實(shí)驗(yàn)四輸入阻抗測量及匹配技術(shù)

大連理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告姓名：牛玉博班級(jí)：電通1202學(xué)號(hào)：201201203實(shí)驗(yàn)四輸入阻抗測量及匹配技術(shù)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求應(yīng)用阻抗圓圖，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)求任意負(fù)載的輸入阻抗；了解調(diào)匹配的基本原理和方法，加深對匹配意義的認(rèn)識(shí)；掌握常用調(diào)匹配器的使用方法和調(diào)配技巧。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1） 求任意負(fù)載的輸入阻抗；2） 用不同形式的匹配器進(jìn)行匹配的使用方法和調(diào)配技巧。實(shí)驗(yàn)原理1）阻抗測量的基本原理輸入阻抗是微波元器件或天線系統(tǒng)的主要參數(shù)之一，所以阻抗測量就顯得尤其重要。本實(shí)驗(yàn)旨在學(xué)習(xí)用駐波測量線測量單端口微波元件輸入阻抗的方法。根據(jù)傳輸線理論，微波傳輸系統(tǒng)中駐波分布與終端負(fù)載阻抗有關(guān)系。表征駐波特性的兩個(gè)參量，駐波比及香味與負(fù)載阻抗的關(guān)系如下：—— （4-1）式中為歸一化負(fù)載阻抗，即單端口微波元件的輸入阻抗，為駐波比，為終端負(fù)載至相鄰駐波點(diǎn)的距離，參見圖4-1圖4-1終端負(fù)載至相鄰駐波節(jié)點(diǎn)的距離在測量線的輸出端接上待測元件，分別測量駐波比、波導(dǎo)波長及距離，并將測得的數(shù)據(jù)帶入式（4-1）中，或者根據(jù)阻抗（或到哪）圓圖就可以計(jì)算出待測元件的輸入阻抗（或輸入導(dǎo)納）。在測量時(shí)，由于測量線結(jié)構(gòu)的限制，直接測量待測元件的輸入端面到相鄰駐波節(jié)點(diǎn)的距離有困難，所以，在實(shí)際測量中常采用“等效截面法”進(jìn)行測量。首先讓測量線短路，沿線的駐波分布如圖4-2（a）所示，移動(dòng)測量線探針于測得的某一駐波點(diǎn)上，該點(diǎn)位置記為，該點(diǎn)與終端距離應(yīng)為半波長的整數(shù)倍，即-（n=1，2,3......）此位置就是待測元件輸入端面在測量線上的等效位置T。圖4-2等效截面法示意圖當(dāng)測量線終端換接待測元件做負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)的駐波分布如圖4-2（b）所示，用測量線測得左邊（向波源方向）的相鄰駐波節(jié)點(diǎn)的位置，即為終端相鄰駐波節(jié)點(diǎn)的等效位置，即： 。由公式（4-1）便可計(jì)算出待測元件的輸入阻抗。為了工程設(shè)計(jì)的方便，通常采用阻抗圓圖來進(jìn)行求解。2）匹配技術(shù)匹配是微波技術(shù)中的一個(gè)重要概念，通常包含兩方面的含義：一是微波源的匹配，而是負(fù)載的匹配。是系統(tǒng)的傳輸功率最大并能減小傳輸線的損耗等等。從測量角度來說，良好的匹配能夠減小頻率牽引所帶來的影響。因此，熟悉、掌握調(diào)匹配的原理和調(diào)匹配的技巧，對分析和解決微波技術(shù)中的實(shí)際問題具有十分重要的意義。調(diào)匹配的方法有很多，可根據(jù)不同的場合需要靈活選用。對于固定的負(fù)載，通常采用在系統(tǒng)中接入隔離器、膜片、銷釘、諧振窗等方法以達(dá)到匹配的目的；而對于變動(dòng)的負(fù)載，可以采用接入滑動(dòng)單螺釘、多螺釘及單短截線等各種類型的匹配器的方法達(dá)到匹配的目的。本實(shí)驗(yàn)是利用單螺釘及多螺釘匹配器來調(diào)匹配喇叭天線。調(diào)配過程從物理意義上來說，就是調(diào)節(jié)調(diào)配器使它產(chǎn)生一個(gè)反射波，其幅度和“失配元件”所產(chǎn)生的反射波幅值相等，相位相反，從而抵消“失配元件”在系統(tǒng)中引起的反射。