北邮电磁波与微波测量第五次

北京邮电大学电磁波与微波测量第五次实验报告学院：电子工程学院班级：姓名：学号：实验三微波驻波比的测量由于微波的波长很短，传输线上的电压、电流既是时间的函数，又是位置的函数，使得电磁场的能量分布于整个微波电路而形成“分布参数”，导致微波的传输与普通无线电波完全不同。微波系统的测量参量是功率、波长和驻波参量，这也是和低频电路不同的。电压驻波系数的大小往往是衡量一个微波元件性能优劣的主要指标。驻波测量也是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量不仅可以直接得知驻波系数值，而且还可以间接求得衰减器、相移量、谐振腔品质因数，介电常数。一、实验目的（1）了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用。（2）掌握驻波测量线的正确使用和用驻波测量线校准晶体检波器特性的方法。（3）掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法。二、实验原理驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和Q值等其他参量。在传输线中若存在驻波，将使能量不能有效地传给负载，因而增加损耗。在大功率情况下，由于驻波存在可能发生击穿现象。此外，驻波存在还会影响微波信号发生器输出功率和频率的稳定度。因此，驻波测量非常重要。电压驻波比测量驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和Q值等其他参量。在测量时，通常测量电压驻波系数，即波导中电场最大值和最小值之比，即𝜌=𝐸𝑚𝑎𝑥𝐸𝑚ⅈ𝑛测量驻波比的方法与仪器种类很多，有直接法，等指示度法，功率衰减法等。本实验着重熟悉用驻波测量线来测驻波系数的几种方法。（1）直接法直接测量沿线驻波的最大点与最小点场强，从而求得驻波系数的方法称为直接法。若驻波腹点和节点处电表读数分别为Umax，Umin则电压驻波系数ρ：𝜌=𝐸𝑚𝑎𝑥𝐸𝑚ⅈ𝑛=√𝑈𝑚𝑎𝑥𝑈𝑚ⅈ𝑛当驻波系数1.5ρ5时直接读出Im𝑎𝑥，Imⅈ𝑛即可。当电压驻波系数在1.05ρ1.5时，驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据，然后取平均值。𝜌=√𝑈max1+𝑈max2+⋯+𝑈max𝑛𝑈min1+𝑈min2+⋯+𝑈min𝑛（2）等指示度法当被测量的驻波系数大于5时，驻波腹点和节点的电平相差比较大，直接法求取大驻波系数会带来较大的误差，原因是：波腹点和波节点电平相差悬殊，因此在测量最大点和最小点电平时，晶体工作在不同的检波率，所以仍然采用直接法测量大驻波比误差较大。因此采用等指示度法，也就是通过测量驻波图形中波节点两旁附近场的分布规律的间接方法，求出驻波系数。根据传输线上场强和终端反射系数之间的关系，如果确定驻波节点两旁等指示度之间的距离，可以推导出关系：𝜌=√𝑘2∕𝑛−cos2(𝜋𝑤𝜆𝑔)sin(𝜋𝑤𝜆𝑔)式中：K=测量点读数𝑘𝐼𝑚𝑖𝑛最小点读数𝐼𝑚𝑖𝑛；𝜆𝑔为测量线上的波长即波导波长。通常情况下，取测量𝐼左和右=2𝐼𝑚ⅈ𝑛的两个等指示度点所对应的探针位置间距，记录为：W=𝑙ℎ−𝑙ℎ′,如果晶体是平方率检波（n=2），传输线的驻波系数可以用下式计算：𝜌=√1+𝐼sin2(𝜋𝑤𝜆𝑔)当𝜌较大时（𝜌≥10），由于W很小，sin(𝜋𝑤𝜆𝑔)较小，sin(𝜋𝑤𝜆𝑔)≈𝜋𝑤𝜆𝑔，故公式进一步简化为：𝜌≈𝜆𝑔𝜋𝑤这种方法取k=2时进行测量，所以也称为“二倍最小值”法，或3分贝方法。必须指出：W与𝛌𝐠的测量精度对测量结果影响很大，因此必须用高精度的探针位置测量装置（如千分测微计）进行读数。三、实验内容及数据处理（1）直接法测量驻波系数（1）按上图所示的框图连接成微波实验系统。（2）调整微波信号源，使其工作在方波调制状态。（3）左右移动波导测量线探针使选频放大器有指示值。（4）用选频放大器测出波导测量线位于相邻波腹和波节点上的𝐼𝑚𝑎𝑥和𝐼𝑚ⅈ𝑛。𝜌=√𝐼𝑚𝑎𝑥𝐼𝑚ⅈ𝑛⁄（5）当检波晶体工作在平方律检波情况时，驻波分布示意如下图：实验数据（被测件接匹配负载）：Imax84.881.981.380.4Imin75.174.274.773.3单次驻波比1.0631.0511.0431.047平均驻波比1.051数据分析：当被测件接匹配负载时，驻波比𝜌的理论值为1，而本次实验所测得的数为1.051，与理论值接近，但相对误差较大。其原因是选频放大器的指针摆幅过大，导致电流读数不准。（2）等指示度法测量驻波系数（1）按如图连接好测量系统。开启微波信号源，选择好频率，工作方式选择方波（2）将测量线探针插入适当深度，用选频放大器测量微波的大小，选择较小的微波输出功率并进行驻波测量线的调谐。（3）在测量线系统中，选用合适的方法测量开路系统的电压驻波系数。（4）用直接频率计测量微波频率，并计算微波波导波长。（5）将测量线终端接短路片，用两点法测量三个相邻波节点的位置，计算𝜆𝑔，求出实测波导波长，并与理论值进行比较。（6）移动探针到驻波节点两边，直到指示器读数为2Imin，读两个等指示度的探针位置（用千分测微计读）𝑙2和𝑙2′。W=|𝑙2−𝑙2′|，根据𝜌=√1+𝐼sin2(𝜋𝑤𝜆𝑔)算出驻波系数。实验数据：（1）微波波导波长的测量理论值：微波频率f=9.625Ghz;𝜆0=𝑐𝑓=31.168𝑚𝑚;𝜆𝑔=𝜆0√1−(𝜆02𝑎)2=42.60mm;测量值：𝜆𝑔=2*（𝑇3+𝑇42−𝑇1+𝑇22)=42.90mm（2）驻波系数的计算两个等指示度的探针位置：𝑙2=141.432mm,𝑙2′=145.120mm，W=3.688mm.