测量线的调整和晶体检波器的校准

测量线的调整和晶体检波器的校准一、目的与要求1.学会正确调整和使用测量线；掌握晶体定标和测量驻波比的直接方法。2.熟练掌握用交叉读数法测量波导波长；明确探针调谐的目的和方法。二、实验原理1.驻波测量线驻波测量线是微波系统的一种常见测量仪器，它可以探测微波传输系统中电磁场分布情况，测量驻波比、阻抗、调匹配等。测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。开槽波导中的场由不调谐探头取样，探头的移动靠滑架上的传动装置，探头的输出送到显示装置，就可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息，测量线外形如图1图1:DH364A00型3cm测量线外形测量线波导是一段精密加工的开槽直波导,此槽位于波导宽边的正中央，平行于波导轴线，不切割高频电流，因此对波导内的电磁场分布影响很小。此外，槽端还有阶梯匹配段，两端法兰具有尺寸精确的定位和连接孔，从而保证开槽波导有很低的剩余驻波系数。不调谐探头由检波二极管、吸收环、盘形电阻、弹簧、接头和外壳组成，安放在滑架的探头插孔中。不调谐探头的输出为ＢＮＣ接头，检波二极管是经过加工改造的同轴检波管，其内导体作为探针伸入到开槽波导中，因此，探针与检波晶体之间的长度最短，从而可以不经调谐，而达到电抗小、效率高，输出响应平坦。滑架是用来安装开槽波导和不调谐探头的，不调谐探头放入滑架的探头插孔中，并由锁紧螺钉固紧。探针插入波导中的深度为1.5mm，约为波导窄边尺寸的15％。在分析驻波测量线时，为了方便起见通常把探针等效成一导纳Yu与传输线并联。如图2所示，其中Gu为探针等效电导，反映探针吸取功率的大小，Bu为探针等效电纳，表示图2探针等效电路图3探针电纳对驻波分布图形的影响图4谐振式频率计结构原理图探针在波导中产生反射的影响。当终端接任意阻抗时，由于Gu的分流作用，驻波腹点的电场强度要比真实值小，而Bu的存在将使驻波腹点和节点的位置发生偏移。当测量线终端短路时，如果探针放在驻波的波节点B上，由于此点处的输入导纳yin→∞故Yu的影响很小，驻波节点的位置不会发生偏移。如果探针放在驻波的波腹点，由于此点上的输入导纳yin→0，故Yu对驻波腹点的影响就特别明显，探针呈容性电纳时将使驻波腹点向负载方向偏移，如图2所示。所以探针引入的不均匀性，将导致场的图形畸变，使测得的驻波波腹值下降而波节点略有增高，造成测量误差。欲使探针导纳影响变小，探针愈浅愈好，但这时在探针上的感应电动势也变小了。通常我们选用的原则是在指示仪表上有足够指示下，尽量减小探针深度，一般采用的深度应小于波导高度的10％～15％。2、波长的测量：测量波长的常见方法有谐振腔法和驻波法。谐振腔法：用谐振式波长计进行测量，谐振式波长计的结构如图4.1.谐振腔腔体2.耦合孔3.矩形波导4.可调短路活塞5.计数器6.刻度7.刻度套筒电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率，从而计算出微波的波长。驻波法：驻波法是用驻波测量线进行测量。当测量线终端短路时，传输线上形成纯驻波，移动测量线探针，测出两个相邻驻波的最小点之间的距离，即可求得波导波长g。在传输横电磁波的同轴系统中，按上测出的波导波长g就是工作波长；但是在波导系统中，测量线测出的波长是波导波长g，它是入射波与反射波迭加而成的合成波，由于波导中的电磁波以光速按“之”字形进行传播，所以它要大于在自由空间传播的波长，二者之间的关系是：2121cg1式中的c为矩形波导中传播的色散波的“临界波长”，只有当自由空间的工作波长λ小于临界波长c时，电磁波才能在矩形波导中得到传播。对于波导传播的TEmn波或TMmn波的临界波长公式为21222bnamc2式中的a,b为波导截面的尺寸。对于实验中常用的TE10波，ac2，λg与λ之间的关系为2)2(1ag3测出波导波长后由上式可计算出工作波长。为了提高测量的精度，通常采用交叉读数法确定波节点位置，并测出几个波导波长求其平均值。所谓交叉读数法，是指在波节点附近两旁找出指示电表读数相等的两个对应位置d11、d12、d21、d22……然后分别以其平均值确定波节点的位置，如图5所示。则1002iigdd4图6晶体二极管的检波特性3、晶体检波器的特性测定在微波测量系统中，送至指示器的微波能量通常是经过晶体二极管检波后的直流或低频电流，指示电表的读数是检波电流的有效值。晶体二极管为非线性元件，其检波电流与两端电压之间的关系为nUkI，式中，n表征晶体管的检波规律：如n=1，则I与U成正比，称为线性检波；当n=2时，I与U2成正比，称为平方检波。晶体二极管的检波特性是随其端电压的变化而变化的，当端电压较小时，呈现平方律；当端电压较大时，呈现线性规律。如图6所示，在UU1范围内，近似为线性；UU2时平方规律；U2UU1而在的范围内，检波律n不是常数。因此，加在晶体管两端的电压变化幅度较大时，n就是不常数。所以在精密测量中必须对晶体的检波律进行定标。测量线探针在波导中感应电动势（即晶体二极管两端电压U）与探讨针所在处的电场E成正比，所以检波电流和波导中的电场E同样满足关系nkEI5所以要从检波电流读数值决定电场强度的相对值，必须确定晶体检波律n。当n=2时，检波电流读数为相对功率指示值。