北邮电磁场与微波测量实验阻抗测量及匹配技术

电磁场与微波测量实验阻抗测量及匹配技术学院：电子工程学院班号：组员：执笔人：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圆图的应用二、实验内容1、在测量线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，并应用三螺调配器对其进行匹配，使驻波系数小于1.1。三、实验原理1.阻抗测量原理微波元件的阻抗参数或者天线的输入阻抗等是微波工程中的主要参数，因而阻抗测量也是重要测量内容之一。一般情况下，测量的对象可以是膜片、螺钉、滤波器、谐振腔及其它不均匀性等。在阻抗测量的方法中常采用测量线法。本实验着重应用测量线技术测量终端型（等效二端网络）微波元件的阻抗。由传输线理论可知，传输线上任一点的输入阻抗Zin与其终端负载阻抗ZL关系为：ltgjZltgjZZLLin1（2.1）其中，0Z为传输线的特性阻抗，g/2为相移常数，l为至终端负载的距离。设传输线上第一个电压驻波最小点离终端负载的距离为,minl电压驻波最小点处的输入阻抗在数值上等于1/ρ即1minlinZ（2.2）将minll及1inZ代入式（2.2），整理得：minmin1ljtgltgjZL（2.3）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minl值的测量，当测出ρ及minl后，就能由上式计算负载阻抗ZL。但是，这是一个复数运算，在工程上，通常由ρ和minl从圆图上求出阻抗或导纳来。电压驻波系数ρ的测量，已在实验一中讨论过了，现在来讨论minl的测量方法。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minl是比较困难的。因此实际测量中常用“等效截面法”（以波导测量线系统为例）：首先将测量线终端短路，此时沿线的驻波分布如图2-1a所示。用测量线测得某一驻波节点位置DT（任一驻波节点与终端的距离都是半波长的整倍数2/gn，n1，2，3…），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，此时系统的驻波分布如图2-1b所示。用测量线测得DT左边第一个驻波最小点的位置DA及ρ，则ATDDlmin。驻波最小点截面处的阻抗为纯电阻，其电阻值即是以0为圆心，ρ为半径的圆与纯电阻轴交点A所代表的值。由A点沿等ρ圆向负载方向旋转gl/min得到T点，点T的读数即为待测元件的归一化阻抗ZL。以上是以波导测量线系统为例说明了阻抗测量的实验原理。对于同轴测量线系统，首先是将测量线终端开路，然后在将被测负载接上，所测的TD和AD，要进行相应的变换才是公式中需要的minl。2gDTZLTDAminEmaxEminglmin00+j-jA电源负载ρ∞Ta.b.输入信号短路片c.图2-1阻抗测量原理图负载阻抗（单端口网络阻抗）的测量可由驻波系数及其波节点位置换算得到，系统上的输人阻抗周期性的变化，每隔阻抗重复一次，所以被测元件的输入阻抗可由测量线上距被测元件端口的参考面T的输入阻抗来确定，测量时测得驻波系数和参考面到波节点的距离通过圆图换算确定被测元件的阻抗。2.匹配技术在微波传输及测量技术中，阻抗匹配是一个十分重要的问题。为保证系统处于尽可能好的匹配状态而又不降低传输系统的传输效率，必须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、多螺调配器以及单短截线、双短截线等调配器件，其作用是将任意负载阻抗变换为1+j0（规一化值），从而实现负载和传输线的阻抗匹配。单螺钉调配器：螺钉的作用是引入一个并联在传输线上的容性电纳，借助于导纳圆图很方便地求出螺钉的纵向位置l和电纳jb值，见图1-3-2。2/g2/gngl+jb-jbAρYinjbYLA'YLG=1l图1-3-2单螺钉调配器原理图图中LY点表示被匹配的负载输入导纳，欲使负载匹配即01jYin，首先必须使螺钉所在的平面位于G=1的圆上，由此在圆图上求得等ρ圆与G=1圆的交点A和A’，A点输入导纳jbYA1，电纳呈感性。螺钉电纳呈容性，改变螺钉深度，即能改变并联的容性电纳值，使01jYin得到匹配。由于滑动单螺调配器能对圆图上任一导纳值调配，故在理想情况下它的禁区为零。三螺钉调配器：这种调配器的螺钉位置固定在传输线上，依靠调配螺钉深度得到匹配。其调配要点是先右后左，循环多次，在调节过程中需不断观测驻波大小，使波节点电平提高，直至波节点和波腹点电平接近，驻波系数最小。三短截线同轴调配器：三短截线彼此相距4/g固定在传输线上，依靠调节短截线长度得到匹配。其调配要点为先右后左，循环多次，在调节过程中也是不断使波节点电平提高，直至驻波系数最小。四、实验装置微波信号源隔离器驻波测量线选频放大器被测元件图（）测量元件阻抗方框图测量元件阻抗的示意图123456781、信号发生器2、隔离器3、频率计4、可变衰减器5、测量线6、测量放大器7、被测件8、短路片使用调配器调匹配的实验装置示意图五、实验步骤，（1）按原理图接好设备，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，并把被测器接在它的位置上。（5）测量minmaxUU、得到驻波比。（6）利用交叉度数法测出DT左侧第一个驻波节点位置DA，并计算出Imin=|DT-DA|，应用公式minminL1Zljtgltgj就可求出阻抗值。（7）利用滑动单螺调配晶体检波器，使驻波比小于1.05。六、实验结果及分析1、lmin的测量如下：探针电压最小值位置的读数：DT=127.0mmDT左侧第一个驻波节点位置：DA=101.1mm则由以上两值，可得：lmin=|DT—DA|=25.9mm2、由两点法测得的波长如下：λg=2*|T’min—Tmin|=2X26.7=57.4mm则有β=2π/λg=0.10953、由等指示度法测得ρ如下：其中，W=|l2-l’2|=136.9-119.6=17.3mmλg=2*|T’min—Tmin|=2X26.7=57.4mm代入可得：ρ=1.5874、由以上数据代入ZL表达式可以得到阻抗值：minminL1Zljtgltgj=（1+j0.5）/（1.587+j0.31548）≈0.666+j0.183Ω5、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、误差分析实验中可能存在仪器仪表误差，人为误差以及各组互相影响造成的误差等。为了减小误差，在测量波导波长时采用两点法，测量驻波比时则用等指示度法，同时增加重复测量次数取平均值进行记录，尽量减少人为误差。八、思考题1、匹配元件应连接在测量系统中什么地方？为什么？应接在最右边。因为匹配元件几乎能吸收全部入射功率，那么如果有元件连在后面就没有电流流过，不能正常工作。2、通过实验，总结匹配技巧。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？可以采用波腹点做基准测量。因为驻波的波节点与波腹点接连出现，相邻波节点与相邻波腹点之间距离相等，所以采用波节点和波腹点为基准项等价。八、实验总结通过本次实验我们了解了阻抗调配原理及调配方法，熟悉了单枝节匹配器的匹配原理，掌握Smith图解法设计微带线匹配网络，巩固了之前所学的ADS仿真，学会了利用螺钉调配器匹配的方法。由于之前预习充足，我们组的实验进行的还算顺利，按照基本原理逐步地对各个需求量进行测量。调节匹配负载时，则需要有足够的耐心和一定的技巧。我们按照老师所说的方法去循环调试，最后进行得也很顺利。通过这很多次的实验，我们积累了很多有用的经验，对微波测量也更加熟悉，希望能在以后的实验里增加积累，更进一步。