实验四 输入阻抗测量及匹配技术.docx

大连理工大学实验预习报告姓名： 牛玉博 班级： 电通1202 学号： 201201203 实验四 输入阻抗测量及匹配技术一、 实验目的与要求1. 应用阻抗圆图，根据测得的数据求任意负载的输入阻抗；2. 了解调匹配的基本原理和方法，加深对匹配意义的认识；3. 掌握常用调匹配器的使用方法和调配技巧。二、 实验内容与原理1. 实验内容1) 求任意负载的输入阻抗；2) 用不同形式的匹配器进行匹配的使用方法和调配技巧。2. 实验原理1) 阻抗测量的基本原理输入阻抗是微波元器件或天线系统的主要参数之一，所以阻抗测量就显得尤其重要。本实验旨在学习用驻波测量线测量单端口微波元件输入阻抗的方法。根据传输线理论，微波传输系统中驻波分布与终端负载阻抗有关系。表征驻波特性的两个参量，驻波比及香味Lmin与负载阻抗的关系如下：ZL=1-jtandmin-jtandmin （4-1）式中ZL为归一化负载阻抗，即单端口微波元件的输入阻抗，为驻波比，Lmin为终端负载至相邻驻波点的距离，参见图4-1图4-1 终端负载至相邻驻波节点的距离在测量线的输出端接上待测元件，分别测量驻波比、波导波长g及距离Lmin，并将测得的数据带入式（4-1）中，或者根据阻抗（或到哪）圆图就可以计算出待测元件的输入阻抗（或输入导纳）。在测量Lmin时，由于测量线结构的限制，直接测量待测元件的输入端面到相邻驻波节点的距离有困难，所以，在实际测量中常采用“等效截面法”进行测量。首先让测量线短路，沿线的驻波分布如图4-2（a）所示，移动测量线探针于测得的某一驻波点上，该点位置记为dT，该点与终端距离应为半波长的整数倍，即n=g2（n=1，2，3）此位置就是待测元件输入端面在测量线上的等效位置T。图4-2 等效截面法示意图当测量线终端换接待测元件做负载时，系统的驻波分布如图4-2（b）所示，用测量线测得dT左边（向波源方向）的 相邻驻波节点的位置dmin，即为终端相邻驻波节点的等效位置，即：Lmin=dmin-dT。由公式（4-1）便可计算出待测元件的输入阻抗ZL。为了工程设计的方便，通常采用阻抗圆图来进行求解。2) 匹配技术匹配是微波技术中的一个重要概念，通常包含两方面的含义：一是微波源的匹配，而是负载的匹配。是系统的传输功率最大并能减小传输线的损耗等等。从测量角度来说，良好的匹配能够减小频率牵引所带来的影响。因此，熟悉、掌握调匹配的原理和调匹配的技巧，对分析和解决微波技术中的实际问题具有十分重要的意义。调匹配的方法有很多，可根据不同的场合需要灵活选用。对于固定的负载，通常采用在系统中接入隔离器、膜片、销钉、谐振窗等方法以达到匹配的目的；而对于变动的负载，可以采用接入滑动单螺钉、多螺钉及单短截线等各种类型的匹配器的方法达到匹配的目的。本实验是利用单螺钉及多螺钉匹配器来调匹配喇叭天线。调配过程从物理意义上来说，就是调节调配器使它产生一个反射波，其幅度和“失配元件”所产生的反射波幅值相等，相位相反，从而抵消“失配元件”在系统中引起的反射。(1) 单螺钉匹配器图4-3（a）为单螺钉匹配器的结构示意图。它是插入在矩形波导中的一个穿深度可以调节的螺钉，并可沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝做纵向移动。其匹配原理用图4-3（b）来说明。图4-3 匹配原理图假设系统终端导纳YL处在圆图A点的位置上，当参考面从负载向波源移动时，传输线输入导纳由A点沿等圆顺时针方向移动，到达位置BB面时（与g=1的圆相交），输入导纳YB=1-jb，电纳为感性的。又因为波导宽壁插入一个直径dg，出入深度tg4的螺钉时，等效于在传输线上并联一容性电纳，改变螺钉深度，即能改变容性电纳值jb;因而BB截面上总的归一导纳为YB=YB+jb=1-jb+jb。若调节螺钉深度t，至b=b时，则YB=1，圆图上BB面的导纳逐渐移动到0点、及匹配点，从而使系统达到匹配。(2) 三螺钉匹配器为了达到匹配，必须使CC面向负载看总输入归一化导纳YC=1，故必须使CC面右方向负载看的输入导纳YC位于g=1，导纳为感性的半个单位圆上，同时，必须使BB面左右向负载看的输入导纳YB位于“辅助半圆”上（如图中虚线所示）三螺钉匹配器是在矩形波导宽壁中心处，由三个彼此相距为g/4（或者g/8）、相对位置固定、穿深度可以调整的螺钉组成的，其等效电路如图4-4（a）所示。其匹配原理简单说明如下：首先简单介绍一下双螺钉匹配器（即利用螺钉B、C）的调匹配过程，图4-4（b）。