阻抗测量及匹配技术

电磁场与微波测量实验报告实验五阻抗测量及匹配技术实验题目：电磁场与微波测量实验学院：电子工程学院班级：20132112xx撰写人：xx组内成员：xxxx一、实验目的1、掌握利用驻波测量线测量阻抗的原理和方法；2、熟悉利用螺钉调配器匹配的方法；3、熟悉Smith圆图的应用；4、掌握用网络分析仪测量阻抗及调匹配的方法。二、实验内容1、测量给定器件的阻抗和电压驻波系数，并观察其Smith圆图；2、在测量线系统中测量给定器件的ZL，并应用单螺调配器对其进行调匹配，使驻波系数ρ1.05。三、实验设备1、DH1121C型微波信号源：该信号源可在等幅波、窄带扫频、内方波调制方式下工作，并具有外调制功能。在教学方式下，可实时显示体效应管的工作电压和电流关系。仪器输出功率大，以数字形式直接显示工作频率，性能稳定可靠。DH1121C型微波信号源的部分组件名称和简要介绍如下：序号名称功能及介绍1振荡器用于实现窄带扫频2可变衰减器改变吸收微波功率的多少，调节输出功率3PIN调制器实现对微波信号的方波或脉冲调制4输出端口有较低的电压驻波比及与外电路的足够隔离5调制电路对外调制信号适应性强6扫描驱动电路包括锯齿波发生器、同步输出、消隐电路7电源部分具有过流、过热保护和安全工作区保护电路2、波导测量线实验系统：本系统是微波参数实验系统，它是由三公分微波波导元件组成，该系统主要功能可使学生通过实验学习并掌握下列基本知识：（1）学习各种微波器件的使用和测量方法；（2）了解微波在波导中的工作状态及传输特性；（3）了解微波传输线场型特性；（4）学习驻波、衰减、波长（频率）和功率的测量；（5）学习测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。波导测量线实验系统的部分组件名称和简要介绍如下：序号名称功能及介绍1测量线测量微波传输系统中电场的强弱和分布2测量线波导开槽直波导，对波导内电磁场分布影响很小3不调谐探头达到电抗小、效率高、输出响应平坦的效果4滑架用来安装开槽波导和不调谐探头3、单螺钉调配器：负载和传输系统的匹配，就是要消除负载的反射，实际上，调匹配的过程就是调节调配器，使之产生一个反射波，其幅度和“失配元件”产生的反射波幅度相等、相位相反，从微波电路的角度，调配器起到了阻抗变换的作用。调配器使不匹配的元件，经变换器变化到传输线的特性阻抗，从而达到匹配目的。单螺调配器即在波导宽屏伸入一个金属螺钉，螺钉的作用是引入一个并联在传输线上的适当大小的电纳，当螺钉伸入较少时，相当于在波导传输线上并联了一个正的容性电纳，它的大小随着深度的增加而增加。当深度达到谐振时，电纳将增加到无穷大，继续增加深度，电纳值由正变为负，呈感性。4、实验设备连接方式如下图所示：四、实验原理传输线的输入阻抗Zin与其终端负载阻抗ZL的关系为：Zin=𝑍𝐿+𝑗𝑡𝑔𝛽𝑙1+𝑗𝑍𝐿𝑡𝑔𝛽𝑙……（1）设传输线上第一个电压驻波最小点离终端负载的距离为lmin，电压驻波最小点处的输入阻抗在数值上等于1𝜌，即:Zin|lmin=1𝜌……（2）将l=lmin及Zin=1𝜌带入式（1），整理得：ZL=1−𝑗𝜌𝑡𝑔𝛽𝑙𝑚𝑖𝑛𝜌−𝑗𝑡𝑔𝛽𝑙𝑚𝑖𝑛……（3）所以，负载阻抗的测量实质上归结为电压驻波系数ρ及驻波相位lmin值的测量，当测出ρ，λg及lmin后，就能由上式计算出负载阻抗ZL。但是，这是一个复数运算，在工程上，通常由ρ和lmin从圆图上求出阻抗或导纳来。