北邮电磁场与微波测量实验实验五阻抗测量及匹配技术

电磁场与微波测量实验实验五阻抗测量及匹配技术

学院：电子工程学院

班号：2011211204

组员：

执笔人：

学号：2011210986

一、实验目的

1、掌握利用驻波测量线测量阻抗的原理和方法

2、熟悉利用螺钉调配器匹配的方法

3、熟悉Smith 圆图的应用

二、实验容

1、在测量线给定器件的阻抗和电压驻波系数，并观察其Smith 圆图。

2、在测量线系统中测量给定器件的ZL ，并应用三螺调配器对其进行匹配，使驻波系数小于1.1。

三、实验原理

1. 阻抗测量原理

微波元件的阻抗参数或者天线的输入阻抗等是微波工程中的主要参数，因而阻抗测量也是重要测量容之一。一般情况下，测量的对象可以是膜片、螺钉、滤波器、谐振腔及其它不均匀性等。在阻抗测量的方法中常采用测量线法。本实验着重应用测量线技术测量终端型（等效二端网络）微波元件的阻抗。

由传输线理论可知，传输线上任一点的输入阻抗Z in 与其终端负载阻抗Z L 关系为：

l

tg jZ l tg j Z Z L L in ββ++=

1

（2.1）

其中，0Z 为传输线的特性阻抗，g λπβ/2=为相移常数，l 为至终端负载的距离。

设传输线上第一个电压驻波最小点离终端负载的距离为,min l 电压驻波最小点处的输入阻抗在数值上等于1/ρ即

ρ

1min

=

l in

Z

（2.2）

将min l l =及ρ

1=in Z 代入式（2.2），整理得：

min

min 1l jtg l tg j Z L βρβρ--=

（2.3）

所以，负载阻抗的测量实质上归结为电压驻波系数ρ及驻波相位min l 值的测量，当测出ρ及min l 后，就能由上式计算负载阻抗Z L 。但是，这是一个复数运算，在工程上，通常由ρ和min l 从圆图上求出阻抗或导纳来。

电压驻波系数ρ的测量，已在实验一中讨论过了，现在来讨论min l 的测量方法。 由于测量线结构的限制，直接测量终端负载Z L 端面到第一个驻波最小点的距离min l 是比较困难的。因此实际测量中常用“等效截面法”（以波导测量线系统为例）：首先将测量线终端短路，此时沿线的驻波分布如图2-1 a 所示。用测量线测得某一驻波节点位置D T （任一驻波节点与终端的距离都是半波长的整倍数2/g n λ，=n 1，2，3…）

，将此位置定为终端负载的等效位置D T 。然后去掉短路片改接被测负载，此时系统的驻波分布如图2-1 b 所示。用测量线测得D T 左边第一个驻波最小点的位置D A 及ρ，则A T D D l -=min 。驻波最小点截面处的阻抗为纯电阻，其电阻值即是以0为圆心，ρ为半径的圆与纯电阻轴交点A 所代表的

值。由A 点沿等ρ圆向负载方向旋转g l λ/m in 得到T 点，点T 的读数即为待测元件的归一化阻抗Z L 。

以上是以波导测量线系统为例说明了阻抗测量的实验原理。对于同轴测量线系统，首先是将测量线终端开路，然后在将被测负载接上，所测的T D 和A D ，要进行相应的变换才是公式中需要的min l 。

L

min

max min

+j

短路片

图2- 1 阻抗测量原理图

负载阻抗（单端口网络阻抗）的测量可由驻波系数及其波节点位置换算

得到，系统上的输人阻抗周期性的变化，每隔 阻抗重复一次，所以被测

元件的输入阻抗可由测量线上距被测元件端口 的参考面T 的输入阻抗来确定，测量时测得驻波系数和参考面到波节点的距离通过圆图换算确定被测元件的阻抗。

2. 匹配技术

2

/g λ2

/g n λ

在微波传输及测量技术中，阻抗匹配是一个十分重要的问题。为保证系统处于尽可能好的匹配状态而又不降低传输系统的传输效率，必须在传输线与负载之间接入某种纯电抗性元件，如单螺调配器、多螺调配器以及单短截线、双短截线等调配器件，其作用是将任意负载阻抗变换为1+j0（规一化值），从而实现负载和传输线的阻抗匹配。

单螺钉调配器：螺钉的作用是引入一个并联在传输线上的容性电纳，借助于导纳圆图很方便地求出螺钉的纵向位置l和电纳jb值，见图1-3-2。

Y

L

图1- 3- 2 单螺钉调配器原理图

图中

L

Y点表示被匹配的负载输入导纳，欲使负载匹配即0

1j

Y

in

+

=，首先必须使螺钉所在的平面位于G=1的圆上，由此在圆图上求得等ρ圆与G=1圆的交

点A和A’，A点输入导纳jb

Y

A

-

=1，电纳呈感性。螺钉电纳呈容性，改变螺

钉深度，即能改变并联的容性电纳值，使0

1j

Y

in

+

=得到匹配。由于滑动单螺调配器能对圆图上任一导纳值调配，故在理想情况下它的禁区为零。

三螺钉调配器：这种调配器的螺钉位置固定在传输线上，依靠调配螺钉深度得到匹配。其调配要点是先右后左，循环多次，在调节过程中需不断观测驻波大小，使波节点电平提高，直至波节点和波腹点电平接近，驻波系数最小。

三短截线同轴调配器：三短截线彼此相距4/

g

λ固定在传输线上，依靠调节短截线长度得到匹配。其调配要点为先右后左，循环多次，在调节过程中也是不断

1、信号发生器

2、隔离器

3、频率计

4、可变衰减器

5、测量线

6、测量放大器

7、被测件

8、短路片

使用调配器调匹配的实验装置示意图

五、实验步骤，

（1）按原理图接好设备，开启信号源电源，使信号源工作于最佳方波、扫频状态。

（2）移动测量线探针，测量相邻的电压最小值之间的距离，以测出传输线中的波长，即波导波长。

（3）短路片安置在测量线的输出端上，并记下探针指示器标尺上对应于电压最