天线测量第二章

1、阻抗测量阻抗测量单端口的微波元件天线的电路特性测量可以直接应用微波测量的各种方法阻阻抗抗测测量量方方法法谐振法测量天线输入阻抗比较法比较法待测天线阻ZA抗接入ab点将信号源调到测试频率；闭合开关K2调节标准电感L0或标准电容C0，使电路谐振，此时电流指示I2最大记下标准电抗数值X1及电流值I2断开K2，闭合K1，此时电路失谐；重新调节标准电感L0或标准电容C0 ，使电路谐振调整标准电阻R0，是I2任保持先前数值记下此时的标准电抗值X2及电阻值R2RA=R2XA= X=X2-X1保持信号源保持信号源输出恒定输出恒定谐振法测量天线输入阻抗Q表法表法在Q表的12端接入标准电感L0调节Q表的电容C使回

2、路谐振；记下此时的电容量C1和回路品质因素Q1将待测天线阻抗ZA于C相并联接入电路在相同频率下，将回路再次调到谐振记下此时的电容量C1和回路品质因素Q1 )(1120CCXA1021211CQQQQRA谐振法测量天线输入阻抗综合法综合法将开关K置于1位置，使待测天线阻抗ZA接入电路调节Q表的电容C,使回路在测试频率上谐振记下此时的回路品质因素Q1将开关位置转换到2 ，从而断开待测天线阻抗 ZA ，接入标准阻抗(R0,C0,L0)调节标准阻抗，使回路重新谐振，并得到与先前相同的品质因素Q1001CXA或 00LXA0RRA电桥法测量天线输入阻抗电桥是用比较法测量物理量的电磁学基本测量仪器，电桥的

3、种类很多，测量中等阻值（10106欧姆）的电阻要用惠斯登单臂电桥进行测量；若要测量更大阻值的电阻，一般采用高电阻电桥或兆欧表；而要测量阻值较小的电阻，一般采用双臂电桥（开尔文电桥）。电桥准确度高、稳定性好，所以被广泛用于电磁测量、自动调节和自动控制中。惠斯登单臂电桥是最基本的直流单臂电桥。 在测量电阻及其它电学实验时，经常会用到一种叫惠斯通电桥的电路，很多人认为这种电桥是惠斯通发明的，其实，这是一个误会，这种电桥是由英国发明家克里斯蒂在1833年发明的，但是由于惠斯通第一个用它来测量电阻，所以人们习惯上就把这种电桥称作了惠斯通电桥。开尔文电桥又称“双臂电桥”。测量10(-6)102欧姆低电阻的

4、直流电桥。1862年英国的W.汤姆孙在研究利用单比电桥测量小电阻遇到困难时，发现引起测量产生较大误差的原因是引线电阻和连接点处的接触电阻。这些电阻值可能远大于被测电阻值。因此,他提出了的桥路，被称为汤姆孙电桥。后因他晋封为开尔文勋爵，故又称开尔文电桥。引线电阻、接触电阻及内部连线电阻所测电阻值可低到毫欧级或更小。根据双比电桥原理又发展出史密斯电桥，三平衡电桥和四跨线电桥等，使得采用桥路测小电阻的理论与实践臻于完善。电桥法测量天线输入阻抗电桥：由首尾相联四个阻电桥：由首尾相联四个阻 抗构成，其对角端抗构成，其对角端 分别为供桥电源和分别为供桥电源和 输出端的测量电路。输出端的测量电路。电桥的作用

5、：电桥的作用：把电阻、电感或电容的变化量转换为电压或电流把电阻、电感或电容的变化量转换为电压或电流量，以供后续电路测量记录。量，以供后续电路测量记录。UU0R1R2R3R4电桥法测量天线输入阻抗ac 端：端： 供桥电源端供桥电源端1直流电桥直流电桥dcabUU0R1R2R3R4bd 端：输出端端：输出端 接入输接入输 入电阻较大的仪表入电阻较大的仪表 或放大器，因此电或放大器，因此电 桥的输出端可看成桥的输出端可看成 开路。开路。电桥法测量天线输入阻抗直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件根据电工学理论，输出电压为：根据电工学理论，输出电压为：URRRRRRRRU432142310电桥平衡：电桥

6、平衡：b、d 点电位相等，点电位相等， 输出输出U0 为为 0。直流电桥平衡条件：直流电桥平衡条件：4231RRRR或或4312/RRRR对臂电阻的乘积相等，对臂电阻的乘积相等，或邻臂电阻之比相等。或邻臂电阻之比相等。平衡条件与电平衡条件与电源电压无关。源电压无关。dcabUU0R1R2R3R4电桥法测量天线输入阻抗 交流电桥的电路与直流电桥相同交流电桥的电路与直流电桥相同，但在电路具体但在电路具体实现上与直流电桥有两点不同：实现上与直流电桥有两点不同：交流电桥交流电桥（1）供桥电源是高频交流电源；）供桥电源是高频交流电源；（2）交流电桥的桥臂可以是纯电阻，也可以是）交流电桥的桥臂可以是纯电阻

