北郵電磁場(chǎng)與微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五阻抗測(cè)量及匹配技術(shù)

1、 電磁場(chǎng)與微波測(cè)量實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)五 阻抗測(cè)量及匹配技術(shù)學(xué)院：電子工程學(xué)院班號(hào)：2011211204組員：執(zhí)筆人：學(xué)號(hào)：20112109861、 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2、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 在測(cè)量線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)用三螺調(diào)配器對(duì)其進(jìn)行匹配，使駐波系數(shù)小于1.1。3、 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)量的對(duì)象可以是膜片、螺釘、濾

2、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）其中，為傳輸線的特性阻抗，為相移常數(shù)，為至終端負(fù)載的距離。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

3、系數(shù)的測(cè)量，已在實(shí)驗(yàn)一中討論過(guò)了，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。駐波最小點(diǎn)截面處的阻抗為純電阻，其電阻值即是以0為圓心，為半徑的圓與純電阻軸交點(diǎn)A所代表的值。

4、由A點(diǎn)沿等圓向負(fù)載方向旋轉(zhuǎn)得到T點(diǎn)，點(diǎn)T的讀數(shù)即為待測(cè)元件的歸一化阻抗ZL。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(kāi)路，然后在將被測(cè)負(fù)載接上，所測(cè)的和，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

5、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，

6、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。4、 實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量元件阻抗的示意圖使用調(diào)配器調(diào)匹配的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 5、 實(shí)驗(yàn)步驟，（1）按原理圖接好設(shè)備，開(kāi)啟信號(hào)源電源

7、，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)量得到駐波比。（6）利用交叉度數(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Imin=|DT-DA|，應(yīng)用公式就可求出阻抗值。（7）利用滑動(dòng)單螺調(diào)配晶體檢波器，使駐波比小于1.05。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1、 lmin的測(cè)量如下：探針電壓最小值位置的讀數(shù)： DT=127.0mmDT左側(cè)第一個(gè)駐波節(jié)點(diǎn)位置

8、：DA=101.1mm則由以上兩值，可得： lmin=|DTDA|=25.9mm2、由兩點(diǎn)法測(cè)得的波長(zhǎng)如下： g=2*|TminTmin|=2X26.7=57.4mm則有 =2/g=0.10953、由等指示度法測(cè)得如下： 其中， W=|l2-l2|=136.9-119.6=17.3mm g=2*|TminTmin|=2X26.7=57.4mm代入可得：=1.5874、由以上數(shù)據(jù)代入ZL表達(dá)式可以得到阻抗值：=（1+j0.5）/（1.587+j0.31548）0.666+j0.183 5、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(guò)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)

9、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。七、誤差分析 實(shí)驗(yàn)中可能存在儀器儀表誤差，人為誤差以及各組互相影響造成的誤差等。為了減小誤差，在測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng)時(shí)采用兩點(diǎn)法，測(cè)量駐波比時(shí)則用等指示度法，同時(shí)增加重復(fù)測(cè)量次數(shù)取平均值進(jìn)行記錄，盡量減少人為誤差。八、思考題1、匹配元件應(yīng)連接在測(cè)量系統(tǒng)中什么地方？為什么？ 應(yīng)接在最右邊。 因?yàn)槠ヅ湓缀跄芪杖咳肷涔β?，那么如果有元件連在后面就沒(méi)有電流流過(guò)，不能正常工作。2、通過(guò)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)匹配技巧。 在調(diào)節(jié)匹配過(guò)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？ 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)項(xiàng)等價(jià)。八、實(shí)驗(yàn)總結(jié) 通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)我們了解了阻抗調(diào)配原理及調(diào)配方法，熟悉了單枝節(jié)匹配器的匹配原理，掌握Smith圖解法設(shè)計(jì)微帶線匹配網(wǎng)絡(luò)，鞏固了之前所學(xué)的ADS仿真，學(xué)會(huì)了利用螺釘