微波测量实验实验三

实验三复反射系数（复阻抗）测量121180166赵琛一、实验目的1、了解测量线的基本结构和调谐方法，掌握微波晶体检波律的校准方法2、了解驻波测量与阻抗测量的意义与相互关系，熟练掌握用测量线测量反射系数，即复阻抗的基本方法。3、熟悉Smith阻抗圆图的应用4、了解阻抗调配器作用及阻抗调配方法二、实验原理参看序言1.3有关部分，1.5.2谐振式波长计，讲义第四部分YM1124单频点信号发生器，YM3892/YM3892A选频放大器使用说明。测试框图：三、实验要求与步骤1在测量线后接短路片。按仪器使用说明正确调试微波信号源，放大器等。在调试中，一般测量线的探针调节旋钮无需调动，将信号调至最大，并用波长计测出信号源工作频率f，由此计算导波长λg。2在测量线后接短路片，用交叉读数法测出各最小点位置Dmin，求导波长λg，并与上面计算得到λg做比较。3在测量线后接匹配负载，用直接法测出其驻波系数。4在测量线后接膜片+匹配负载，用直接法、二倍最小法、功率衰减法测量其驻波系数，并测出最小点位置，计算该负载的输入阻抗及输入导纳。功率衰减器的刻度通过查表得到衰减量。5取下负载，测量线开口，测一下此时驻波系数ρ及Dmin，计算终端开口时的等效阻抗值。6在测量线后接短路片，测量晶体检波律。四、实验数据与实验分析1用频率计算λg。波长计示数为8.45，波长计型号为9507，查表可得，此时f=9.3735GHza=2.286cm，λ=𝑐𝑓𝜆𝑐=2𝑎𝜆𝑔=𝜆√1−(𝜆𝜆𝑐)2带入公式可求得，λg=44.7mm2短路法测导波长λg最小读数法读数：（单位：mm）𝐷11=134.0𝐷21=134.6𝐷1𝑚𝑖𝑛=134.30𝐷21=111.7𝐷22=112.0𝐷2𝑚𝑖𝑛=111.85λg=2D=2(𝐷1𝑚𝑖𝑛—𝐷2𝑚𝑖𝑛)=44.9与计算得到λg对比：由数据可见，最小读数法测得的λg稍大于计算频率得到的λg，这个是符合预期的，因为这是由于测量线上开槽线的影响，使得在测量线中测得的导波长比不开槽的相同截面举行波导中的导波长要稍微长一点。因此，测量线测得的波长稍高于波长计测得的波长。3用直接法测阻抗匹配时的驻波系数：𝜌1=√1000920=1.043𝜌2=√985920=1.035𝜌3=√865800=1.040ρ=𝜌1+𝜌2+𝜌33=1.039分析：可以看出，由于此时阻抗匹配，ρ近似等于1。但是，由于ρ很小，驻波场最大值和最小值区别不大，且变化不尖锐，导致不易测准。此外，直接法的测量还受到了检波晶体的噪声电平以及平方率检波准确性的影响。此时我们测量时默认晶体检波律是2，但这个数据并不一定准确，在后面分析我们可以看出，这个数据其实很不准确，直接影响了测量准确度。4，用直接法、二倍最小法、功率衰减法测量不匹配阻抗的驻波系数以及输入阻抗、输入导纳、衰减量驻波系数：直接法：ρ=√90055=4.042倍最小法：𝐷1=129.8𝐷2=132.8𝑊=𝐷2−𝐷1=3ρ=√1+1𝑠𝑖𝑛𝜋𝑊𝜆𝑔2=4.88功率衰减法：衰减器型号：02示数𝑎𝑚𝑖𝑛=200衰减器刻度：6.12衰减：𝐴𝑚𝑖𝑛=7.5𝑑𝐵衰减器刻度：9.26衰减：𝐴𝑚𝑎𝑥=24.8𝑑𝐵ΔA=𝐴𝑚𝑎𝑥—𝐴𝑚𝑖𝑛=17.3dBρ=1017.320=7.3计算输入阻抗与输入导纳:对于驻波系数ρ，根据后面对晶体检波律的分析，我们可以得出，由于对平方律的修正，取直接法和二倍最小法的修正后的平均，ρ应该为6.2。以下使用这个数据进行计算。对于膜片+匹配负载，Dmin1=132.3Dmin2=130.2Dmin=131.3（mm）对于短路片，前面已经求得，𝐷𝑇=134.3𝑑𝑚𝑖𝑛=Dmin-𝐷𝑇=-3(mm)在精度要求不太高的时候，我们可以利用史密斯圆图求得阻抗。史密斯圆图见下。𝐷𝑇在Dmin左边，查图时按照顺时针旋转（朝向电源），先找到等ρ圆，圆心为=圆图中心，找到最小点Zmin=1/ρ，顺时针转过𝑑𝑚𝑖𝑛𝜆𝑔=0.067𝑟𝑎𝑑=3.84°。