《微波技术与天线》实验指导书

1、微波技术与天线实验指导书南京工业大学 信息科学与工程学院通信工程系-2-实验一 微波测量系统的熟悉和调整实验二 电压驻波比的测量-9-实验三 微波阻抗的测量与匹配-实验四 二端口微波网络阻抗参数的测量- 1 - 一、实验目的1. 熟悉波导测量线的使用方法；2. 掌握校准晶体检波特性的方法；3. 观测矩形波导终端的三种状态（短路、接任意负载、匹配）时，TE 波的电10场分量沿轴向方向上的分布。二、实验原理1. 传输线的三种状态V对于波导系统，电场基本解为E e E e0iftiftrb/a)rrm(1) 当终端接短路负载时，导行波在终端全部被反射纯驻波状态。E E x)e E x)eyy0ay0

2、a在 x=a/2 处E E (e e )2E sinziftiftyy0y0其模值为： E 2E sin zyy0最大值和最小值为：EE 2E 0r r r0(2) 终端接任意负载时，导行波在终端部分被反射行驻波状态。 x)eaE E x)e Eyy0ay0在 x=a/2 处E E e Eefit (E eift Eefit)(Eefit Ee)fit fityy0y0y0y0y0y0(E E )e 2E cos zifty0y0y0由此可见，行驻波由一行波与一驻波合成而得。其模值为：- 2 -E (E E) (z E E) 2 z22yy0y0y0y0可得到最大值和最小值为：EE E Eyy

3、0y0maxmin E Eyy0y0(3) 终端接匹配负载时，导行波仅有入射波而无反射波行波状态。E E eiftyy0其模值为E Eyy0示读数。2. 由测量线的基本工作原理可知，指示器的读数 1 是探针所在处对应的检波电流。任一位置处与 I的对应关系应视检波晶体二极管的检波特性而定。一般，这种关系可通过对二极管定标而确定。所谓定标，就是找出电场的归一化值与 I的对应关系。EE Emax我们知道，当测量线终端短路时：E 2E sin z0E 2E0maxE sin z sindg d E dg晶体二极管上的检波电压 u 正比于探针所在处。所以上式可用 u 的归一- 3 -化值 u来表示。即：

4、uu dug晶体二极管的检波电流 I与检波电压 u 之间的关系为：I n式中 c为比例常数，n 为检波率。nI csindg式中 为比例常数。3. 当测量线的探针插入波导时，在波导中会引入不均匀性，从而影响系统的工作状态。支路。即探针等效为一个导纳y g 。其中g 反映探针吸收功率的大小，ppppb 表示在波动中产生反射的影响。在信号和测量系统匹配的条件下，由于 g 的ppg 和 b 将造成误差。为了减小测量误差，必须要减小或消除g 和 b 的影响。减pppp小 g b 的影响要依靠调谐来达到。pp探针的调整办法：1 取较小的探针插入深度。2 将测量系统短路时，将探针移至相邻两个波节之间正中位

5、置（即波腹 b 已达到最p小。需要指出的是，当信号源的频率或探针插入深度改变时，必须重新对探针进行调整。- 4 -三、实验仪器及线路图图1四、实验内容与步骤1调整测量线（1） 开启信号源。对波导系统的 XB9A操作时，直接打开“电源”开关即可，经过 20 分钟左右信号输出稳定。（2） 按图 11 （3） （4） 度的 2/3 量程以上。2绘制晶体定标曲线（1） 用交叉读数法测量波导波长 ，并确定任一波节点位置 D （坐标 d 的gmin 12 所示。（2） 在相邻的波节点与波腹点之间大约取 10 D 开始依次将探针移到这些点上，并读取测量线上的标尺刻度 D 与相mini应的指示器读数 l。i-

6、 5 -IDD图2D3测绘终端三种负载时的分布（1） 测量线终端接短路器：在大约 1 个波长范围内，每半个波长范围取 10 个点，依次将探针移到这些位置上并读取测量线标尺刻度 D 和相应的指示i器读数 l。i（2） 测量线终端接任意负载，重复步骤（1（3） 测量线终端接匹配负载，重复步骤（1五、数据处理1晶体定标（1） 计算波导波长gDDDD2 (D D )(D D )min1min222gmin1min1min2min2g3min1min2- 6 -终端负载:短路相对电场强度(uA)sinl g g g g g g g g g g终端负载:开路、任意负载（各 1 份表格） - 7 - g g

7、 g g g g g g g g（2） 计算 di 及|d D DiiminE sindig2测绘 分布：（1） 在晶体定标曲线上找出 li 对应的|;i（2） 在直角坐标纸上绘出三种状态的|D 分布曲线。ii六、思考题1测量线的使用中应注意什么问题？为什么？2如果要实现终端开路，将测量线后直接开路是否可以？为什么？- 8 - 一、实验目的掌握用直接法测量中、小电压驻波比。二、实验原理电压驻波比的测量是微波测量中最基本、最重要的内容之一。测量线的一端接上信号源，另一端接上负载阻抗后，便会在测量线里形成驻波。驻波的大小可以用驻波比来表示。EEEES 式中为电场的归一化值（相对场强）。检波电流）和

8、最小场强（实际测出的是与它对应的检波电流）。从而由公式计算出S。量值小于真值。所以，在满足指标要求的情况下，要尽量减小探针穿伸度。而探针的电纳将使驻波发生畸变，即驻波的波腹和波节位置发生偏移。时，不仅能得到高灵敏度的指示，而且驻波位置的测量误差最小。因而，为了准接以匹配负载。测量驻波位置和波导波长时必须以测波节点位置为依据。在我们实验中所使用的功率电平范围内，一般可近似地认为是平方率检波即：I C E2maxmaxI C E2minmin式中C为比例系数，则：- 9 -IEmaxCmaxIE minCminEIIS maxmaxminEmin三、实验仪器及线路图1四、实验内容及步骤1按图 21

