最新实验一 晶体检波及驻波比测量

实验一晶体检波及驻

波比测量

实验一 驻波比测量与检波晶体二极管检波律测定

一、 实验目的与意义

1、熟悉测量线的使用方法；

2、驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，几乎在所有的微波测量中都涉及驻波比测量的，因此必须熟练掌握测量中小驻波、大中驻波的常用方法。

二、 实验原理与方法 1、驻波比定义：

一个微波元件插入均匀波导以后，即会产生反射波，不同性能的元件引起反射波的大小和相位都不相同，它与入射波合成后产生的驻波状态也不相同。在驻波分布图形上有驻

E

图1. 驻波的形成

波波腹和驻波波节，波腹点的电场最大值为Emax ，波节点的电场最小值为Emin 。电压驻波比是传输线中电场最大值与最小值之比，表示为

m in

m ax

E E =

ρ （1）

传输线上波的传播状态也可用反射系数表示，即

)2(d Ei

Er

Ei Er β?-∠==

Γ （2） （2）式中：?为双口网络的反射角；

d 为双口网络输入端到左侧第一个驻波节点的距离； g λπβ/2=是相位常数，其中g λ是波导波长。 驻波比ρ与反射系数Γ之间的关系式为

Γ

-Γ+=

11ρ （3）

1

1

+-=

Γρρ （4） 用测量线测量驻波系数的方法有很多，如下表所示：

本实验中只介绍最基本的直接法和等指示度法。

2、检波晶体二极管特性的测定与定标

要准确测得待测件的驻波比，首先要正确调整和使用信号源和测量线（信号源在实验时已由指导教师调好），其次要了解测量线探头中所使用的检波晶体二极管的检波特性。

由测量线结构可知，是开槽线使探针拾取探针所在位置的电场，感应出与场强成正比的电动势加到探头内的检波晶体上，晶体检波后的检波电流接到适当的仪表上，指示出沿线分布的驻波大小。一般来说，晶体二极管是非线性元件，通常加在检波二极管上的电压u 正比于探针所在位置的场强E ，而检波电流i 与检波电压u 的一般关系式为

n i cu = (5)

式中c 为常数，n 为检波律，u 为检波电压。晶体管的检波律n 随检波电压u 而改变，通常在低电压范围n 近似等于2（平方律），在高电压范围n 近似等于1（直线律）。n 的数值可以由定标曲线求出，如图二（a ）所示。

* 晶体定标曲线的测量方法是：将测量线输出端短路，根据传输线内的驻波分

布规律测出。当输出端短路时，波导内电场驻波的分布纵向分布如图二（b ）所示，其表示式为

2sin

E Em d

g πλ= (6)

相对值为

2'sin E E d Em g

π

λ=

= (7) 式中Em 为驻波波腹点的电场强度，d 是以波节为零点向最大值Em 方向的距离。由于晶体二极管检波电压正比于探针所在位置的电场强度，所以（7）式也可以表示为电压的相对值即

d u u u g

m λπ

2sin '==

(8) 将电压相对值代入（5）式得

2'sin

n

i d g πλ??

=???

? (9) 式中'i 是电流相对读数，2sin

d g

π

λ是探针位置的相对场强（即相对电压）。根据（9）式能够直接用实验的方法测出定标曲线。

u

O

(a) 晶体定标曲线（一般１～２段为线性 ，２～３段为平方律）

(b) 测量线终端短路时的驻波

图 二

* 测量定标曲线的步骤如下：

(1)在调整好的测量线上用交叉读数法测量波导波长g λ。当测量线终端短路时，传输线上形成驻波，移动测量线探针，测出两个相邻驻波最小点之间的距离，就可得到波导波长。因此，如图三所示，在波节点两侧取等指示度的探头位置读数D 1、D 2，由对称性可得：D 1、D 2间的驻波波节点的位置为Dmin 1,

1

min1(12)2

D D D =+ (10)

最好在Dmin 1的两侧多取几次等指示度的探针位置读数，求得该节点的平均值

min1D ，而后将探头移到与Dmin 1相邻的另一节点附近，求得等指示度位置D 3、D 4，

则

1

min 2(34)2

D D D =+ (11)

