实验五--微波电压驻波比与反射系数的测量

实验五微波电压驻波比与反射系数的测量、分析与计算一、实验目的(1)学会驻波比的测量、分析和计算；(2)通过驻波比及驻波波节点测量数据，学会分析和计算反射系数。二、实验原理在任何的微波传输系统中，为了保证传输效率，减少传输损耗和避免大功率击穿，必须实现阻抗的匹配。描述系统匹配程度的参数有电压驻波比和反射系数。驻波比测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一。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。因此驻波测量是非常重要的内容。在测量时，通常是测量电压驻波比，即波导中电场(电压)最大值与最小值之比，即：测量驻波比的方法与仪器有多种。驻波比的各种测量方法如表5-1所示。表5-1驻波比的各种测量方法测量方法适用范围特点直接法中、小驻波比(ρ6)测量方法简便，测量误差除与信号源和测量线的系统有关外，主要决定于指示器的读数误差等指示度法大驻波比(ρ6)测量方法简单，ρ值测量时需要确定晶体检波律。测量误差决定于等指示度宽带w的读数误差，探针导纳对测量精度影响较小功率衰减法任意驻波比(常用于测量大驻波比)测量方法复杂，标准衰减器两端匹配良好(ρ1.02)时可得到较高精度移动终端法小驻波比(ρ1.1)能分离两个混合在一起的小反射波，测量精度与直接法相同，由于已将两种反射分离开，所以准确度大大提高S曲线法(即节点偏移法)任意驻波比(常用于测量小驻波比)测量方法复杂，测量准确度较高，但测量精度受到信号源的频率漂移影响较大本实验仅介绍直接法和等指示度法。1.直接法直接测量沿线驻波的最大点和最小点场强，由式(5-1)直接求出电压驻波比的方法称为直接法。此方法适用于中小电压驻波比(ρ6)的测量。若驻波波腹点和波节点处电表指示读数分别为Imax、Imin，对于小驻波比，晶体二极管为平方律(n=2)检波时，则上式驻波比为：minmaxminmaxIIEE（5-2）当电压驻波比在1.05ρ1.5时，驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测量准。为了提高测量准确度，可移动探针座到几个波腹点和波节点，实际测量多个数据，并记录数据，然后取平均值。按下式计算驻波比(n=2)：nnIIIIIIUUmin2min1minmax2max1maxminmax.（5-3）若检波律n≠2时，则采用下式计算驻波比：nnIIIIIInUUminmax2min2max1min1maxminmax1（5-4）在选频放大器的指示刻度上，有两条驻波比的刻度线：其中一条的驻波比范围是≤4，另一条的驻波比范围是≤10。由此，利用选频放大器可以测量出驻波比≤10的负载驻波比。这两条驻波比刻度线都是按平方检波律标准标注的。当驻波比超出第一条驻波刻度线所标的范围值时，可以试着将选频放大器的增益增大一档，然后读取第二条驻波刻度线上的数值，但换挡时会引入较大的测量误差。一般选频放大器的分贝量程置于50dB(或60dB)档。2.等指示度法等指示度法适用于测量大、中电压驻波(ρ6)。如果被测元器件驻波比较大，驻波波节点和波腹点电平相差悬殊，因而在测量最大点和最小点电平时，会使晶体检波二极管工作在不同的检波律，若仍按直接法测量大驻波比将引起较大误差，此时常采用等指示度法。等指示度法是测量驻波图形波节点两侧附近的场分布规律，从而求得驻波比的方法，因此该方法能克服直接法测量的缺点。已知传输线上沿线驻波分布的相对场强Eˊ=E/Emax与终端反射系数的关系为：式中，z为离终端的距离，φL为终端反射系数ΓL的幅角，β=2π/λg为传输线的相移常数，λg为波导波长。根据式(4-2)的晶体检波特性，在等指示度点获得的电流指示值为：而在波节点(在波节点有cos(2πw/λg)z=cosnπ)获得的电流指示值为：式中的C为比例常数，n为检波律，w=2d为两等指示度对应点之间的距离。引入比值K则得：引入三角公式cos2θ=2cosθ-1及关系式|Γ|=(ρ-1)/(ρ+1)，经变换得：图5-1示出了驻波节点附件的电场分布曲线和需要测量的有关量。图5-1波节点附近驻波分布曲线通常测量i左或右=2imin的两个等指示度点（即取K=2）所对应的探针位置间的距离w=|d2-d1|，当探针晶体为平方律(n=2)检波时，传输线中的驻波比为：该方法也可称为“二倍最小值法或三分贝法”。当ρ10时，sin(πw/λg)很小，则上式可简化为可见，用等指示度法测量驻波比实际上是测量等指示宽度w和波导波长λg。