《微波技术与天线》实验指导书(DOC)

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

目录

实验一微波测量系统的熟悉和调整.................. - 2 -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 .................... - 12 -实验四二端口微波网络阻抗参数的测量 ............. - 17 -

实验一 微波测量系统的熟悉和调整

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 10波的电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

对于波导系统，电场基本解为ift rm ift r e E e a b r V E --==

)

/ln(0

(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。

ift y ift y y e x a

E e x a

E E )sin(

)sin(

00π

π

-=-

在x=a/2处

z E e e E E y ift ift y y βsin 2)(00-=+=+-

其模值为：z E E y y βsin 20= 最大值和最小值为：

2min

0max ==r

r r E E E

(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。

ift y ift y y e x a

E e x a

E E )sin(

)sin(

'

00π

π

+=-

在x=a/2处

z

E e

E E e E e E e E e E e E e E E y ift

y y fit

y fit y fit y ift y fit y fit y y βcos 2)()()('0

'

0'0

'0'00'00+-=++-=+=-----

由此可见，行驻波由一行波与一驻波合成而得。其模值为：

z E E z E E E y y y y y ββsin )(cos )(2

'0022'00-++=

可得到最大值和最小值为：

'

0min

'

0max y y y

y y y E

E E E E E -=+=

(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。

ift y y e E E -=0 其模值为

0y y E E =

由上述可知，在测量线的终端分别接上短路器、任意负载和匹配负载，移动探针位置，都可以观测到测量线中不同位置的电场强度（复振幅大小）对应的电流指示读数。

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|E|对应的检波电流。

任一位置处|E|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|E ’|与I 的对应关系。

max

'E E E =

我们知道，当测量线终端短路时：

d

z E E E z

E E g

λπ

ββ2sin

sin '2sin 20

max 0====

如果我们取任意一零点（波节点）作为坐标起始位置，且坐标用d 表示，则：

d E g

λπ2sin

'=

晶体二极管上的检波电压u 正比于探针所在处|E ’|。所以上式可用u 的归一

化值u ’来表示。即：

d u u u g

λπ2sin

'max

==

晶体二极管的检波电流I 与检波电压u 之间的关系为：

n cu I =

式中c 为比例常数，n 为检波率。

n

g

d c I λπ

2sin

'=

式中c ’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。

探针在开槽线中与电场耦合，其效果相当于在等效传输线上并联了一个探针支路。即探针等效为一个导纳p p p jb g y -=。其中g p 反映探针吸收功率的大小，b p 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 p 的分流作用，驻波波腹点的位置发生偏移。但当终端断路时，波节点不偏移。可见，g p 和b p 将造成误差。为了减小测量误差，必须要减小或消除g p 和b p 的影响。减小g p 的影响，可以适当减小探针插入的深度；消除b p 的影响要依靠调谐来达到。

探针的调整办法： 1．

在信号源有足够输出和检波指示器有足够的灵敏度的条件下，应尽量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置（即波腹点上），调节探头的调谐活塞，直至输出指示最大。此时b p 已达到最小。

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。

三、实验仪器及线路图

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1－1连接实验线路图（接短路器）。

（3）调节探针位置，使指示器读数为最大（此时探针位于波腹点）。

（4）调节探针插入深度，同时调整调谐活塞，使指示器读数最大，且达到满刻度的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λg，并确定任一波节点位置D min（坐标d的起始位置）。如图1－2所示。

（2）在相邻的波节点与波腹点之间大约取10个点（包括波节点和波腹点）。从

D min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 i与相

应的指示器读数l i。

3．测绘终端三种负载时|E ’|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 i 和相应的指示器读数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λg

)()(22

2''2min '2min ''1min '1min '

'2

min '2min ''1min '1min D D D D D D D D g +-+=?+-+=λ

终端负载:短路

终端负载:开路、任意负载（各1份表格）

（2） 计算di 及|E ’|

i

g

i i d E D D d λπ

2sin

'min =-=

2．测绘 |E ’|分布：

（1） 在晶体定标曲线上找出li 对应的|E ’|i ;

（2） 在直角坐标纸上绘出三种状态的|E ’|i ~D i 分布曲线。

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？

实验二 电压驻波比的测量

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。

min

max min

max ''E E E E S ==

式中|E ’|为电场的归一化值（相对场强）。

直接法测驻波比就是直接测出测量线上最大场强（实际测出的是与它对应的检波电流）和最小场强（实际测出的是与它对应的检波电流）。从而由公式计算出S 。

由于测量线槽内插入探针后，探针电导的存在吸收功率，从而使驻波比的测量值小于真值。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。

