实验三、阻抗测量与匹配技术实验报告综述

1、实验三、阻抗测量与匹配技术实验报告班级：核32 姓名：杨新宇 学号：2013011806 同组成员：杨宗谕一、 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

2、与终端负载阻抗直接相关，表征驻波特性的两个参量，驻波比及相位lmin与负载阻抗有如下关系：式中，ZL为归一化负载阻抗，即单口微波器件输入阻抗；为驻波比；lmin是终端负载至相邻驻波节点的距离，见图4-1。由于=2g，这样g、lmin就是确定负载归一化阻抗的三个参数，利用式（4-1）即阻抗测量就归结为对上述三个参量的测量。2、 驻波最小点位置lmin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g2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

3、分布如图4-2（a）所示，因而移动测量探针可测得某一驻波节点位置dT,它与终端距离为半波长的整倍数ng2（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T。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dT左边（向波源方向）的相邻驻波节点位置dmin即为终端相邻驻波节点的等效位置，所以有: lmin=|dmin-dT|。由公式4-1可以计算待测元件的输入阻抗ZL。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，图中A点即为归一化导纳YL，B点的读数即为归一化阻抗ZL。3、 感性膜片和容性膜片在波导中放置如图4-

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 <<t<<g时（为膜片的趋附深度），g为波导波长，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：Yin=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。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

5、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ZL的关系为：当ZLZC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

6、，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，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

7、下图说明。假设系统终端的归一化导纳为YL，在圆图上处于位置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Yin=1±jB。在圆图上相当于从A点沿等圆移动距离d到等圆与G =1圆的交点B（图上B点导纳值为1-jB），在这个位置上改变螺钉深度，在螺钉插入深度t<g/4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

8、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0之间任意调节，则该调配器能对任何有耗负载调配，在理想情况下没有禁区。三、 实验内容及步骤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g，并确定测量线标尺中间部位的一个驻波波节位置dT，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dT左边（向波源方向）的相邻驻

9、波节点位dmin，计算lmin=|dmin-dT|，记录测量数据。(b) 用直接法（或等指示度法）测量驻波系数（注意输出功率电平不要超过平方律检波范围）。(c) 根据、lmin、g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YL 。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（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1。(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1。(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

10、<1.05。四、 实验数据及处理1、 调整微波测量系统工作频率：9300.28MHz 电压最小值：0.1mV 电压最大值：17.5mVd11d12d21d22位置/mm88.5491.80111.28114.50电表读数/mV1.01.01.01.0由此测出的导波波长g=2d21+d222-d11+d122=45.44mm驻波波节位置dT=90.17mm2、 测量感性、容性膜片和晶体检波器输入阻抗（a）测量驻波相位由于驻波比较小，波节位置不好确定，这里同样采取交叉读数法测量dmin，数据记录如下：d11d12位置/mm92.4098.04电表读数/mV3.23.2由此得出dmin=95.

11、22mm，lmin=dmin-dT=5.05mm。（b）测量驻波系数电表最大值为4.8mV，最小值为3.0mV，由此计算出驻波系数 =ImaxImin=1.2649。（c）计算归一化导纳将测得的驻波系数、驻波相位和导波波长代入公式4-1可以计算出归一化导纳为YL=1.094+0.161j。与用Smith圆图计算的结果一致。Smith圆图的计算方法如下：在导纳圆图上先找到驻波比为1.2649的等圆，然后向电源方向旋转5.05/45.44=0.1111的电长度即可得到归一化导纳的位置，读数与计算结果一致。3、 用滑动螺钉进行调配上一步测得驻波系数为1.2649，接下来调整螺钉深度，使得驻波系数仍为

12、1.2649，经过调整，当螺钉深度为4.61mm时，驻波比仍为1.2649，此时电压最大值为4.0Mv，最小值为2.5mV。接下来调整螺钉位置，当螺钉位置为39.6mm时，驻波比小于1.05，此时电压最大值为3.3Mv，最小值为3.1mV，驻波系数为1.0318，达到要求。五、思考题(1) 测量阻抗时，驻波节点的位置dT如何确定？为什么能用测等效参考面阻抗的方法确定待测阻抗？答：测量线后接短路板，先将测量线的探针移到最右端，然后向左移动，找到的第一个波节点即为dT的位置。由于阻抗分布的g2重复性原理，所以可以用等效参考面阻抗的方法确定待测阻抗。(2) 测量膜片电纳时，为什么后面要接匹配负载？答：接匹配负载时，从膜片左端看的归一化输入导纳为Y=1+jB，从而得到膜片归一化电纳。(3) 测量待测元件波节点位置dmin 时，是否必须在“等效截面”dT左边？为什么？答：必须在等效截面左边，因为之前找到的dT是右端第一个波节点，接待测元件后，dT的右端不可能再有一个波节点，所以