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1、或/卩层见二才呈摩曉Chengdu University of Information Technology微波技术与天线实验指导书成都信息工程学院电子工程系制实验 1 传输线上的波 31.1 实验设置的意义 31.2 实验目的 31.3 实验原理 31.3.1 传输线的工作状态 41.3.2 行波系数和驻波系数 51.3.3 反射系数 61.4实验内容与测试 61.4.1 实验仪器设备 71.4.2 测量内容 71.4.3 测试方法与步骤 7实验 2 阻抗匹配 102.1实验设置的意义 102.2 实验目的 102.3 实验原理 102.4实验内容与测试 122.4.1 实验仪器设备 122
2、.4.2 测量内容 122.4.3 测量方法与步骤 122.5结果分析与实验报告 13实验3双口网络s的测量143.1 实验设置的意义143.2 实验目的 143.3 实验原理 143.4 测试内容与实验153.4.1 实验设备153.4.2 实验方法与步骤 153.5 结果分析与实验报告18实验 4 天线 194.1 实验设置的意义 194.2 实验目的 204.3 实验原理 204.4 实验内容 244.4.1 实验仪器设备 244.4.2 测量内容244.4.3 测量方法与步骤 254.5 结果分析和实验报告25实验 1 传输线上的波1.1 实验设置的意义对电磁波的理性和感性认识，是学习
3、射频、微波理论和技术的首先要解决好的一个基本 问题，目前多媒体技术的发展已经容易给出电磁波具体而生动的图像。尽管如此，电磁波对 许多人而言仍然还是看不见摸不着的抽象概念。本实验的主要意义，首先在于使学生认识 到通过实验不仅仅能测出电磁渡的振幅随时间的变化，而且能通过实验测出电磁波的振幅 随空间的变化，从而认识到电磁波也具有波动过程的一般特征，它的频率和波长都是可以用 频谱分析仪测量的。射频测量系统根据给定的测量任务和所采用的测量方法可以用一些分立的测量仪器和 辅助元件来组成；也可以根据某种成熟的测量方法构成一种现成的成套测量设备，只要接入 待测件就可以组成一个完整的测量系统。对传输线上波的测量
4、用一般实验方法能测量的驻波 比可达50左右。至于测量大于 100的驻波比，必须采用特殊的方法。由于频谱仪具有高灵 敏度、宽动态范围的特点，所以用频谱仪作为指示器就能测量高达 1000 左右的驻波比。通过对微带传输线上波的测量，原则上可以得出与专用的微波测量线相同的结果。这对 分析理解传输线上的波过程，了解在射频、微波领域有重要作用的驻波测量技术也有很重要 的指导意义。1.2 实验目的用频谱分析仪测量传输线上电磁波的频率和波长。测量驻波信号的波腹、波节、反射系数、驻波比。1.3 实验原理对于具有分布参数的均匀传输线，采用分布参数电路分析方法，即把传输线作为分布参 数电路处理，得到传输线的单位长度
5、电阻、电感、电容和电导组成的等效电路，然后根据基 尔霍夫定律导出传输线方程。从传输线方程的解进而研究波沿给定传输线传播的全部特性。当传输信号的波长远大于传输线的长度时，有限长的传输线上各点的电流(或电压)的大 小和相位与传输线长度可以近似认为相同，就不显现分布参数效应可作为集中参数电路处 理。但当传输信号的波长与传输线长度可以比拟时，传输线上各点的电流(或电压)的大小和 相位均不相同显现出电路参数的分布效应，此时传输线就必须作为分布参数电路处理。电路参数沿线均匀分布的传输线称为均匀传输线。若均匀传输线的始端接信号源 E ，s终端接负载Z，由于传输线是均匀的，故可在线上任一点处取线元dz来研究。
6、另外，因线L元dz远小于波长，可把它看成集中参数电路，用串联阻抗Zi=Ri+j L1和并联导纳Y1=G1l 111 l十j q组成的集中参数电路等效。1.3.1传输线的工作状态传输线的工作状态取决于传输线终端所接的负载。有三种状态。行波状态：传输线上无反射波出现，只有入射波的工作状态。当传输线终端负载阻抗等于传输线的特性阻抗，即zl=z0时，线上只有入射波(反射系数为零)。此时U + I ZU (z)二22_0 e= U e 7z22=I + e yz 2U + I ZI ( z ) = 22一4 e Yz2Z0对于无损耗线Y = j0 ,则U (z) = U + ej 卩z = I U +
7、I ej 卩 i ej 卩z22I (z) = I + e j卩z = 11 + I ej3 i ejPz 22式中的o 2是U +的初相角.因ZL=Z0是纯电阻，故此处的0 2=申2表示为瞬时值形式为 2 2 L 0 2i(z, t) = Re I (z)e j=I I + I cos( t + Pz +申)22驻波状态：入射波和反射波叠加形成驻波，传输线工作在全驻波状态。在 ZL=0, ZL=e，或者 Z=jX 时，都有| p |=1LLLL以Z =0为例来分析传输线工作在全驻波状态时的特征。此时，Lp2U 一 = p U + = U + = I U + I e j i+兀) 2 2 2
