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1、实验三 阻抗测量与匹配技术一、实验目的1、掌握用测量线测量微波元件阻抗的方法2、熟悉 Smith 圆图在阻抗测量中的应用3、熟悉阻抗匹配技术二、实验原理1. 阻抗测量的基本原理在微波测量技术中，微波系统的阻抗是微波工程中的重要参数。微波元件的阻抗是微波 系统匹配设计的依据,也是研究复杂微波结构的微波网络中确定等效电路参数的依据。阻抗 测量不仅应用于微波器件特性阻抗的研究及微波系统的阻抗匹配，同时也是一些复杂测量 （如微波网路参量的测量）的基础。因而微波阻抗测量是一项非常重要的测量。根据传输线理论，传输线中驻波分布与终端负载阻抗直接相关，表征驻波特性的两个参 量，驻波比P及相位与负载阻抗有如下关
2、系：式中，为归一化负载阻抗，即单口微波器件输入阻抗；P为驻波比； 是终端负载 至相邻驻波节点的距离，如图4-1所示。由于 一这样、p、 就是确定负载归一化 阻抗的三个参数，利用上式即可得出，阻抗测量就归结为对上述三个参量的测量。图 4-1 终端负载至相邻驻波节点的距离2. 驻波最小点位置的测量原理由于测量线标尺的两端点不是延伸到线体的两端口，直接测量输入端口至相邻驻波节点 的距离有困难，但根据阻抗分布的一重复性原理，只要找到与待测阻抗相等的面作为等效参 考面即可，这就是在测量中常采用的方法“等效截面法。”首先让测量线终端短路，沿线驻波分布如图4-2 ( a )所示，因而移动测量探针可测得某一驻
3、波节点位置，它与终端距离为半波长的整倍数(n=1,2,3.),此位置即为待测元件输入端面在测量线上的等效位置To当测量线终端接上待测负载时，系统的驻波分布图如图4-2 ( b )所示，用测量线测得 左边(向波源方向)的相邻驻波节点位置即为终端相邻驻波节点的等效位置，所以有：o由公式4-1可以计算待测元件的输入阻抗 o图 4-2 等效截面法示意图在工程设计中为简便起见，负载阻抗也可由Smith圆图进行求解。图4-3为导纳圆图， 中 A 点即为归一化导纳 ， B 点的读数即为归一化阻抗 。3. 感性膜片和容性膜片在波导中放置如图4-4所示的开有窗口的全金属片称为膜片，当膜片的厚度满足& vvtvv
4、时（&为膜片的趋附深度），波导波长，其等效电路为一并联电纳Y=G+jB，通 常膜片的损耗很小，电导G分量可以忽略，因此有Y=jB。膜片电纳可用驻波法测出。但将 膜片接在测量线输出端，膜片窗口将向外辐射能量，必须接一个匹配负载，这时从膜片左端 向终端看上去的归一化输入导纳即为：=1+jB，从而得到膜片的归一化电纳值B,精度取 决于匹配负载的匹配性能。图 4-4 感性、容性膜片4. 阻抗匹配匹配是微波技术中的一个重要概念，通常包含两方面的意义：一是微波源的匹配，二是 负载的匹配。通常微波系统中微波源都采用匹配源，因此，微波系统中的匹配技术如果不特 别说明通常就指的是阻抗匹配技术。阻抗匹配不仅广泛地
5、应用在微波传输系统中，用以获得 良好的工作性能及传输效率，如传输效率高，系统能传输的功率容量最大，微波源工作也较 稳定等，而且对于微波测量，也是十分重要的，它直接关系到测量数据的准确度，在精密测 量中，往往对阻抗匹配提出很高的要求。从传输线理论可知电压反射系数与负载阻抗 的关 系为： 时，即阻抗不匹配，就会产生反射，所以掌握匹配的原理和技巧，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。在小功率时，构成微波匹配源的最简单的办法是在信号源的输出端口接一个衰减器或一个隔离器，使负载反射波通过衰减进入信号源后的二次反射已微不足道，可以忽略。匹配的基本原理是利用一个调配器，使它产生的附加反射波
