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1、電磁場(chǎng)與微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)五 阻抗測(cè)量及匹配技術(shù)實(shí)驗(yàn) 題目:電磁場(chǎng)與微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)學(xué)院:電子工程學(xué)院班級(jí):20132112xx撰寫人:xx組內(nèi)成員:xxxx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、掌握用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量阻抗及調(diào)匹配的方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測(cè)量給定器件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ZL,并應(yīng)用單螺調(diào)配器對(duì)其進(jìn)行調(diào)匹配,使駐波系數(shù)<1.05。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、DH1121C型微波信號(hào)源:該信號(hào)源可在等幅波、窄帶掃頻、內(nèi)方波調(diào)制方式下工作,并具有外調(diào)制
2、功能。在教學(xué)方式下,可實(shí)時(shí)顯示體效應(yīng)管的工作電壓和電流關(guān)系。儀器輸出功率大,以數(shù)字形式直接顯示工作頻率,性能穩(wěn)定可靠。DH1121C型微波信號(hào)源的部分組件名稱和簡(jiǎn)要介紹如下:序號(hào)名稱功能及介紹1振蕩器用于實(shí)現(xiàn)窄帶掃頻2可變衰減器改變吸收微波功率的多少,調(diào)節(jié)輸出功率3PIN調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的方波或脈沖調(diào)制4輸出端口有較低的電壓駐波比及與外電路的足夠隔離5調(diào)制電路對(duì)外調(diào)制信號(hào)適應(yīng)性強(qiáng)6掃描驅(qū)動(dòng)電路包括鋸齒波發(fā)生器、同步輸出、消隱電路7電源部分具有過流、過熱保護(hù)和安全工作區(qū)保護(hù)電路2、波導(dǎo)測(cè)量線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng):本系統(tǒng)是微波參數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),它是由三公分微波波導(dǎo)元件組成,該系統(tǒng)主要功能可使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)并
3、掌握下列基本知識(shí):(1)學(xué)習(xí)各種微波器件的使用和測(cè)量方法;(2)了解微波在波導(dǎo)中的工作狀態(tài)及傳輸特性;(3)了解微波傳輸線場(chǎng)型特性;(4)學(xué)習(xí)駐波、衰減、波長(zhǎng)(頻率)和功率的測(cè)量;(5)學(xué)習(xí)測(cè)量微波介質(zhì)材料的介電常數(shù)和損耗角正切值。波導(dǎo)測(cè)量線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的部分組件名稱和簡(jiǎn)要介紹如下:序號(hào)名稱功能及介紹1測(cè)量線測(cè)量微波傳輸系統(tǒng)中電場(chǎng)的強(qiáng)弱和分布2測(cè)量線波導(dǎo)開槽直波導(dǎo),對(duì)波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)分布影響很小3不調(diào)諧探頭達(dá)到電抗小、效率高、輸出響應(yīng)平坦的效果4滑架用來(lái)安裝開槽波導(dǎo)和不調(diào)諧探頭3、單螺釘調(diào)配器:負(fù)載和傳輸系統(tǒng)的匹配,就是要消除負(fù)載的反射,實(shí)際上,調(diào)匹配的過程就是調(diào)節(jié)調(diào)配器,使之產(chǎn)生一個(gè)反射波,其幅度和
4、“失配元件”產(chǎn)生的反射波幅度相等、相位相反,從微波電路的角度,調(diào)配器起到了阻抗變換的作用。調(diào)配器使不匹配的元件,經(jīng)變換器變化到傳輸線的特性阻抗,從而達(dá)到匹配目的。單螺調(diào)配器即在波導(dǎo)寬屏伸入一個(gè)金屬螺釘,螺釘?shù)淖饔檬且胍粋€(gè)并聯(lián)在傳輸線上的適當(dāng)大小的電納,當(dāng)螺釘伸入較少時(shí),相當(dāng)于在波導(dǎo)傳輸線上并聯(lián)了一個(gè)正的容性電納,它的大小隨著深度的增加而增加。當(dāng)深度達(dá)到諧振時(shí),電納將增加到無(wú)窮大,繼續(xù)增加深度,電納值由正變?yōu)樨?fù),呈感性。4、實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接方式如下圖所示:四、實(shí)驗(yàn)原理傳輸線的輸入阻抗Zin與其終端負(fù)載阻抗ZL的關(guān)系為:Zin=ZL+jtgl1+jZLtgl(1)設(shè)傳輸線上第一個(gè)電壓駐波最小點(diǎn)離終端