实验室常用驻波法为晶体定标，具体又分为两种：(1)测量指示器读数与相对场强的关系曲线：当测量线终端短路时，沿线各点电场分布为dEEgm2sin6图5交叉读数法测量驻波的节点位置图7I和E`随d的变化规律图8晶体检波特性校准曲线即电场的相对强度为dEEEgm2sin'7式是Em为驻波波腹点的电场强度，g为波导波长，d为测量线探针与驻波节点的距离,dg2sin是探针位置的相对场强。将7式代入到5式得ngdKI2sin``8I和E`随d的变化曲线如图7所示。在4g范围内，移动探针，使其偏离驻波节点不同位置d，在场强相对值不同时，读取指示电表读数U，即能作出U~E`关系曲线，也就是二极管的定标曲线，如图8所示。对8式左端用U表示，并取对数，并令常数=1，得到gdnU2sinloglog9即logU与gd2sinlog成正比，作出logU~gd2sinlog曲线，求出斜率n，或用最二乘法求出n即为晶体检波律。（2）另一种方法是，测量线终端短路，测出半峰值读数间的距离W，如9所示，则检图9按半高点间的距离求晶体检波律波律n可以根据下式计算得到：gWncoslog5.0log10根据测定的晶体检波律，即可得到晶体平方律的工作范围。实验中大多数微波测试都在小信号工作状态，因此，晶体检波律基本为平方律，在非精密测量的条件下，可取n=2。实验仪器1．隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性(见图11)。隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。2．衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成(见图12)，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。3．驻波测量线：驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。4．晶体检波器：从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调图10测试装置图图11隔离器结构示意图图12衰减其结构示意图节其短路活塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率。5．微波源：提供所需微波信号，频率范围在8．6～9．6GHz内可调，工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择，实验时选择方波工作方式。6．选频放大器：用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，7．波导管：本实验所使用的波导管型号为BJ—100，其内腔尺寸为α＝22.86mm，b＝10．16mm。其主模频率范围为8．20～12．50GHz，截止频率为6．557GHz。实验操作：1、参照图10连接微波元件（实验前已由实验室连好）2、检查下列连接是否正确：测量线检波输出←→选频放大输入；三厘米固态信号源←→波导同轴转换；检波二极管输出←→检波指示器。3、打开三厘米固态信号源的电源，选取择信号输出为“方波”；打开选频放大器的电源，输入电压选“1”档；频率选“1K”档；增益选“1”档。预热15分钟。4、调节信号源输出频为9.370GHz5、移动测量线探针，使选频放大器的检波输出指示最大；调节衰减器或信号源加到测量线上的微波功率，使选频放大器的检波输出为满刻度，移动微波测量线，观察批示器的读数变化，判断驻波图形的对称性。6、信号源工作方式选择“等幅”、“点频”，用频率计测量工作频率，记录数据f1，然后失谐频率计。7、测量线终端接短路板，信号源工作方式选“方波”，移动探针至驻波节点，用交叉读数法测量相邻三个波节点的位置，具体方法是找到波节点后，在其两侧找选频放大器电表读数相等的点，记下数据，用3式计算波导波长gi，取平均值即为所测波导波长g。8、从波节到波腹的λg/4长度内，确定10个测试点，用百分表找出每个测试点上对应的测量线输出电压值U，9、不改变输入电压，移动测量线的探针到驻波的波腹点，再调整微波衰减器使电表读数达100%，然后移动探针，分别找出波腹点相邻两边指示电表读数I左,I右为50%时探针的位置刻度d1,d2,记入数据表4，计算晶体的检波律n。数据处理：1、由f1计算微波的工作波长，2、计算出波导波长，并与测量所得的波导波长进行比较3、画出晶体的特性校准曲线U--E`；在同一坐标系画出晶体检波特性曲线U-d,E`-d4、画出logU—logE`曲线，并在曲线上求斜率n，用最小二乘法求n5、用公式10求n,并与前边所求进行比较数据记录：1、信号源输出频率f0=;频率计测量频率f1=2、波导波长的测量：波导波长的计算：λgi=2|doi-d0i+1|d11d12d01d21d22d02d31d32d033、晶体的校准d0λg/40λg/203λg/40λg/10λg/83λg/207λg/40λg/59λg/40λg/4d值θ=2πL/λg0π/20π/103π/20π/5π/40.3π7π/200.4π9π/20π/2E`=Sinθ00.1560.3090.4540.5880.7070.8090.8910.9510.9881.000U0Log(E`)logU表412345d1=d2=λg1λg=λg2