9、 连接实验线路，开启信号源，调整测量线，测量晶体定标之各参数。2将被测负载接于测量线终端，移动探针，测量 I 和 I 。maxmin五、数据处理根据 I 与 I ，由晶体定标曲线查得相应的| 与| ,由maxminmaxminEES 计算 S，并与由- 10 -IIS计算得到的 S 进行比较。驻波比 S查定标曲线 平方率检波波腹点波节点六、思考题1用直接法测量得到的电压驻波比与用公式直接计算得到的结果是否有不同，如果有不同，请考虑一下引起这个的原因。2考虑一下用其他测量电压驻波比的方法。- 11 - 一、 实验目的1掌握应用测量线测量微波阻抗的原理与方法，熟练掌握 smith 圆图的应用。2掌

10、握利用阻抗调配器进行阻抗匹配的方法和技巧。二、 实验原理1阻抗测量由于微波系统阻抗的概念不是唯一的，所以一般并不进行阻抗绝对值的测量，而是测量其归一化阻抗。根据 smith 圆图的原理，只要知道了终端接负载阻抗时的线上驻波比 S，线上波导波长和线上从终端到距离他第一个波节点之间的距离 L min1Z图求得归一化阻抗 。LZL0Lmin1图1在这三个数据中，由于测量线的结构限制，直接测量终端负载到第一个驻波波节点的距离 L min1 32(a)波节点位置 d ，此位置即为终端的等效位置。当终端接被测负载时，线上的驻波T- 12 -分布如图 32(b)所示，用测量线测得 d 左边（向信号源方向）第

11、一个驻波波节T点位置 d 就是离终端负载第一个驻波波节点的位置。所以 L =| -d |minmin1 dminTZLd T图22阻抗匹配阻抗匹配的含义是使微波系统沿线没有反射，它还包括对波源的匹配和对负 H双 T 接头构成的双 T 导系统）和三枝节调配器（同轴系统）对负载进行调配。调配过程的物理意义为：调节调配器，使它产生一个反射波，抵消“失配负载”在系统中引起的反射。- 13 -双 T 调配器的 H 臂和 E 臂内，三枝节调配器的每一个臂内，都装有可调短路器，装有短路活塞，改变活塞在臂中的位置，即可改变接头处的电抗值。调节这些臂的短路活塞位置，可以对除纯电抗负载外的任意失配负载阻抗进行调配

12、。实际调节时，如果驻波不太大，可先调节 E 臂活塞，使驻波系数减至最小。然后再调节 H 臂活塞，就可以得到近似的匹配 1.02。如果驻波系数较大，就需要反复调节 E 臂和 H 臂的活塞，才能将输入驻波系数降低到很小的程度。从理论上说，双 T 调配器除了纯电抗的负载外，任何其他负载阻抗都可以调到匹配状态。三、 实验仪器及线路1阻抗测量图3- 14 -2. 阻抗匹配可 变图4四、 实验内容及步骤1测负载阻抗（1）按图 33 连接测量线路，并调整测试系统。（2）按测量线终端接上短路器，用测量线测出 及最靠近短路器的第一个驻波g波节点的位置 d 。T（3）取下短路器，接上被测失配负载，用测量线测出最靠

13、近 d 点的驻波波节点T的位置 d 或 d 。minmin则终端负载输入端到第一个驻波波节点的距离为：L (d d 或L(d d)minminTminTmin（4）用测量线测出驻波最大点和最小点的电流 I 和 I ，按下式求出驻波比：maxminIIS Z（5）将测量得到的 ，L ，S 用 smith 圆图计算负载阻抗归一化值。gminL在计算时应该注意：若测d （在 d 左边）查圆图时，要逆时针方向（即向minT2阻抗匹配按图 34 连接测量线路，用最小点跟踪法进行调配（在调节过程中始终跟 S1.1。- 15 -五、 数据处理阻抗测量ZgdTd 或 dL 或 SminminminminL匹配

14、前驻波比 S匹配后驻波比 S六、 思考题1用测量线测微波阻抗应注意什么问题？2用上面的方法能否验证匹配原理？为什么？- 16 - 一、实验目的掌握任意无源二端口可逆网络阻抗参数的测量方法之一三点法。二、实验原理如图 41 T 接任意归一化负载2Z，其中 Z Z Z Z 为被测网络归一化阻抗参数。11 12 21 22LTT12ZZZ1121ZinLZZ 22图1由网络理论可知，被测网络的归一化转移矩阵为：1 Z 21Z Z Z Z Z a 1111 2212 211Z22Z则参考面 T 处的归一化输入阻抗为：1inZ ZZ Z 21 12ZZm1122L由于网络可逆，即 Z =Z ，则1221

15、Z212ZZ Z in11Z22LZ 1当（参考面 T 接匹配负载）时，参考面T 的归一化输入阻抗为：21LZ212Z Z Z 1in1122- 17 -Z 0当当（参考面 T 接短路器）时，参考面T 的归一化输入阻抗为：21LZ212Z Z in,S11Z22Z （参考面 T 开路）时，参考面T 的归一化输入阻抗为：21LZ Zin,联立上面三式，可解得被测网络的归一化参数：Z Z11in,Z ZZ in,inZZ22inin,SZ Z (Z Z )1222in,in,S由此可见对被测网络的参考面 T 2参考面 T 1Z 、Z 、Z 。三点法由此而得名。111222如果网络又是对称的，Z =Z ，则只需要进行两次测量即可。1112三、实验仪器及线路可 调图2四、实验内容及步骤由三点法测量（被测网络的归一化阻抗参数）原理可知，二端口网络阻- 1