图4-4 三螺钉匹配器及调匹配原理示意图为了达到匹配，必须使CC面向负载方向看，其总的输入归一化导纳YC=1；这样，就必须使CC面右方向向负载看的输入导纳YC位于g=1、电纳为感性的半个单位圆上；同时，还必须使BB面左方向向负载看的输入导纳YB位于“辅助半圆”上（如图中虚线所示）。依据上述结论，假设BB面右方向向负载看的负载输入导纳YB位于导纳图中的A点上（注意：YB与负载导纳YL不同，彼此相距l0/g）。但是，并非所有的有损耗负载都能利用双螺旋进行匹配，实际上YB所对应的A点如果落在圆图的阴影区中，因为无法通过改变jbB来使的YB的对应点B落在“辅助半圆上”，所以也就无法对这种负载进行匹配，这里我们把阴影区成为：“匹配盲区”。如果利用螺钉D构成三螺钉匹配器，就能克服上述缺点。当YB对应的A点落在“匹配盲区”中，这时利用jbC和jbD（注意：不用jbB）组成另外一个双螺钉调配器；因为BB面对应的A点落在“匹配盲区”中，经过长度为g/4的均匀传输线变换到CC面右方时，其输入导纳YC的对应点事A点，将沿圆旋转180，所以YC的对应点就肯定不会落在“匹配盲区”内，利用由jbC和jbD组成的双螺调配器一定能匹配负载。调配方法：以上只是从阻抗调配图上说明了单螺（或者三螺）匹配器的调配原理。在实际工作中，常常采用逐步减小驻波比的方法，即先将测量线的探针置于波节（或波腹）的位置上，通过调整匹配器可观测到电流表的指针读数增大（若探针位于波腹时指针读数减小）。就说明调配活塞或螺钉移动方向正确，反复调整相应位置上的单螺位置及螺钉的穿深度，直到达到所要求的驻波比。但要必须注意的是：每次的调配都会改变驻波比的相位，因此每当用测量线观察波节（或波腹）电平时，要移动探针位置使之位于真正的波节（或波腹）点上。(3) 用滑动单螺调配器调配晶体检波器，使驻波比小于1.05。不改变晶体检波器工作状态，将滑动单螺调配器接于测量线和晶体器之间，单螺钉完全退出波导，将所测数据记录。由滑动单螺调配器结构示意图所示，l=ng2+xg（n=0,1,2,3），估算调配螺钉应离开终端负载的大约距离l，记录数据与表，并调节螺钉于此位置。缓慢调节螺钉穿深度，并微调螺钉位置，用测量线跟踪驻波节点，使电表指示读数逐步增加，在用测量线跟踪驻波腹点，使指示电表读数逐步下降，反复数次，直至驻波比1.05。测量螺钉与终端实际距离l，读取螺钉穿伸度t，将数据记于上表。不用圆图，直接用单螺钉配晶体检波器，调配器单螺钉穿深度置于12mm，移动其位置，并用测量线分别跟踪驻波腹点与节点，直至螺钉在某一位置时，驻波腹点有下降，驻波节点有上升趋势。这时，反复调整螺钉穿深度，并微调位置，用测量线跟踪驻波大小，直至驻波比1.05。测量螺钉离开终端负载的距离l及螺钉穿伸度t，将数据记于表4-1，并与前面测得的l，t比较。三、 实验主要仪器设备1. X波段信号源（DH 1121B）2. 1kHz 选频放大器（DH 388A0）3. 驻波测量线（TC26）4. 可变衰减器（BD-20-2）5. 直读式频率计（BD1/035A）6. 精密衰减器（TS 7）7. 单螺调配器 等四、 实验步骤及操作方法1. 系统调整频率计固态信号源精密衰减器可变衰减器速调管管座速调管电源指示器测量线图4-5 驻波比测量系统框图按照图4-5接好实验系统，测量线终端接短路板；打开电源开关预热仪器，并使信号源和电流表指针处于正常状态。调谐测量线探头，使测量线处于最佳工作状态。用直读式频率计测定工作频率f。交叉读书法测量波导波长g，并确定某一波节点位置dT（通常取测量线中间段的波节位置能保证精度）。2. 测量H面扇形喇叭的输入阻抗取下短路板、接上H面扇形喇叭天线，测出dT左边（信号源与dT之间）的第一个驻波最小点位置，记为dmin，并计算：lmin=dmin-dT用直接法或功率衰减法测出喇叭天线的驻波比。由测得的、g和lmin值便可以在阻抗圆图上找出负载归一化的输入阻抗值。因为在驻波电压的最大值、最小值处均为纯电阻性的阻抗值，而且阻抗圆图实轴上的r值也表示了值，所以可以在圆图上找到r值等于值的点A（如=2时），通过A点画出=2的圆，此圆与实轴相交于B点，从B点开始向反时针方向转（转向负载的方向）lmin/g的角度，在外圆上得到D点，再由D点与圆心连一条直线，该直线与等圆相交于C点，若在圆图上的C点的r，x值分别设为r1，x1，则负载归一化的输入阻抗为：z=r1-jx1。3. 利用三螺钉匹配