（1）單螺釘匹配器圖4-3（a）為單螺釘匹配器的結(jié)構(gòu)示意圖。它是插入在矩形波導(dǎo)中的一個(gè)穿深度可以調(diào)節(jié)的螺釘，并可沿著矩形波導(dǎo)寬壁中心的無輻射縫做縱向移動(dòng)。其匹配原理用圖4-3（b）來說明。圖4-3匹配原理圖假設(shè)系統(tǒng)終端導(dǎo)納處在圓圖A點(diǎn)的位置上，當(dāng)參考面從負(fù)載向波源移動(dòng)時(shí)，傳輸線輸入導(dǎo)納由A點(diǎn)沿等圓順時(shí)針方向移動(dòng)，到達(dá)位置BB面時(shí)（與g=1的圓相交），輸入導(dǎo)納 ，電納為感性的。又因?yàn)椴▽?dǎo)寬壁插入一個(gè)直徑d ，出入深度t-的螺釘時(shí)，等效于在傳輸線上并聯(lián)一容性電納，改變螺釘深度，即能改變?nèi)菪噪娂{值 ；因而BB截面上總的歸一導(dǎo)納為 。若調(diào)節(jié)螺釘深度t,至?xí)r，則1,圓圖上BB面的導(dǎo)納逐漸移動(dòng)到0點(diǎn)、及匹配點(diǎn)，從而使系統(tǒng)達(dá)到匹配。（2）三螺釘匹配器為了達(dá)到匹配，必須使CC面向負(fù)載看總輸入歸一化導(dǎo)納’=1，故必須使CC面右方向負(fù)載看的輸入導(dǎo)納’位于g=1，導(dǎo)納為感性的半個(gè)單位圓上，同時(shí)，必須使BB面左右向負(fù)載看的輸入導(dǎo)納YB’位于“輔助半圓”上（如圖中虛線所示）三螺釘匹配器是在矩形波導(dǎo)寬壁中心處，由三個(gè)彼此相距為/4（或者/8X相對位置固定、穿深度可以調(diào)整的螺釘組成的，其等效電路如圖4-4（a）所示。其匹配原理簡單說明如下：首先簡單介紹一下雙螺釘匹配器（即利用螺釘B、C）的調(diào)匹配過程，圖4-4（b）。圖4-4三螺釘匹配器及調(diào)匹配原理示意圖為了達(dá)到匹配必須使CC面向負(fù)載方向看其總的輸入歸一化導(dǎo)納丫；這樣，就必須使CC面右方向向負(fù)載看的輸入導(dǎo)納位于g=1、電納為感性的半個(gè)單位圓上；同時(shí)，還必須使BB面左方向向負(fù)載看的輸入導(dǎo)納’位于“輔助半圓，，上（如圖中虛線所示卜依據(jù)上述結(jié)論，假設(shè)BB面右方向向負(fù)載看的負(fù)載輸入導(dǎo)納’位于導(dǎo)納圖中的A點(diǎn)上（注意：’與負(fù)載導(dǎo)納’不同，彼此相距/）。但是，并非所有的有損耗負(fù)載都能利用雙螺旋進(jìn)行匹配，實(shí)際上所對應(yīng)的A點(diǎn)如果落在圓圖的陰影區(qū)中，因?yàn)闊o法通過改變jbB’來使的’的對應(yīng)點(diǎn)B落在“輔助半圓上”，所以也就無法對這種負(fù)載進(jìn)行匹配，這里我們把陰影區(qū)成為：“匹配盲區(qū)。如果利用螺釘D構(gòu)成三螺釘匹配器，就能克服上述缺點(diǎn)。當(dāng)對應(yīng)的A點(diǎn)落在“匹配盲區(qū)”中，這時(shí)利用jbC’和jbD’（注意：不用jbB’）組成另外一個(gè)雙螺釘調(diào)配器；因?yàn)锽B面對應(yīng)的A點(diǎn)落在“匹配盲區(qū)”中，經(jīng)過長度為/4的均勻傳輸線變換到CC面右方時(shí)，其輸入導(dǎo)納的對應(yīng)點(diǎn)事A點(diǎn)，將沿圓旋轉(zhuǎn)180°,所以的對應(yīng)點(diǎn)就肯定不會(huì)落在“匹配盲區(qū)”內(nèi)，利用由jbC’和jbD’組成的雙螺調(diào)配器一定能匹配負(fù)載。調(diào)配方法：以上只是從阻抗調(diào)配圖上說明了單螺（或者三螺）匹配器的調(diào)配原理。在實(shí)際工作中，常常采用逐步減小駐波比的方法，即先將測量線的探針置于波節(jié)（或波腹）的位置上，通過調(diào)整匹配器可觀測到電流表的指針讀數(shù)增大（若探針位于波腹時(shí)指針讀數(shù)減?。?。