由于测量线结构的限制，直接测量终端负载ZL端面到第一个驻波最小点的距离lmin是比较困难的。因此实际测量中常用“等效截面法”：首先将测量线终端短路，用测量线测得某一驻波节点位置DT，将此位置定为终端负载的等效位置DT。然后去掉短路片改接被测负载。用测量线测得DT左边第一个驻波最小点的位置DA及ρ，则：lmin=|DT-DA|.五、实验步骤1、按序连接好设备，开启信号源电源，使信号源工作于最佳方波、扫频状态；2、移动测量线探针，测量两相邻的电压最小值之间的距离，以测出传输线中的波长，即波导波长；3、短路片安置在测量线的输出端上，并记下探针指示器标尺上对应于电压最小值位置的读数DT，即为“等效参考面”；4、测量线的终端移去短路片，并把被测器（开路）接在它的位置上；5、测量Umax、Umin得到驻波比；6、利用交叉读数法测出DT左侧第一个驻波节点位置DA，并计算出lmin=|DT-DA|,应用公式ZL=1−𝑗𝜌𝑡𝑔𝛽𝑙𝑚𝑖𝑛𝜌−𝑗𝑡𝑔𝛽𝑙𝑚𝑖𝑛就可求出阻抗值；7、调节可变衰减器使指针偏转接近满度，然后利用滑动单螺适配器调配晶体检波器，使驻波比小于1.05。8、整理数据，计算数值。六、实验结果及分析1、调匹配前的实验数据：DTDADT’135.8mm145.6mm108.9mm其中DT’是与DT相邻的电压最小值点，所以有：λg=2|DT-DT’|=53.84mmβ=2𝜋λg=116.7rad/mlmin=|DT-DA|=9.8mmUmaxUmin37.9mV18.5mV所以:ρ=√𝑈𝑚𝑎𝑥𝑈𝑚𝑖𝑛=√37.918.5=1.431带入公式中得：ZL=1−𝑗𝜌𝑡𝑔𝛽𝑙𝑚𝑖𝑛𝜌−𝑗𝑡𝑔𝛽𝑙𝑚𝑖𝑛=1−𝑗×2.048×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、调匹配后，通过调节单螺调配器最终得到了近似匹配的效果。实验数据为：UmaxUmin69mV71mV所以:ρ=√𝑈𝑚𝑎𝑥𝑈𝑚𝑖𝑛=√7169=1.0141.053、Smith圆图为：4、总结用同轴调配器的调匹配步骤：在调节匹配过程中，我们先移动测量线探针找到并记下波节点位置，然后继续调节测量线调到波腹点，此时调节调配器位置，驻波波腹点有所下降，波节点有所上升，直至波节点和波腹点相差不大时，调节螺钉深度，同时用测量线跟踪驻波大小，直至实现匹配。七、思考题（1）匹配元件应连接在测量系统中的什么地方？为什么？答：接在测量线末端，为保证尽可能好的匹配状态，而又不降低传输系统的传输效率，必需在传输线与负载之间接入某种纯电抗性元件，如单螺调配器等调配器，理想情况下它只产生反射而没有损耗。（2）通过实验，清总结匹配技巧。答：在调节匹配过程中，我们先移动测量线探针找到并记下波节点位置，然后继续调节测量线调到波腹点，此时调节调配器位置，驻波波腹点有所下降，波节点有所上升，直至波节点和波腹点相差不大时，调节螺钉深度，同时用测量线跟踪驻波大小，直至实现匹配。（3）在各项测量中，通常采用驻波图形的波节点为基准进行测量，是否可以采用波腹点做基准测量？为什么？答：一般不适用波腹点做基准测量。因为波腹点变化不明显，测量波腹点容易引入较大的人为度数误差，而是用波节点作为基准测量则会减少这样的误差，所以一般不采用波腹点作为基准测量。八、实验结果误差分析①各个极值对应的位移在读取时要估读一位，可能会引入误差。②实验仪器本身存在系统误差。③此次实验是在室内进行，各组同学进行实验操作时彼此距离较近，四周会反射信号的物体很多，环境并不理想，会对实验结果产生一定影响。