实验一 晶体检波及驻波比测量.doc

微波工程基础实验实验一 驻波比测量与检波晶体二极管检波律测定一、 实验目的与意义1、熟悉测量线的使用方法；2、驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，几乎在所有的微波测量中都涉及驻波比测量的，因此必须熟练掌握测量中小驻波、大中驻波的常用方法。 二、 实验原理与方法1、驻波比定义：一个微波元件插入均匀波导以后，即会产生反射波，不同性能的元件引起反射波的大小和相位都不相同，它与入射波合成后产生的驻波状态也不相同。在驻波分布图形上有驻 图1. 驻波的形成波波腹和驻波波节，波腹点的电场最大值为Emax，波节点的电场最小值为Emin。电压驻波比是传输线中电场最大值与最小值之比，表示为 （1） 传输线上波的传播状态也可用反射系数表示，即 （2） （2）式中：为双口网络的反射角； d为双口网络输入端到左侧第一个驻波节点的距离； 是相位常数，其中是波导波长。 驻波比与反射系数之间的关系式为 （3） （4） 用测量线测量驻波系数的方法有很多，如下表所示： 测 量 方 法 应 用 范 围1直接法 中小驻波系数 5 3功率衰减法 任意驻波系数（与晶体检波律无关） 4节点偏移法 任意驻波系数（无耗四端网络） 5滑动小反射负载法 小驻波比 本实验中只介绍最基本的直接法和等指示度法。2、检波晶体二极管特性的测定与定标要准确测得待测件的驻波比，首先要正确调整和使用信号源和测量线（信号源在实验时已由指导教师调好），其次要了解测量线探头中所使用的检波晶体二极管的检波特性。由测量线结构可知，是开槽线使探针拾取探针所在位置的电场，感应出与场强成正比的电动势加到探头内的检波晶体上，晶体检波后的检波电流接到适当的仪表上，指示出沿线分布的驻波大小。一般来说，晶体二极管是非线性元件，通常加在检波二极管上的电压u正比于探针所在位置的场强E，而检波电流i与检波电压u的一般关系式为 (5)式中c为常数，n为检波律，u为检波电压。晶体管的检波律n随检波电压u而改变，通常在低电压范围n近似等于2（平方律），在高电压范围n近似等于1（直线律）。n的数值可以由定标曲线求出，如图二（a）所示。* 晶体定标曲线的测量方法是：将测量线输出端短路，根据传输线内的驻波分布规律测出。当输出端短路时，波导内电场驻波的分布纵向分布如图二（b）所示，其表示式为 (6)相对值为 (7)式中Em为驻波波腹点的电场强度，d是以波节为零点向最大值Em方向的距离。由于晶体二极管检波电压正比于探针所在位置的电场强度，所以（7）式也可以表示为电压的相对值即 (8)将电压相对值代入（5）式得 (9)式中是电流相对读数，是探针位置的相对场强（即相对电压）。根据（9）式能够直接用实验的方法测出定标曲线。* 测量定标曲线的步骤如下：(1)在调整好的测量线上用交叉读数法测量波导波长。当测量线终端短路时，传输线上形成驻波，移动测量线探针，测出两个相邻驻波最小点之间的距离，就可得到波导波长。因此，如图三所示，在波节点两侧取等指示度的探头位置读数D1、D2，由对称性可得：D1、D2间的驻波波节点的位置为Dmin1, (10)最好在Dmin1的两侧多取几次等指示度的探针位置读数，求得该节点的平均值，而后将探头移到与Dmin1相邻的另一节点附近，求得等指示度位置D3、D4，则 (11)对Dmin2求多次平均为。由此求波导波长 （12） （2）作晶体定标曲线.参考图二，在波节和波腹点之间大约取10点，从波节Dmin开始，将探针逐次移到这些点D1，D2，DKD10等位置上，并记录相应的电流读数i1,i2,iki10 。（注意：开始DK之前，应将探针置于波腹点，调整电表的XF-01分贝档或微波衰减器，使电表指示接近满度100%，并记下检波电流的腹值imax）。分别求出各点位置与波节点的距离由于探针影响，驻波分布并不是以波节点为中心对称变化，在准确度要求高的情况，应从节点开始，向另一方向将探针移到指示度仍等于i1,i2iKi10的位置，并记录相应的探头位置数据。这些对称点距波节点距离为，然后取两边距离的平均值，即 （13）取D为最后数据（见图四）。.将D 代入式（7），求出各点的相对场强。并由测量值求得相对电流指示 (14).以为横轴，以为纵轴，将上列数据标在方格坐标纸上，并连成平滑曲线，这就是晶体二极管的定标曲线（见图五）。（纵轴也可以直接用电流表读数表示）。作出定标曲线以后就可以用它求出相对场强。例如在开槽线内移动探针获得最大点指示80%，最小点指示54%，由图五查得相对场强，于是电压驻波比 。不少场合，为了方便起见，常常要知道晶体的检波律n，这时可以利用如下方法求得。将（9）式两边取对数得 （15）如果把（15）式右边的看成变量，则检波律n是该直线的斜率。因此，将实验中测得的电表相对读数（即相对电流）的百分数作纵坐标，相对场强作横坐标，在全对数坐标纸上画出 的直线，该直线的斜率即为n，如图六是用图五的实验数据画出的曲线，在电表相对读数20%100%的范围内，检波律n=2.14。