分析结果表明，波节位置偏移总是小于波腹位置的偏移。当探针的腔体谐振时，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，为了准确地进行测量，必须对探针进行调谐。在调谐时为了减少终端负载的电抗影响要接以匹配负载。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：

2

min

min 2

max max ''E C I E C I ==

式中C 为比例系数，则：

min

max min

max min min max max ''''I I E E S C I E C I E =

===

三、 实验仪器及线路

四、 实验内容及步骤

1．按图2－1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 max 和I min 。

五、 数据处理

根据I max 与I min ，由晶体定标曲线查得相应的|E ’|max 与|E ’|min ,由 min

max ''E E S =

计算S ，并与由

min

max

I I S

计算得到的S 进行比较。

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。

实验三 微波阻抗的测量与匹配

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 min1后，就可以由圆

图求得归一化阻抗L Z ~。

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是比较困难的，根据驻波分布的半波长重复性，在实际测量中，采用“等效截面法”，其方法如下：

首先将终端短路，沿线的驻波分布如图3－2(a)所示。用测量线测得其一驻波

波节点位置d T ，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

分布如图3－2(b)所示，用测量线测得d T左边（向信号源方向）第一个驻波波节点位置d min就是离终端负载第一个驻波波节点的位置。所以L min1=|dmin-d T|

2．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载的匹配。调配的方法也很多，本实验利用E－H双T接头构成的双T调配器（波导系统）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。

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。

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ρ<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

2. 阻抗匹配

四、 实验内容及步骤

1．测负载阻抗

（1）按图3－3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λg

及最靠近短路器的第一个驻波

波节点的位置d T 。

（3）取下短路器，接上被测失配负载，用测量线测出最靠近d T 点的驻波波节点的位置d min 或d ’min 。

则终端负载输入端到第一个驻波波节点的距离为：

)()('

min 'min min min d d L d d L T T -=-=或

（4）用测量线测出驻波最大点和最小点的电流I max 和I min ，按下式求出驻波比：

min

max

I I S =

（5）将测量得到的λg ，L min ，S 用smith 圆图计算负载阻抗归一化值L Z ~

。

在计算时应该注意：若测d min （在d T 左边）查圆图时，要逆时针方向（即向

负载方向），反之，则应顺时针方向（即向电源方向）。 2．阻抗匹配

按图3－4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踪最小点的变化），使驻波比S ’≤1.1。

五、数据处理

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？

实验四 二端口微波网络阻抗参数的测量

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4－1所示的被测二端口可逆微波网络，参考面T 2接任意归一化负载

L Z ~

，其中Z 11 Z 12 Z 21 Z 22为被测网络归一化阻抗参数。

由网络理论可知，被测网络的归一化转移矩阵为：

[]1111221221222111Z Z Z Z Z a Z Z -??

=

????

则参考面T 1处的归一化输入阻抗in Z ~

为：

L

m Z Z Z Z Z Z ~~

22122111+-=

由于网络可逆，即Z 12=Z 21，则

L

in Z Z Z Z Z ~~

22212

11+-

= 当1~

=L Z （参考面T 2接匹配负载）时，参考面T 1的归一化输入阻抗为：

1

~

22212111,+-

=Z Z Z Z in

当0~

=L Z （参考面T 2接短路器）时，参考面T 1的归一化输入阻抗为：

22

21211,~

Z Z Z Z S in -= 当∞=L Z ~

（参考面T 2开路）时，参考面T 1的归一化输入阻抗为：

11,~

Z Z in =∞

联立上面三式，可解得被测网络的归一化参数：

)

~

~(~

~~~~,,2212,1,1

,,22,11S in in S

in in in in in Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z -=--==∞∞∞

由此可见对被测网络的参考面T 2短路、开路、接匹配负载三种状态下测量参考面T 1处的归一化阻抗，通过上述计算可得到被测网络的三个未知阻抗参数Z 11、Z 12、Z 22。三点法由此而得名。

如果网络又是对称的，Z 11=Z 12，则只需要进行两次测量即可。

三、实验仪器及线路

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

抗参数的测量是在网络输出端换接三次不同的已知负载的情况下，测量网络输入

端的输入阻抗。所以具体的测量方法步骤与《微波阻抗的测量与匹配》相同。需要指出的是如何获得网络输出端的开路。

微波传输线空载时，由于辐射原因，并不能说明此时终端开路。获得开

路的方法是如图4－3所示，利用可调短路器，在距离负载参考面S T ±λg /4的地方S 0实现短路即可实现负载面的开路。

4

0g

T S S λ±

=

其中S T 为网络输出端短路时，测量线测得的任一个波节点位置所对应的在可调短路器中的任一波节点位置。

五、思考题

1．如果网络又是对称的，即Z 11=Z 12，试说明如何通过两次测量得到网络的阻抗参数。