北邮电磁场与微波测量实验实验五阻抗测量及匹配技术

电磁场与微波测量实验电磁场与微波测量实验 实验五 阻抗测量及匹配技术 学院 电子工程学院学院 电子工程学院 班号 班号 组员 组员 执笔人 执笔人 学号 学号 1 实验目的实验目的 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 2 实验内容实验内容 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 3 实验原理实验原理 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 2 1 ltgjZ ltgjZ Z L L in 1 其中 为传输线的特性阻抗 为相移常数 为至终端负 0 Z g 2 l 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 电压驻波最小 min l 点处的输入阻抗在数值上等于 1 即 2 2 1 min l in Z 将及代入式 2 2 整理得 min ll 1 in Z 2 3 min min 1 ljtg ltgj ZL 所以 负载阻抗的测量实质上归结为电压驻波系数 及驻波相位值的min l 测量 当测出 及后 就能由上式计算负载阻抗 ZL 但是 这是一个复数min l 运算 在工程上 通常由 和从圆图上求出阻抗或导纳来 min l 电压驻波系数 的测量 已在实验一中讨论过了 现在来讨论的测量min l 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min l 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 1 a 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 1 2 3 将此位置定为终端负载的等效位置 DT 然后去掉 2 g n n 短路片改接被测负载 此时系统的驻波分布如图 2 1 b 所示 用测量线测得 DT 左边第一个驻波最小点的位置 DA及 则 驻波最小点截面处 AT DDl min 的阻抗为纯电阻 其电阻值即是以 0 为圆心 为半径的圆与纯电阻轴交点 A 所代表的值 由 A 点沿等 圆向负载方向旋转得到 T 点 点 T 的读数 g l min 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 所测的和 T D A D 要进行相应的变换才是公式中需要的 min l 2 g DT ZL T DA lmin Emax Emin g l min 00 j j A 电源 负载 T a b 输入信号 短路片 c 图图 2 1 阻抗测量原理图阻抗测量原理图 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 和电纳 jb 值 见图 1 3 2 l 2 g 2 g n g l jb jb A Yin jb YL A YL G 1 l 图图 1 3 2 单螺钉调配器原理图单螺钉调配器原理图 图中点表示被匹配的负载输入导纳 欲使负载匹配即 首先L Y01jYin 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 圆与 G 1 圆 的交点 A 和 A A 点输入导纳 电纳呈感性 螺钉电纳呈容性 改变 jbYA 1 螺钉深度 即能改变并联的容性电纳值 使得到匹配 由于滑动单 01jYin 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 三短截线彼此相距固定在传输线上 依靠调节 4 g 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 4 实验装置实验装置 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 12345 6 7 8 1 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 5 实验步骤 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 测量得到驻波比 minmaxUU 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 应用公式就可求出阻抗值 min min L 1 Z ljtg ltgj 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 0mm DT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 9mm 2 由两点法测得的波长如下 g 2 T min Tmin 2X26 7 57 4mm 则有 2 g 0 1095 3 由等指示度法测得 如下 其中 W l2 l 2 136 9 119 6 17 3mm g 2 T min Tmin 2X26 7 57 4mm 代入可得 1 587 4 由以上数据代入 ZL表达式可以得到阻抗值 1 j0 5 1 587 j0 31548 0 666 j0 183 min min L 1 Z ljtg ltgj 5 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