7、，也可以是 含有电容、电感的交流阻抗。含有电容、电感的交流阻抗。dcabUU0Z1Z2Z3Z4电桥法测量天线输入阻抗交流电桥的平衡条件：交流电桥的平衡条件：其中，其中，Z 为各桥臂的复阻抗为各桥臂的复阻抗：纯电阻时电流与电压同相位纯电阻时电流与电压同相位： = 0；电感性阻抗电感性阻抗： 0；电容性阻抗电容性阻抗 ： 0。4231ZZZZjjeZeZZ0Z或或 Z0 为复为复阻抗的模阻抗的模 为复阻抗的阻抗为复阻抗的阻抗角，是各桥臂电流与角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。电压之间的相位差。dcabUU0Z1Z2Z3Z4电桥法测量天线输入阻抗将复阻抗代入，将复阻抗代入，可得：可得：上式成立必须

8、同时满足上式成立必须同时满足以下条件以下条件：幅值平衡条件幅值平衡条件423104020301jjeZZeZZ相位平衡条件相位平衡条件04020301ZZZZ4231交流电桥平衡必须满足交流电桥平衡必须满足 幅值平衡条件幅值平衡条件 和和 相位平衡条件相位平衡条件，即相对两臂阻抗之模的乘积相，即相对两臂阻抗之模的乘积相等，它们的阻抗角之和也必须相等。等，它们的阻抗角之和也必须相等。电桥法测量天线输入阻抗对两种特例进行分析：对两种特例进行分析：（1）交流电桥四个桥臂中有两相）交流电桥四个桥臂中有两相 邻桥臂，若邻桥臂，若1、2桥臂为纯电桥臂为纯电 阻，则阻，则：1= 2= 0 ，根据根据 平衡条

9、件对相位的要求，必平衡条件对相位的要求，必 须使须使 3= 4，这说明电桥这说明电桥 的另外两个桥臂必须具有同的另外两个桥臂必须具有同 性的阻抗，如容抗或感抗。性的阻抗，如容抗或感抗。143212344231电桥法测量天线输入阻抗（2）交流电桥四个桥臂中有两）交流电桥四个桥臂中有两 对边桥臂，若对边桥臂，若1、3桥臂为桥臂为 纯电阻，则纯电阻，则1= 3= 0， 根据平衡条件对相位的要根据平衡条件对相位的要 求，其它两个对边桥臂必求，其它两个对边桥臂必 须具有异性的电抗，如一须具有异性的电抗，如一 边为容抗，则另一边应为边为容抗，则另一边应为 感抗，这样才能符合感抗，这样才能符合 2= -4

10、的要求。的要求。14324231电桥法测量天线输入阻抗电容电桥的平衡条件电容电桥的平衡条件：根据平衡条件，有：根据平衡条件，有：24431111RCjRRCjRR1、R4 可视为电容介可视为电容介质损耗的等效电阻质损耗的等效电阻4231ZZZZ电桥法测量天线输入阻抗令上式的实部和虚部分别相等，则得平衡条件：令上式的实部和虚部分别相等，则得平衡条件：可知可知：要使电桥平衡，必须要使电桥平衡，必须 同时调节同时调节 电阻电阻 与与 电电 容容 两个参数达到电阻两个参数达到电阻 平衡和电容平衡。平衡和电容平衡。4231RRRR4213/CRCR电桥法测量天线输入阻抗电电感电桥的平衡条件：感电桥的平衡

11、条件：对图示对图示电感电桥，推导可得：电感电桥，推导可得：可知可知：要使电桥平衡，必须要使电桥平衡，必须 同时调节同时调节 电阻电阻 与与 电电 感感 两个参数达到电阻两个参数达到电阻 平衡和电感平衡。平衡和电感平衡。4231RRRR4213LRLR电桥法测量天线输入阻抗说说 明明（1）对于纯电阻交流电桥，即）对于纯电阻交流电桥，即 使各桥臂均为电阻，但由于导线间存在分布电容使各桥臂均为电阻，但由于导线间存在分布电容，相当于在各桥臂上并联一个电容。因此在调节电桥平衡时，相当于在各桥臂上并联一个电容。因此在调节电桥平衡时，除了有电阻平衡以外，还应有电容平衡。除了有电阻平衡以外，还应有电容平衡。（

12、2）交流电桥的供桥电源要求高，其必须具有良好的电）交流电桥的供桥电源要求高，其必须具有良好的电压波形和频率稳定性。压波形和频率稳定性。交流阻抗计算中包含有电源频率交流阻抗计算中包含有电源频率的因子的因子，当电源频率不稳定，或者电压波形畸变时，交流当电源频率不稳定，或者电压波形畸变时，交流阻抗值就会变化，并且给电桥平衡带来困难。阻抗值就会变化，并且给电桥平衡带来困难。比比如对基波如对基波而言，电桥达到平而言，电桥达到平衡，而对高次谐波，衡，而对高次谐波， 电桥不一定平衡，电桥不一定平衡，可能可能会会有高次谐波电压输出。有高次谐波电压输出。电桥法测量天线输入阻抗阻抗电桥阻抗电桥 导纳电桥导纳电桥N

