè)量電壓駐波比以及電壓最小值到輸

7、入平面的距離，然后根據(jù)公式求得阻抗值。可由測(cè)得的波腹與波節(jié)值，計(jì)算出系統(tǒng)的駐波比及反射系數(shù)模值：反射系數(shù)與同一點(diǎn)處線的輸入阻抗有如下關(guān)系： 而式中相波長(zhǎng)可按本實(shí)驗(yàn)第一項(xiàng)的方法求得。由測(cè)定的，即可計(jì)算出負(fù)載阻抗（歸一化值）?；蛘咧苯永们蟪?。五 實(shí)驗(yàn)步驟（1） 按原理圖接好設(shè)備，開啟信號(hào)源，使信號(hào)源工作于最佳方波，掃頻狀態(tài)。（2） 移動(dòng)測(cè)量探針，測(cè)量相鄰的電壓最小值之間的距離，以測(cè)出傳輸線中的波長(zhǎng)，即波導(dǎo)波長(zhǎng)。（3） 短路片安置在測(cè)量線的輸出端上，并記下探針指示器標(biāo)尺上對(duì)應(yīng)于電壓最小值位置的讀數(shù)DT，即為“等效參考面”。（4） 測(cè)量線的終端移去短路片，并把被測(cè)器接在它的位置上。（5） 測(cè)量電壓最

8、大值和電壓最小值UMAX和UMIN，得到駐波比；（6） 利用交叉讀書法測(cè)出DT左側(cè)第一個(gè)駐波節(jié)點(diǎn)位置DA，并計(jì)算Imin=|DT-DA|，應(yīng)用公式求出阻抗值。(7) 利用滑動(dòng)單螺旋調(diào)配器調(diào)配晶體檢波器，使駐波比小于1.05：實(shí)際測(cè)量中常采用逐步減小駐波比方法。移動(dòng)調(diào)配器位置，用測(cè)量線分別跟蹤駐波腹點(diǎn)（或波節(jié)點(diǎn)），直至螺釘在某一位置時(shí)，駐波腹點(diǎn)有下降、而波節(jié)點(diǎn)有上升趨勢(shì)。反復(fù)調(diào)整螺釘穿深度，用測(cè)量線跟蹤駐波大小，直至駐波比小與1.05。需要注意的是，在每次調(diào)配過(guò)程中，駐波的相位也會(huì)隨著改變。因此，每當(dāng)用測(cè)量線觀察波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)電平時(shí)，要移動(dòng)探針位置，使其真正位于波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)六 數(shù)據(jù)分析a. 通

9、過(guò)測(cè)量?jī)上噜彽碾妷鹤钚≈抵g的距離，以測(cè)出傳輸線中的波長(zhǎng)，為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，我們連續(xù)測(cè)出了四個(gè)電壓最小值點(diǎn)，求其平均值：電壓最小值(uv)252423.524探針?biāo)谖恢?mm)83108.4133.4157.5相鄰探針距離(mm)-25.42524.1 所以相鄰電壓最小值間的距離為x=（25.4+25+24.1）/3=24.8mm 波導(dǎo)波長(zhǎng)為：b. 測(cè)量得到駐波比。uV45454545uV252423.5241.342 1.3691.3841.369平均駐波比為：c. 利用交叉度數(shù)法測(cè)出左側(cè)第一個(gè)駐波節(jié)點(diǎn)位置，并計(jì)算出，應(yīng)用公式就可求出阻抗值。測(cè)得左側(cè)第一個(gè)駐波節(jié)點(diǎn)位置為,則=2=126.6