就說明調(diào)配活塞或螺釘移動(dòng)方向正確，反復(fù)調(diào)整相應(yīng)位置上的單螺位置及螺釘?shù)拇┥疃?，直到達(dá)到所要求的駐波比。但要必須注意的是：每次的調(diào)配都會(huì)改變駐波比的相位，因此每當(dāng)用測量線觀察波節(jié)（或波腹）電平時(shí)，要移動(dòng)探針位置使之位于真正的波節(jié)（或波腹）點(diǎn)上。（3）用滑動(dòng)單螺調(diào)配器調(diào)配晶體檢波器，使駐波比小于1.05。不改變晶體檢波器工作狀態(tài)，將滑動(dòng)單螺調(diào)配器接于測量線和晶體器之間，單螺釘完全退出波導(dǎo)，將所測數(shù)據(jù)記錄。由滑動(dòng)單螺調(diào)配器結(jié)構(gòu)示意圖所示， 一（n=0,1,2,3...）,估算調(diào)配螺釘應(yīng)離開終端負(fù)載的大約距離1’，記錄數(shù)據(jù)與表，并調(diào)節(jié)螺釘于此位置。緩慢調(diào)節(jié)螺釘穿深度，并微調(diào)螺釘位置，用測量線跟蹤駐波節(jié)點(diǎn)，使電表指示讀數(shù)逐步增加，在用測量線跟蹤駐波腹點(diǎn)，使指示電表讀數(shù)逐步下降，反復(fù)數(shù)次，直至駐波比＜1.05。測量螺釘與終端實(shí)際距離1,讀取螺釘穿伸度t,將數(shù)據(jù)記于上表。不用圓圖直接用單螺釘配晶體檢波器，調(diào)配器單螺釘穿深度置于1~2mm,移動(dòng)其位置，并用測量線分別跟蹤駐波腹點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)，直至螺釘在某一位置時(shí)，駐波腹點(diǎn)有下降，駐波節(jié)點(diǎn)有上升趨勢。這時(shí)，反復(fù)調(diào)整螺釘穿深度，并微調(diào)位置，用測量線跟蹤駐波大小，直至駐波比＜1.05。測量螺釘離開終端負(fù)載的距離1及螺釘穿伸度t，將數(shù)據(jù)記于表4-1，并與前面測得的1,t比較。三、實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備X波段信號(hào)源（DH1121B）1kHz選頻放大器（DH388A0）駐波測量線（TC26）可變衰減器（BD-20-2）直讀式頻率計(jì)（BD1/035A）精密衰減器（TS7）單螺調(diào)配器等四、實(shí)驗(yàn)步驟及操作方法系統(tǒng)調(diào)整圖4-5駐波比測量系統(tǒng)框圖按照圖4-5接好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測量線終端接短路板；打開電源開關(guān)預(yù)熱儀器，并使信號(hào)源和電流表指針處于正常狀態(tài)。調(diào)諧測量線探頭，使測量線處于最佳工作狀態(tài)。用直讀式頻率計(jì)測定工作頻率f。交叉讀書法測量波導(dǎo)波長，并確定某一波節(jié)點(diǎn)位置（通常取測量線中間段的波節(jié)位置能保證精度）。測量H面扇形喇叭的輸入阻抗取下短路板、接上H面扇形喇叭天線，測出左邊（信號(hào)源與之間）的第一個(gè)駐波最小點(diǎn)位置，記為，并計(jì)算：用直接法或功率衰減法測出喇叭天線的駐波比。由測得的、和值便可以在阻抗圓圖上找出負(fù)載歸一化的輸入阻抗值。因?yàn)樵隈v波電壓的最大值、最小值處均為純電阻性的阻抗值，而且阻抗圓圖實(shí)軸上的r值也表示了值，所以可以在圓圖上找到r值等于值的點(diǎn)A（如=2時(shí)），通過A點(diǎn)畫出=2的圓，此圓與實(shí)軸相交于B點(diǎn)，從B點(diǎn)開始向反時(shí)針方向轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)向負(fù)載的方向）的角度，在外圓上得到D點(diǎn)，再由D點(diǎn)與圓心連一條直線，該直線與等圓相交于C點(diǎn)，若在圓圖上的C點(diǎn)的r，x值分別設(shè)為r1，x1，則負(fù)載歸一化的輸入阻抗為：z=r1-jx1。利用三螺釘匹配器調(diào)配