13、BBBxCCCRR)(12120111pPxCCXGxCMG20BxCB20CRCCM 频率在30MHz以下电桥法测量天线输入阻抗同轴和波导电桥同轴和波导电桥同轴电桥同轴电桥 波导电桥的双波导电桥的双T接头接头 电桥法测阻抗简单、迅速，其精确度主要取决于标准阻抗和电桥结构，在微波波段，一方面高准确度可变标准阻抗制作十分困难，另方面微波孔径天线的反射系数比输入阻抗更为重要和更有意义。因此，实际上工作中往往把波导电桥作为反射计，用以测量天馈系统的反射系数模值。测量线法测量天线输入阻抗同轴测量线同轴测量线传输线电压电流分布不同负载时，沿传输线的电压、电流分布不同负载时，沿传输线的电压、电流分布tgk

14、ljZZtgkljZZZlZAAin000)(gk20minZZminll 表示某一驻波波节点到终端的距离min0min000mintgkljZZtgkljZZZZZAAminmin01jtgkltgkljZZAmin2min22minmin2min2min220sincoscossin) 1(sincosklklklkljklklZZA测量线测得沿线驻波系数、波导波长、节点位置传输线电压电流分布驻波系数和节点位置的测定驻波系数和节点位置的测定minmaxUU驻波腹点驻波腹点电压值电压值驻波节点驻波节点电压值电压值aUBI 晶体二极管检波电流测量线探针感应的高频电压晶体检波特性和工作状态有关的

15、参量lAUg2sin？ ？连续波工作的检波电流不大于10 ，脉冲工作的输入电压不大于几毫伏时，可以近似认为晶体二极管具有平方律检波特性 A测量线法测量天线输入阻抗lll min用阻抗圆图计算天线输入阻抗用阻抗圆图计算天线输入阻抗 500Z52cmg12cml2min166. 0mingl98. 008. 1JZA)(4954jZA测量误差测量误差min2min22minmin2min2min220sincoscossin) 1(sincosklklklkljklklZZAminminllZZZAAAminlminl测量线法测阻抗的准确度很大程度上取决于驻波系数的测量精度。引起驻波测量误差的种种

16、原因分析，不难从一般“微波测量”书中找到。大致原因有：指示电表读数不准；探针导纳影响；测量线机械平稳度差；联接转换装置的反射等等。扫频法测量天线输入阻抗不同频率时，终端短路传输线上的驻波电压分布不同频率时，终端短路传输线上的驻波电压分布1l2251l传输线输入端的驻波电压必为零传输线输入端驻波电压为最大值351l传输线输入端的驻波电压必为零当频率改变时，传输线输入端电压呈周期变化？输入的频率要变化多少输入的频率要变化多少时，才能使输入端的驻时，才能使输入端的驻波电压变换一个周期波电压变换一个周期22) 1(13mml131fmmf1113mmffff电波在传输线中传播的速度lm21lf2传输线

17、愈长，则在其输入端电压变化一个周期所需的频率变化量就愈小扫频法测量天线输入阻抗测试原理图等效电路图终端短路时检波电压：10U终端接上待测阻抗)(00扫频法测量天线输入阻抗驻波系数驻波系数01ZR 11001minURZZUUi传输线特性阻抗内阻11001maxURZZUUi111minmax2UUUU2121UUUU扫频法测量天线输入阻抗将传输线l输出端输出端a短路到地，记下波纹幅值U1将待测阻抗ZA接入传输线输出端，记下波纹幅值U2求得待测阻抗接入后传输线上的驻波系数驻波系数驻波系数测量测量扫频法测量天线输入阻抗三频法测三频法测lmin传输线终端短路时两相邻节点的频率传输线终端接待测阻抗时节

18、点的频率)(21312minffffL宽带天线的驻波测量宽带天线的驻波测量用扫频仪测量阻抗的条件是待测阻抗必须具有固定的电阻及电抗值。当待测阻抗值改变时，扫频仪荧光屏上的波形知识大小及相位改变但每个周期的频率间隔是不变的。但一般天线的输入阻抗是随使用频率而变的，因此，当天线接入传输线时，不能在扫频仪上显示出均匀周期的波形满足给定驻波系数要求条件的两个频率点210fff 扫频仪测天线驻波时，荧光屏上显示的典型波形扫频仪测天线驻波时，荧光屏上显示的典型波形网络分析仪法测天线的输入阻抗RAB输入源输入源LO 源源RFN*LO +/- IF反射反射传输传输输入参考信号输入参考信号输入信号输入信号输出信号输出信号BRAR驻波比测量驻波比测量矢量网络分析仪12无回波室被测天线校准端面被测天线（含支架）在8个相隔45的水平方向上移动半个波长，向上、向下各移动半个波长时，若测量电压驻波比的变化小于10%，则认为测试场是符合要求的。(a) 将被测天线安装符合测量环境要求的空间；(b) 将矢量网络分析仪开机，预热1530分钟；(c) 对矢量网络分析仪端口1进行校准，校准时按照仪器提示分别用短路器、开路器和匹配器进行校准；(d) 将网络分析仪测试端口与被测天线相接，选择驻波比测试功能(S11