10、77rad/ml理想狀況的參考圓匹配點(diǎn)歸一化阻抗總結(jié)用單螺調(diào)配器的調(diào)配步驟：調(diào)配的時(shí)候首先找到波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)，調(diào)節(jié)調(diào)配器位置，保證波節(jié)點(diǎn)上升，波腹點(diǎn)下降，然后微調(diào)螺釘深度，逐漸實(shí)現(xiàn)匹配。過(guò)程中保證調(diào)整要精確要緩慢，以免過(guò)調(diào)。六 誤差分析本次實(shí)驗(yàn)操作起來(lái)并不難，但是還是有誤差存在，但是誤差也是在允許的范圍內(nèi)。可以說(shuō)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象有效合理。主要的原因有三個(gè)：1、 實(shí)驗(yàn)因素：指針會(huì)有輕微波動(dòng)，給讀數(shù)造成誤差 ，計(jì)算公式均為理想傳輸線條件下的理論公式，與實(shí)際必然存在誤差。2、 環(huán)境因數(shù)：儀器的干擾，有的設(shè)備不太靈敏，我們有時(shí)會(huì)找兩個(gè)一樣的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)數(shù)發(fā)現(xiàn)也會(huì)不一樣，這跟儀器自身有關(guān)。3、 人為因素：我

11、們的操作是一起配合的進(jìn)行，所以讀數(shù)的時(shí)候難免會(huì)有誤差，加之指針有時(shí)不穩(wěn)，也會(huì)給數(shù)據(jù)增加誤差。在今后的實(shí)驗(yàn)中，我們需要考慮到誤差的來(lái)源，雖然不能夠完全消除誤差，但是我們要盡量減小誤差的影響，這樣我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就會(huì)接近理論值，實(shí)驗(yàn)才會(huì)做的很成功。七 思考題（1） 匹配元件應(yīng)連接在測(cè)量系統(tǒng)中的什么地方？為什么？接在測(cè)量線末端，匹配元件會(huì)吸收全部的入射功率，后面不能連接其他元器件，否則不能正常工作。（2） 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)總結(jié)匹配技巧。在調(diào)節(jié)匹配過(guò)程中，先移動(dòng)測(cè)量線探針找到并記下波節(jié)點(diǎn)位置，然后繼續(xù)調(diào)節(jié)測(cè)量線找到波腹點(diǎn)，此時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)配器位置，駐波波腹點(diǎn)有所下降，波節(jié)點(diǎn)有所上升，直至波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)相差不大時(shí)，

12、調(diào)節(jié)螺釘深度，同時(shí)用測(cè)量線跟蹤駐波大小，直至實(shí)現(xiàn)匹配。調(diào)節(jié)的過(guò)程中，注意跟蹤波節(jié)點(diǎn)（或波腹點(diǎn)）的位置。調(diào)節(jié)的時(shí)候保證螺釘穿透深度是微調(diào)，另外一個(gè)是粗調(diào)，不要調(diào)節(jié)過(guò)大，以免適得其反。（3） 在各項(xiàng)測(cè)量中，通常采用駐波圖形的波節(jié)點(diǎn)作為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，是否可以采用波腹點(diǎn)做基準(zhǔn)測(cè)量？為什么？可以采用波腹點(diǎn)做基準(zhǔn)測(cè)量。因?yàn)轳v波的波節(jié)點(diǎn)與波腹點(diǎn)接連出現(xiàn)，相鄰波節(jié)點(diǎn)與相鄰波腹點(diǎn)之間距離相等，所以采用波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)為基準(zhǔn)想等價(jià)。一般實(shí)驗(yàn)中，波節(jié)點(diǎn)相比于波腹點(diǎn)更穩(wěn)定更易觀察到。八 實(shí)驗(yàn)總結(jié)本次試驗(yàn)最后一步調(diào)節(jié)匹配阻抗是最大的難點(diǎn)，很大程度上依賴于方法和耐心，最開始調(diào)節(jié)的時(shí)候沒(méi)有完全掌握方法，一味盲目的去試，導(dǎo)致偏差越來(lái)越大，沒(méi)有減小的趨勢(shì)。后來(lái)經(jīng)過(guò)我們小組討論，請(qǐng)教其他組員，改變了調(diào)節(jié)的方法，從右