8、2 2U (z J = U + e jPz z+ U - e -jPz z= U +(e jPz z e jPz)= j 2 I U +I e j( 才兀)sin( 0 z J2 2 2 2同样2 I U + I ej(9 毋)cI(z) =2cos( P z)z0表示为瞬时值形式(Z0为实数时)u (z, t) = 2 I U + I sin( P z) cos( t + 9 +)2 2 2混合波状态:传输线上同时存在入射波和反射波，两者叠加形成混合波状态，对于无耗线, 线上的电压、电流表示式为U (z) = U + e j卩z + U 一e - j卩z = U + ej卩z + r U +
9、 e - j卩z2 2 2 2 2ej 卩 z + e - j 卩 z=U + ej 卩 z + 2 r U +厂 U + ej 卩 zz2 2 2 2 2 2=U + ejPz (1 - r ) + 2r U + cos( P z)2 2 2 2I (z) = I + ej 卩z，+ I- e-jP z22=I + ejP，(1 -r ) + j2r I + sin( P z，)2 2 2 21.3.2 行波系数和驻波系数为了定量描述传输线上的行波分量和驻波分量，引入驻波系数和行波系数。 传输线上最大电压（或电流）与最小电压（或电流）的比值，定义为驻波系数或驻波比，表 示为I U I I I
10、 Ip =max =maxIU I IIIminmin驻波系数和反射系数的关系可导出如下U（z，） = U + （z，） + U - （z，） = U + （z，）1 + r （z，）故得iui = I u +1（i+ I r I） ， iui = I u +1（1- I r I）m ax22m in 22i+ i r i2IUIp max 2IUIi- I r Im in2行波系数定义为传输线上最小电压（或电流）与最大电压（或电流）的比值，即|U|min|U|m axIIIminIIIm ax显然p i+ I r I21.3.3 反射系数传输线上某点的反射波电压与入射波电压之比定义为该点处的
11、反射系数，即r （z ” 亠U + （Z）按反射系数定义可得r（z）= r 2e-2T z=1 r 2 1 e-取论-j険eje ,其中Z - Zr 二| L 4 I eg22 Z + Z L0称为传输线的终端反射系数。面说明如何利用传输线上的电压分布测量波长。采用的方法称为驻波分布法，传输线终端短路（或开路）时传输线上形成纯驻波移动测量探头测出两个相邻驻波最小点之间的 距离即可求得波长。对空气绝缘的同轴系统，上述方法测出的波导波长就是工作波长，如 果是有介质绝缘的同轴系统或微带系统这样测出的波长是波导波长，要根据波导和工作波 长之间的关系进行换算。1.4 实验内容与测试本实验用微带传输线模块
12、模拟测量线。利用驻波测量技术测量传输线上的波，可以粗略 地观察波腹、波节和波长。有条件的可以使用反射测量电桥以较精确地测量反射损耗。1.4.1 实验仪器设备微带传输线模块AT-801D 频率合成信号发生器AZ530E 电场探头AT-6030 频谱分析仪ATTQQ1 反射测量电桥 ATDTZl0 终端负载1.4.2 测量内容用驻波分布法测量微带传输线上电磁波的波长。观测微带传输线上驻波分布，测量驻波的波腹、波节、反射系数和驻波比。1.4.3 测试方法与步骤按图1-1 连接好实验装置。图 1-1 实验连接图微带传输线模块测量端开路（不接负载）。把 AT6030 设置成为：CENTER FREQUE
13、NCY=1000MHz, SPAN=1MHz 参考电平 -30dBm，在保证信号不超出屏幕顶端的情况下，参考电平越小越好，尽量使信号谱线的峰 值显示在屏幕的第一格和第二格之间。AT-801D 频率合成信号发生器设置为输出频率 1000MHz 和最小衰减量。如图 11连接，逐次移动探头。记录探头位置刻度读数和频谱分析仪读数，必要时可调 节信号发生器的输出功率或频谱分析仪的参考电平。改变AT-801D频率合成信号发生器的输出频率为800MHz,再重复进行驻波分布测试。用反射测量电桥来测量反射损耗，按图1-2 连接好实验装置图 1-2 用反射测量电桥来测量反射损耗 ATTQQ1 反射测量电桥的测量端
14、,首先不接负载（开路）,用 AT6030 测量并记录曲线 1数据，然后接终端负载，用AT6030测得曲线2,如图1-3所示。两曲线的差值d（按10dB/格读数）即代表反射损耗L。利用关系l=20Lgi r I和p = （1+ 1厂2I）/（1 1厂2 即可决定反射系数Ir I和驻波比P。图 1-3 反射测量电桥测量结果示意图1.5 结果分析与实验报告 由测得的驻波分布曲线决定微带传输线的工作波长。上述微带传输线的工作波长与由九=c / f算出的波长是否相同？为什么？ 利用实验数据通过公式计算出驻波比和反射系数等参数。 对不同频率下的驻波分布进行比较分析并完成实验报告。 思考题：如何由驻波分布结果测量微带传输线介质（即电路板）的相对电容率。实验 2 阻抗匹配2.1 实验设置的意义匹配是射频和微波技术中的一个重要概念，通常包含两方面的意义：一是源的匹配，二 是负载的匹配。通常射频和微波系统中都希望采用匹配源，可使波源不再产生二次反射从而 减少测量误差；同时，匹配负载可以从匹配源中取出最大功率。在传输射频和微波功率时， 希望负载也是匹配的，因为负载匹配时，传输效率最高、功率容量最大，源的工作也较稳定 所以熟悉掌握匹配的原理和