等指示度法测量驻波比的精度主要取决于w测量精度，因此一般在测量线上要加装用百分表来测量w。根据终端反射系数的模值|Γl|与驻波比有如下关系：11l（5-13）和终端反射系数的相位φl与节点位置zminn的以下关系：414minglgnz2n（5-14）可以计算得到反射系数。三、实验内容和步骤(根据待测负载情况选用直接法或等指示度法测量驻波比，如：待测负载为小驻波比(ρ6)可用直接法；待测负载为大驻波比(ρ6)，则可用等指示度法。)1.等效参考面的选取与波导波长的测量(1)将测量线测试系统调至最佳工作状态；(2)终端接短路片，从负载端开始，旋转测量线上的探针座位置，使选频放大器指示最小，此时即为测量线等效短路面，记录此时的探针初始位置，记作dmin0，并记录数据；(3)采用同实验三的方法测出波导波长λg(或直接使用实验三的结果)。相应测量数据记入表5-1。2.直接法测量驻波比终端接上待测负载(可将调配器调至某一位置作为待测负载)，探针从dmin0开始向信号源方向旋转，依次得到指示最大值和最小值三次，记录相应的读数，即得相应的Imin和Imax，数据记入表5-2（注：指示表的刻度是电流，用微安μA单位）。再根据公式(5-3)或公式(5-4)计算驻波比。3.等指示度法测量驻波比：终端接上待测负载(可将调配器调至某一位置作为待测负载)，缓慢移动探针座，在驻波节点两旁找到指示表中读数为2imin的两个指示度点(即图5-1中所示K=2的d1、d2位置)，应用测量线标尺刻度及指针式百分表读取该两个等指示度点所对应的探针位置刻度值d1和d2，重复测量3次(计算时取平均值)，数据列表记录于表5-2。根据公式(5-11)或公式(5-12)计算驻波比。4.反射系数的测量与计算：终端接上待测负载，探针从dmin0开始向信号源方向旋转，记录波节点的位置dminn，数据记入表5-3。按式(5-13)和式(5-14)计算反射系数。四、实验结果及数据处理探针初始位置dmin0=79.96mm表5-1波导波长测试数据记录表位置读数(mm)测量次数1d2d3d4d1mind2mind198.54106.78119.84129.04103.00123.54298.56106.84119.86129.10104.38123.14398.58106.78119.80129.10103.66123.56注：上表中1mind和2mind为实际测量值。第1次测量：mmdddmmddd44.124)(2166.102)(21432min211minmmddg56.4321min2min第2次测量：mmdddmmddd48.124)(217.102)(21432min211minmmddg56.4321min2min第3次测量：mmdddmmddd45.124)(2168.102)(21432min211minmmdd54.4321min2mingmmg55.43表5-2(a)驻波比测量数据记录表(直接法)指示表读数(uA)测量位置IminImax11041025400353356632.75510355400410.min2min1minmax2max1maxminmaxnnIIIIIIUU因此，该处应选等指示度法测量驻波比。表5-2(b)驻波比测量数据记录表(等指示度法)位置读数(mm)测量次数1d2d197.7899.92297.70100.12397.46100.04其中：K=2，n=2。718.011111.6)(sin1131.202.10071.9721221lgmmddmmdmmd表5-3计算反射系数测量数据记录表位置读数(mm)测量次数0mind1mind2mind3mind176.6698.70119.92146.74276.3898.54123.98146.64377.1698.86122.96146.0619.2032103210min3min2min1min0min718.019.20416.2357.1905.1999.184)12(448.15628.12270.9873.76jjlllllllllllglgneenzddddl五、思考及体会：实验步骤1对后续测量有何意义？实验步骤1是对等效参考面的选取及波导波长的测量，用实验三的方法测出波导波长，这样就等于是验证了参考波长，用测量出的参数与实验三对比，以防相差太大，造成误差，保证实验的准确性。小结：通过本次实验，我学会了驻波比的测量分析和计算方法，并掌握了通过驻波比及驻波波节点测量数据分析和计算反射系数的方法。