实验一 晶体检波及驻波比测量

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1、微波工程基础实验9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 EmaxEinZ 0d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

2、值之比，表示为（1）minaxE传输线上波的传播状态也可用反射系数表示，即（2）)2(diri（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。g/2g驻波比 与反射系数 之间的关系式为（3）1微波工程基础实验10（4）1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 53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

3、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)nicu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

4、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)2sinEmdg相对值为(7)2sindEg微波工程基础实验11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)dugm2sin 将电压相对值代入（5）式得(9)2sinnidg式中 是电流相对读数， 是探针位置的相对场

5、强（即相对电压） 。根据i 2sindg（9）式能够直接用实验的方法测出定标曲线。uiO123(a) 晶 体 定 标 曲 线 （ 一 般 段 为 线 性 ， 段 为 平 方 律 ） (b) 测 量 线 终 端 短 路 时 的 驻 波图 二 m mD Od d* 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g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)min(2)D

6、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 ，min1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)1in2(34)对 Dmin2求多次平均为 。由此求波导波长miD（12）imingD微波工程基础实验12DkDminDkdk d k图 四 求 dk的 方 法D1 D2 D3 D4Dmin1 Dmin2 g2图 三 交 叉 读 数 法 测 g（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,i

7、ki10 。 （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 1min,210in.ddD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K，然后取两边距离的平均值，即1min10min10,dDd（13）()2dkk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

8、得相对电流指示(14)maxkii.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，Ei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） 。i i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微波工程基础实验13示 80%，最小点指示 54%，由图五查得相对场强 ，于是电压max0.89,in0.74E驻波比 。0.891.274 0.2 0.4 0.6 0.8 1.020406080100I电表相对读数i(%)相 对 场 强 E图 五 晶 体 定 标 曲 线 0.3 0.40.50.6 0.8 1.0102030

9、406090100相 对 场 强 E图 六 全 对 数 定 标 曲 线不少场合，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）2lglsinidg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2sindu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E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，2lglsinidg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0.

10、5mw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2()iumaxini和（16）axi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。此时电表的微波工程基础实验14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

11、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。微 波 信 号 源测 量 放 大 器 或选 频 放 大 器图 七 直 接 法 测 量 驻 波 比隔 离 器 可 调 衰 减 器 测 量 线 匹 配 负 载待 测 件微 安 表 或 检 流 计 连 续 波 用调 制 波 用（2）.用等指示度法测波导波长 。g（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

12、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：maxinE和 maxinE若已知晶体检波律 n，可按下式计算 。 1/ai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微波工程基础实验15imin，波腹点的 imax 就超出了表量程范

13、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：122coscossin1sin21jzjzinrei reinreinreEzeEjEzEzz 设 为驻波的初始相位，且 （反射系数） 。012rein则 （16）241cos0inEzg式中： 40zg上式中 Ein、Ere 为入射波场强幅值

14、与反射波场强幅值。由驻波定义可知。 （17）maxin1ireinE将（17）式代入（16）式得：（18）2min1cosE注意到以下的关系 1sincos21co由（18）式可得微波工程基础实验16（19）2minscoE如果把坐标原点取在驻波波节 Emin 处，则初相 02min4coszgzEg即 （20）2mincosdEg在平方律检波的情况下，检波电流 ，所以上式中 即为 如图八2i2minEmin1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min1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1gd近似式

15、（21）gdKiminimindi图 八 等 指 示 度 法 测 驻 波 比由式（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微波工程基础实验17d 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g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