一般情况下，功率电平很低时（到达检波器的功率；对于调制波，输出电压不大于几毫伏，连续波输出电流不大于10微安），可认为n=2，即平方律检波，这时如果测得 ，则驻波比 （16）当指示器用XF-01选频放大器时，电表刻度上有驻波比的直接读数。将探针置于驻波波腹，调节XF-01的衰减、增益旋钮使电表满度，然后将探针置于波节。此时电表的示数（驻波比档）即为平方律检波时的驻波比值。需要注意的是上述测量中，实际上包括了选频放大器（或其它测量放大器）的非线性误差。同时，由于晶体二极管一致性差，所以当更换测量仪器之后，都必须重新作出定标曲线。此外晶体检波特性随时间、温度等变化极大，所以定标工作应经常进行。3.驻波比的直接测量法：通过以上讨论，可把直接法测量驻波比的步骤归纳如下：（1）.按图七连接并调整线路,在连接线路时，要注意波导口完全对齐，否则形成台阶产生反射影响测量结果。波导法兰接触可靠，若接触不紧形成缝隙会使波导电磁波泄漏出来，或外界电磁波泄漏进去产生干扰场。（2）.用等指示度法测波导波长。（3）.作晶体定标曲线求出检波律n 。（4）.沿槽线缓缓移动探针，在驻波波腹读取imax，在驻波波节读取imin。（5）.根据读数的数据imax和imin，从晶体定标曲线中查出想对场强，计算驻波比：若已知晶体检波律n，可按下式计算。为准确起见，可在测量线上多读取几个imax 和imin ,取其平均值。4等指示度法：直接法测量驻波比是一种常用的基本方法，因为在实际调试中要测的驻波比大多在6的范围里。但是也常遇到驻波比大于5、6的情况，这时用直接法测量比较困难，因为电场的最大值Emax和最小值Emin相差悬殊，表头指示能读出波节点的imin，波腹点的imax就超出了表量程范围，而且此时检波晶体的检波律将偏离平方律。如果使imax减小到电表的满刻度，则imin太小不易读准。因此采用上述方法直接测量大驻波比有困难，必须采用特殊的方法。通常采用“等指示度法”测量大驻波比。此法的基本思想是只在电场强度最小点附近测量驻波电场的分布规律，而避免测量大点，这样就可以避免上述困难。其基本原理如下：对于一任意驻波场，可用下式表示：设为驻波的初始相位，且（反射系数）。则 （16）式中：上式中 Ein、Ere 为入射波场强幅值与反射波场强幅值。由驻波定义可知。 （17）将（17）式代入（16）式得： （18）注意到以下的关系由（18）式可得 （19）如果把坐标原点取在驻波波节Emin处，则初相即 （20）在平方律检波的情况下，检波电流，所以上式中即为 如图八所示求得的倍数K，再求得等指示度电流i之间的距离d，即可由（20）式求得大驻波比。常取K=2，称为二倍最小功率法（也称“三分贝法”），此时,，有近似式 （21） 由式（21）和图八可知，等指示度法测量驻波比时，波节点两边等指示间的距离d和波导波长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指示装置（如千分表）进行读数。等指示度法测大驻波比的步骤归纳如下： 1).将待测件接在测量线输出端。2).移动测量线探头，读取驻波最小点imin。3).缓缓移动探头至最小点的一边，使i =Kimin ，然后调好千分表零位。4).再缓缓移动探头，经过最小点至最小点的另一边i =K imin ，读取千分表上的读数d。对以上测量求多次平均，测得准确的。 三、实验仪器及装置图微波信号源 选频放大器 测量线 匹配负载 短路活塞 千分表 实验装置图(一)（二）四、实验内容1 观察全匹配负载的结构，将其接在测量线的输出端，用测量线观察此时的驻波状态，并做好记录。2 观察短路活塞的结构，将其接在测量线的输出端，观察此时的驻波状态，并作好记录。3 测量线输出端接短路片，对检波二极管定标并测定其检波律。4 接一中小驻波的待测件（匹配负载加上容性膜片），用直接法测量其驻波比。5. 接上一大驻波比的待测件(匹配负载加上感性膜片)，用等指示度法(使用千分表)测量其驻波比。五、思考题 1 在传输线终端，接上不同性质的负载时，传输线上电磁波的传输状态如何？能否在实验中观察到？为什么？2 试述直接法和等指示度法测量驻波比的特点。3 用等指示度法测量d时，移动测量线探针位置应注意什么？4 开口波导的驻波比，这说明什么问题？若想在波导终端获得一个真正的开路面，应采用什么方法？六、注意事项用测量线测量驻波比的误差主要有以下几个方面：首先被测负载接在测量线后，我们在分析驻波图形时假定信号源与传输线完全匹配，使负载反射波返回到信号源后不致再被反射。因此负载驻波准确测量必须要求信号源与测量线匹配。为此在信号源输出端一般要接20 dB 左右的隔离器或衰减器，必要时还要加阻抗调配器（如单螺调配器等）。输出端隔离亦有助于使信号源的频率及输出电平不受负载变化的影响。在精确测量中，信号源需有自动稳频与自动稳幅装