驻波系数𝜌=√1+𝐼sin2(𝜋𝑤𝜆𝑔)=3.879数据分析：（1）实验数据的精确度要尽量高，特别是等指示度的两个探针位置，否则会对实验结果产生较大影响。（2）由于仪器的摆幅较大，所以要在仪器指针稳定后再读数，否则读数误差较大。四、思考题（1）开口波导的ρ≠∞，为什么？如果想获得真正意义的开路，应采用什么方法？答：因为开口波导的ρ受外界电磁场分布的影响，并不是理想的开路，无法实现全反射因此其驻波比不为无穷大。要想获得真正意义上的开路，应该连接四分之一阻抗变换器。参数T1T2T3T4测量参数90.5101.7112.7122.9（2）驻波节点的位置在实验中精确测准不容易，如何比较准确的测量？答：可以采用两点法进行波节点位置的测量。具体如下：先根据仪表的示数，找到波节的大约位置，然后再波节点两端读取两个读数相等的点的d1和d2，记录数据；则二者的平均值代表波节点的位置d0。（3）讨论直接法、等指示度法、功率衰减法测量电压驻波比的特点。答：直接法：操作简单、但结果不精确；适用于测量电压驻波比在1.5和5之间的情况，在驻波比较大时易产生较大的误差。等指示度法：适用于驻波比较大时，但对仪器精确度要求较高。功率衰减法：适用于一切情况，测量精度与晶体检波器的检波律没有关系，主要取决于衰减器的校正误差和系统的匹配情况。（4）在对测量线调谐后，进行驻波比的测量时，能否改变微波的输出功率或衰减大小？答：不能，如果在调谐完成后，对这些数值进行调节的话，就会使调谐失效，导致测量的结果不准确。（5）在测量单螺钉驻波比时，为什么要在单螺调配器后面紧跟上一个匹配负载？答：如果没有在单螺调配器后加上匹配负载，那么不匹配负载的阻值就会与单螺调配器的阻值叠加，改变从单螺调配器左端看过去的阻抗值，同时也影响了单螺调配器的驻波系数。所以必须要在单螺调配器后面加上一个匹配负载，否则所测的驻波比数值会受后面负载的影响。五、实验总结通过本次实验，我们了解了波导测量系统，更进一步加深了对实验器件每一个模块的了解，掌握了驻波测量的两种方法：直接法、等指示度法。其中直接法适用于测量驻波比在1-5之间的器件，而等指示度法测量驻波系数适用于驻波比较大的器件。这次实验过程比较不顺，主要是实验前没有进行充分的预习，使得对实验仪器和实验步骤不熟悉，然后在测量时犯下了许多的错误，花费了许多时间调整状态，所以在每一次的实验进行前，我们应该进行充分的预习，对于实验有清醒的认识，这样才能达到事半功倍的效果。实验五阻抗测量及匹配技术一、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原图的应用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、测量给定期间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阻抗𝑍𝐿,并应用三螺调配器对其进行调匹配，使驻波系数ρ1.1。三、实验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。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：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1/ρ即将𝑙=𝑙𝑚ⅈ𝑛及𝑍ⅈ𝑛=1𝜌代入上式，整理得：所以，负载阻抗的测量实质上归结为电压驻波系数ρ及驻波相位值𝑙𝑚ⅈ𝑛的测量，当测出ρ及𝑙𝑚ⅈ𝑛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𝑙𝑚ⅈ𝑛从圆图上求出阻抗或导纳来。电压驻波系数ρ的测量，𝜆𝑔的测量已经在前面的实验中讨论过了，现在来讨论𝑙𝑚ⅈ𝑛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𝑙𝑚ⅈ𝑛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𝑛𝜆𝑔2⁄，，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𝑙𝑚ⅈ𝑛=|𝐷𝑇−𝐷𝐴|。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（归一化值），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了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jb值，见下图：图中𝑌𝐿点表示被匹配的负载输入导纳，欲使负载匹配即𝑌ⅈ𝑛=1+𝑗0，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𝑌𝐴=1−𝑗𝑏，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𝑌ⅈ𝑛=1+𝑗0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𝜆𝑔4⁄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、实验装置使用调配器调匹配的实验装置示意图:按原理图接好设备调整系统，可测得波导中（测量线）电场沿线的幅值分布。在各种微波网络中，二端口微波网络是最基本的。例如：衰减器、相移器、阻抗变化器和滤波器等均属于二端口微波网络。传播主模式的波导所接的终端结构的电性质可由单点