对Dmin 2求多次平均为min 2D 。由此求波导波长

2min 2min1g D D λ=- （12）

k

图四　求d k 的方法

图三　交叉读数法测λ

g

（2）作晶体定标曲线

①.参考图二，在波节和波腹点之间大约取10点，从波节Dmin 开始，将探针逐次移到这些点D 1，D 2，……D K ……D 10等位置上，并记录相应的电流读数i 1,i 2,……ik ……i 10 。（注意：开始D K 之前，应将探针置于波腹点，调整电表的XF-01分贝档或微波衰减器，使电表指示接近满度100%，并记下检波电流的腹值imax ）。分别求出各点位置与波节点的距离

11min,22min,

1010min.

d D D d D D d D D =-=-=-

由于探针影响，驻波分布并不是以波节点为中心对称变化，在准确度要求高的情况，应从节点开始，向另一方向将探针移到指示度仍等于i 1,i 2……i K ……i 10的位置，并记录相应的探头位置数据1''10'D DK D …………。这些对称点距波节点距离为

1'min 1'10'min 10',d D D d D D =-=-……，然后取两边距离的平均值，即

1

(')2

dk dk dk =+ （13）

取D 为最后数据（见图四）。

②.将D 代入式（7），求出各点的相对场强。并由测量值求得相对电流指示

'

max k i i i ??= ???

(14)

③.以'E 为横轴，以'i 为纵轴，将上列数据标在方格坐标纸上，并连成平滑曲线，这就是晶体二极管的定标曲线（见图五）。（纵轴'i 也可以直接用电流表读数i 表示）。作出定标曲线以后就可以用它求出相对场强。例如在开槽线内移动探针获得最大点指示80%，最小点指示54%，由图五查得相对场强'max 0.89,'min 0.74E E ==，于是电压驻波比 0.89

1.20.74

ρ=

=。 0.2

0.40.60.8 1.0

20

40

6080100I

电表相对读数i ′(%)

相对场强E′图五　晶体定标曲线

10

20

30

406090

100相对场强E′图六　全对数定标曲线

不少场合，为了方便起见，常常要知道晶体的检波律n ，这时可以利用如下方法求得。将（9）式两边取对数得

2lg 'lg sin i n d g πλ??

=???? （15）

如果把（15）式右边的2sin d g πλ??

????看成变量'u ，则检波律n 是该直线的斜率。因

此，将实验中测得的电表相对读数（即相对电流）的百分数作纵坐标，相对场强'E 作

横坐标，在全对数坐标纸上画出 2lg 'lg sin i n d g πλ??

=????的直线，该直线的斜率即为n ，

如图六是用图五的实验数据画出的曲线，在电表相对读数20%—100%的范围内，检波律n=2.14。

一般情况下，功率电平很低时（到达检波器的功率0.5mw ≤；对于调制波，输出电压不大于几毫伏，连续波输出电流不大于10微安），可认为n=2，即平方律检波

2'(')i u =，这时如果测得 'max 'min i i 和，则驻波比

ρ=

（16） 当指示器用XF-01选频放大器时，电表刻度上有驻波比的直接读数。将探针置于驻波波腹，调节XF-01的衰减、增益旋钮使电表满度，然后将探针置于波节。此时电表的示数（驻波比档）即为平方律检波时的驻波比值。

需要注意的是上述测量中，实际上包括了选频放大器（或其它测量放大器）的非线性误差。同时，由于晶体二极管一致性差，所以当更换测量仪器之后，都必须重新作出定标曲线。此外晶体检波特性随时间、温度等变化极大，所以定标工作应经常进行。

3.驻波比的直接测量法：

通过以上讨论，可把直接法测量驻波比的步骤归纳如下：

（1）.按图七连接并调整线路,在连接线路时，要注意波导口完全对齐，否则形成台阶产生反射影响测量结果。波导法兰接触可靠，若接触不紧形成缝隙会使波导电磁波泄漏出来，或外界电磁波泄漏进去产生干扰场。

图七　直接法测量驻波比

隔离器

可调衰减器

测量线

（2）.用等指示度法测波导波长g λ。 （3）.作晶体定标曲线求出检波律n 。

（4）.沿槽线缓缓移动探针，在驻波波腹读取imax ，在驻波波节读取imin 。 （5）.根据读数的数据imax 和imin ，从晶体定标曲线中查出想对场强

'max 'min E E 和，计算驻波比：

'max

'min

E E ρ=