5、負(fù)載的距離為lmin,電壓駐波最小點(diǎn)處的輸入阻抗在數(shù)值上等于1,即:Zin|lmin=1(2)將l=lmin及Zin=1帶入式(1),整理得:ZL=1-jtglmin-jtglmin(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lmin值的測(cè)量,當(dāng)測(cè)出,g及l(fā)min后,就能由上式計(jì)算出負(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lmin從圓圖上求出阻抗或?qū)Ъ{來(lái)。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lmin是比較困難的。因此實(shí)際測(cè)量中常用“等效截面法”:首先將測(cè)量線終端短路,用測(cè)量線測(cè)得某一駐波節(jié)點(diǎn)位置DT,將此位置定為終端負(fù)載的等效位
6、置DT。然后去掉短路片改接被測(cè)負(fù)載。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:lmin=|DT-DA|.五、實(shí)驗(yàn)步驟1、按序連接好設(shè)備,開啟信號(hào)源電源,使信號(hào)源工作于最佳方波、掃頻狀態(tài);2、移動(dòng)測(cè)量線探針,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),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(開路)接在它的位置上;5、測(cè)量Umax、Umin得到駐波比;6、利用交叉讀數(shù)法測(cè)出DT左側(cè)第一個(gè)駐波節(jié)點(diǎn)位置DA,并計(jì)算出lmin=|DT-DA|,應(yīng)用公式ZL=1-
7、jtglmin-jtglmin就可求出阻抗值;7、調(diào)節(jié)可變衰減器使指針偏轉(zhuǎn)接近滿度,然后利用滑動(dòng)單螺適配器調(diào)配晶體檢波器,使駐波比小于1.05。8、整理數(shù)據(jù),計(jì)算數(shù)值。 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1、調(diào)匹配前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):DTDADT135.8mm145.6mm108.9mm其中DT是與DT相鄰的電壓最小值點(diǎn),所以有:g=2|DT-DT|=53.84mm=2g=116.7rad/mlmin=|DT-DA|=9.8mmUmaxUmin37.9mV18.5mV所以:=UmaxUmin=37.918.5=1.431帶入公式中得:ZL=1-jtglmin-jtglmin=1-j×2.048×
8、tan(116.7×9.8×10-3)2.048-j×tan(116.7×9.8×10-3)=1-0.041j2.048-0.02j=0.488-2.07j2、調(diào)匹配后,通過調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器最終得到了近似匹配的效果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為:UmaxUmin69mV71mV所以:=UmaxUmin=7169=1.014<1.053、Smith圓圖為:4、總結(jié)用同軸調(diào)配器的調(diào)匹配步驟 :在調(diào)節(jié)匹配過程中,我們先移動(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)量線調(diào)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
9、點(diǎn)相差不大時(shí),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。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?答:接在測(cè)量線末端,為保證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,必需在傳輸線與負(fù)載之間接入某種純電抗性元件,如單螺調(diào)配器等調(diào)配器,理想情況下它只產(chǎn)生反射而沒有損耗。(2)通過實(shí)驗(yàn),清總結(jié)匹配技巧。答:在調(diào)節(jié)匹配過程中,我們先移動(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)量線調(diào)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),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。(3)在各項(xiàng)測(cè)量中,通常采用駐波圖形的波節(jié)點(diǎn)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?答:一般不適用波腹點(diǎn)做基準(zhǔn)測(cè)量。因?yàn)椴ǜ裹c(diǎn)變化不明顯,測(cè)量波腹點(diǎn)容易引入較大的人為度數(shù)誤差,而是用波節(jié)
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