6、，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等，而相位相反，抵消失配元件在系统中引 起的反射从而达到匹配。阻抗匹配的装置与方法很多，可以根据不同的场合要求灵活选用。对于固定的负载，通常可以在系统中接入隔离器（主要用于微波源端匹配）、膜片、销钉、 谐振窗等以达到匹配目的；而在负载变动的情况下，可接入单螺钉调配器EH阻抗调配器 等类型的调配器，这里仅就实验室常用的一种介绍。5. 单螺钉调配器在一段开槽波导段宽边中心装置一个位置可移动的螺钉，而螺钉伸入波导里的深度可调， 就构成可移动的单螺钉调配器，它是利用螺钉产生适当的电纳达到匹配目的，其调配原理由 下图说明。假设系统终端的归一化导纳为 ，在圆图上处于位置
7、 A 点，移动单螺钉，要找 到这样一个位置，在这个位置参考面上，向负载端看去的输入导纳为：在圆图上相当于从A点沿等P圆移动距离d到等P圆与G =1圆的交点B （图上B点导纳值为 ），在这个位置上改变螺钉深度，在螺钉插入深度时，其作用相当于在传输线上并联了一个正的电纳（为容性的）。再改变螺钉的深度，即能改变容性电纳值 jB ，这相当于在输入端并联一电纳值，使之与原来的电纳值相加抵消。此参考面上总导纳 为1，实现匹配。在圆图上相当于从B点沿G=1的等G圆移动到原点，即匹配点，从而使 系统达到匹配。如果滑动单螺钉调配器的长度可以半波长范围内变化，同时调节螺钉深度提供的并联电纳可以08之间任意调节，则
8、该调配器能对任何有耗负载调配，在理想情况下没有禁区。图 4-6 阻抗测量与匹配参考框图（虚线框中的微波元件视情况选择连接）三、实验内容与步骤1. 调整微波测量系统（a）参照图 4-6 接线，在测量线后接匹配负载。调整测试系统，用数字频率计测量并记 录工作频率（建议调到 9.3GHz）。（b）测量线后接短路板，用交叉读数法测量波导波长 ，并确定测量线标尺中间部位的 一个驻波波节位置 ，记录测得的数据。实验中在取数时要注意微波输出频率保持稳定。2. 测量感性、容性膜片和晶体检波器输入阻抗（a）取下短路板，测量线后接“感性膜片（或容性）+匹配负载”。测出 左边（向波源方向)的相邻驻波节点位置 ，计算
9、记录测量数据。(b) 用直接法(或等指示度法)测量驻波系数p (注意输出功率电平不要超过平方律检 波范围)。(c) 根据p、应用导纳圆图计算“感性膜片(或容性)+匹配负载”的归一化导纳。 将步骤(a )(c)的数据列成相应的表格。3. 用滑动螺钉进行调配方法一(a) 测量线后接“膜片+匹配负载”，用直接法(或等指示度法)测量其驻波系数 。(b) 测量线后换接“单螺钉调配器+匹配负载”，调节螺钉深度，使其驻波系数仍等于 。(c) 保持单螺钉调配器的螺钉深度及其位置不变，在单螺钉调配器与匹配负载之间接入膜片，移动单螺钉调配器的螺钉位置，使其驻波系数p1.05。方法二 选做测量线终端依次接上单螺钉调
10、配器、膜片、匹配负载，使调配器的单螺钉稍伸入波导， 然后调节其位置，并用测量线跟踪波腹点或波节点，直到单螺钉在某一位置时，驻波的波腹 有下降，或波节点值有上升的趋势。然后反复调节螺钉插入深度，微调其位置，用测量线跟 踪驻波大小，直到驻波系数p1.05止。四、实验数据及处理1. 调整微波测量系统工作频率：9.3GHz ;最大电压：15.0mv ;最小电压：Omv位置/mm115.10111.0292.4088.30电压/mv0.50.50.50.5得到导波波长：继而测得驻波波节位置2. 测量感性、容性膜片和晶体检波器输入阻抗利用交叉读数法测量 ：位置/mm105.90110.80电压/mv0.50.5所以得到测量得到的最大电压为2.8mv，最小电压为0.7mv，计算得到驻波系数为：将计算得到的驻波系数、驻波相位和导波波长带入4-1：所以：与 Smith 圆图得到的结果一致3、用滑动螺钉进行调配重新测量，测得驻波系数为 2.236，接下来调整螺钉深度，使得驻波系数仍为 2.236， 经过调整螺钉深度，使驻波比仍为 2.236。接下来调整螺钉位置，此时电压最大值为 2.4mv， 最小值为2.1mv，驻波比最小为1. 069，没有达到要求，经过很长时间的调试，依旧没有达 到要求，这是所能达到的最小值。旅溜数学作业纸班级：姓名：编号:科目：Ko弩桃叔,;咖 4 滋汕加k /-率徉也您力