以圆点为矢径，与等ρ圆的交点即可得输入阻抗。求得归一化阻抗𝑍𝑖𝑛=0.026+j0.45。归一化导纳𝑌𝑖𝑛=0.13-j2.225计算终端开口时的驻波系数及等效阻抗终端开口时：6测量晶体检波律D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10101.2103.0104.2105.1106.0106.8107.5108.3109.0110.0Dmin=111.6d1d2d3d4d5d6d7d8d9d1010.48.67.46.55.64.84.13.32.61.6𝐸相对=𝐸𝐸𝑚𝑎𝑥=sin(2𝜋𝑑𝜆𝑔)E1E2E3E4E5E6E7E8E9E100.960.940.860.790.710.620.540.450.360.22计算晶体检波律：n=𝑙𝑔𝑎相对𝑙𝑔𝐸相对n1n2n3n4n5n6n7n8n9n10—1.571.471.511.491.451.491.511.581.52对其求平均值，∑𝑛𝑖9𝑖=19=1.51，即认为检波律应该是1.51。分析：由数据可见，检波律误差与平方律有一定偏差，这个会导致之前很多测量不够。检波律随着环境温度、湿度、时间、振动而变化，也即是说，检波律误差较大。若将K=1.51带入直接法和二倍最小法，分别测得ρ=6.43和ρ=5.97，则与功率衰减法测得的数据较为接近，符合常规。五、注意若驻波系数很小时，为何要求D1、D2不能太接近？答：若驻波系数很小，最大值和最小值之间距离本来就很小，如果此时仍然D1D2距离很近远小于最大最小之间距离，则D1D2距离会过近，导致误差会非常大。六、思考题1用测量线测微波阻抗应注意什么问题？为什么能用测等效参考面阻抗的方法确定待测阻抗？答：阻抗测量设计相位测量，用测量线的方法测量微波阻抗，需要使用交叉读数法测量导波长，从俄国人测出驻波系数ρ，还需测量出从被测微波元器件的输入端口向信号源方向到达第一个波节点之间的距离𝑑𝑚𝑖𝑛。但由于受到测量线结构限制，探针难以到达距离实际输入端口𝑑𝑚𝑖𝑛，难以直接测量，因此需要在探针到达范围内选择等效截面，进而确定𝑑𝑚𝑖𝑛。由于传输线每隔𝑛2𝜆𝑔阻抗相等，因此可以再测量线探针到达范围内任选一个合适波节点，作为终端等效截面位置，从而测得待测阻抗。2能否从你的所测得数据求出膜片本身阻抗？能否考虑测膜片阻抗其他方法？答：第四步测量的时候相当于是膜片和匹配负载进行了串联，已知波导系数，并且知道了复反射系数情况下，可以求得膜片+匹配阻抗合成的阻抗，再求得膜片阻抗。3试比较实验中所用三种驻波系数测量方法。答：直接法：应用条件是ρ≤6。优点是测量相对简单，但是依赖于晶体检波律的准确度，如果平方律不准则误差很大。应注意：1当ρ很小（小于1.5）时，最大和最小示数区别很小，导致直接法误差很大，此时要多测几组求平均。2应让电表指针偏转在满刻度50%以上，从而提高测量精度。等指示度法：应用条件：ρ＞3-5;当ρ大于6的时候，驻波最大和最小电压相差很大，若驻波最小处电压有偏转，则最大处由于电压较大，会使晶体检波律偏离平方律，从而直接法测量时候会引入较大误差。测量公式为ρ=√𝐾2𝑛−cos𝜋𝑊𝜆𝑔2sin𝜋𝑊𝜆𝑔2因此宽度W和波导长λ的测量精度对于测量结果影响很大。在测量最小点时，应使用交叉读数法来减小误差。功率衰减法：任意驻波比均可应用。这种测量方法的测量精度与晶体检波律、测量放大器的线性无关，而主要取决于衰减器校准精度和测量电路的匹配情况，在测量精度要求高时，应先对电源方向进行匹配，并选用高精度衰减器。在测量中，由于要同时调节衰减器并保持放大器示数不变，因此受到了衰减器和测量电路两方面的误差，误差较大。4测量线后不接负载（终端开口），ρ=∞吗？答：此时ρ不会无穷大。因为在实际情况中，或多或少会有一些能量反射回去，从而不会使得驻波系数无穷大。