实验五阻抗测量及匹配技术.docx
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实验五阻抗测量及匹配技术
北京邮电大学
电磁场与微波测量实验报告
学院：
电子工程学院
班级：
2011211206
组员：
报告撰写人：
学号：
阻抗的测量和匹配技术
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
4.初步了解谐振腔、波导魔T的特性。
二实验内容
1.测量给定期间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阻抗,并应用三螺调配器对其进行调匹配，使驻波系数ρ。
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内容之一。
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Zin与其终端负载阻抗ZL关系为：
〔〕
设传输线上第一个电压驻波最小点离终端负载的距离为电压驻波最小点处的输入阻抗在数值上等于1/ρ即
〔〕
将及代入式〔〕，整理得：
〔〕
所以，负载阻抗的测量实质上归结为电压驻波系数ρ及驻波相位值的测量，当测出ρ及后，就能由上式计算负载阻抗ZL。
但是，这是一个复数运算，在工程上，通常由ρ和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，现在来讨论的测量方法。
由于测量线结构的限制，直接测量终端负载ZL端面到第一个驻波最小点的距离是比较困难的。
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2-1a所示。
用测量线测得某一驻波节点位置DT〔任一驻波节点与终端的距离都是半波长的整倍数，1，2，3…〕，将此位置定为终端负载的等效位置DT。
然后去掉短路片改接被测负载，此时系统的驻波分布如图2-1b所示。
用测量线测得DT左边第一个驻波最小点的位置DA及ρ，则。
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，所测的和，要进行相应的变换才是公式中需要的。
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
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和电纳jb值，见图1-3-2。
图1-3-2单螺钉调配器原理图
图中点表示被匹配的负载输入导纳，欲使负载匹配即，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，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使波节点电平提高，直至驻波系数最小。
四实验装置
使用调配器调匹配的实验装置示意图
按原理图接好设备调整系统，可测得波导中〔测量线〕电场沿线的幅值分布。
在各种微波网络中，二端口微波网络是最基本的。
例如：
衰减器、相移器、阻抗变化器和滤波器等均属于二端口微波网络。
传播主模式的波导所接的终端结构的电性质可由单点测量求得，如果采用测量线，应测量电压驻波比以及电压最小值到输入平面的距离，然后根据公式求得阻抗值。
可由测得的波腹与波节值，计算出系统的驻波比及反射系数模值：
反射系数与同一点处线的输入阻抗有如下关系：
而
式中相波长可按本实验第一项的方法求得。
由测定的，即可计算出负载阻抗〔归一化值〕。
或者直接利用求出。
五实验步骤
（1）按原理图接好设备，开启信号源，使信号源工作于最正确方波，扫频状态。
（2）移动测量探针，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小值位置的读数DT，即为“等效参考面”。
（4）测量线的终端移去短路片，并把被测器接在它的位置上。
（5）测量电压最大值和电压最小值UMAX和UMIN，得到驻波比；
（6）利用交叉读书法测出DT左侧第一个驻波节点位置DA，并计算Imin=|DT-DA|，应用公式求出阻抗值。
（7）利用滑动单螺旋调配器调配晶体检波器，使驻波比小于：
实际测量中常采用逐步减小驻波比方法。
移动调配器位置，用测量线分别跟踪驻波腹点〔或波节点〕，直至螺钉在某一位置时，驻波腹点有下降、而波节点有上升趋势。
反复调整螺钉穿深度，用测量线跟踪驻波大小，直至驻波比小与1.05。
需要注意的是，在每次调配过程中，驻波的相位也会随着改变。
因此，每当用测量线观察波腹点和波节点电平时，要移动探针位置，使其真正位于波节点和波腹点
六数据分析
a.通过测量两相邻的电压最小值之间的距离，以测出传输线中的波长，为了减小实验误差，我们连续测出了四个电压最小值点，求其平均值：
电压最小值（uv）
25
24
24
探针所在位置（mm）
83
相邻探针距离（mm）
--
25
所以相邻电压最小值间的距离为x=〔〕
波导波长为：
b.测量得到驻波比。
uV
45
45
45
45
uV
25
24
24
平均驻波比为：
c.利用交叉度数法测出左侧第一个驻波节点位置，并计算出，应用公式就可求出阻抗值。
测得左侧第一个驻波节点位置为,
则
l
总结用单螺调配器的调配步骤：
调配的时候首先找到波节点和波腹点，调节调配器位置，保证波节点上升，波腹点下降，然后微调螺钉深度，逐渐实现匹配。
过程中保证调整要精确要缓慢，以免过调。
六误差分析
本次实验操作起来并不难，但是还是有误差存在，但是误差也是在允许的范围内。
可以说实验的现象有效合理。
主要的原因有三个：
1、实验因素：
指针会有轻微波动，给读数造成误差，计算公式均为理想传输线条件下的理论公式，与实际必然存在误差。
2、环境因数：
仪器的干扰，有的设备不太灵敏，我们有时会找两个一样的设备进行试验测数发现也会不一样，这跟仪器自身有关。
3、人为因素：
我们的操作是一起配合的进行，所以读数的时候难免会有误差，加之指针有时不稳，也会给数据增加误差。
在今后的实验中，我们需要考虑到误差的来源，虽然不能够完全消除误差，但是我们要尽量减小误差的影响，这样我们的实验数据就会接近理论值，实验才会做的很成功。
七思考题
（1）匹配元件应连接在测量系统中的什么地方？
为什么？
接在测量线末端，匹配元件会吸收全部的入射功率，后面不能连接其他元器件，否则不能正常工作。
（2）通过实验，请总结匹配技巧。
在调节匹配过程中，先移动测量线探针找到并记下波节点位置，然后继续调节测量线找到波腹点，此时调节调配器位置，驻波波腹点有所下降，波节点有所上升，直至波节点和波腹点相差不大时，调节螺钉深度，同时用测量线跟踪驻波大小，直至实现匹配。
调节的过程中，注意跟踪波节点〔或波腹点〕的位置。
调节的时候保证螺钉穿透深度是微调，另外一个是粗调，不要调节过大，以免适得其反。
（3）在各项测量中，通常采用驻波图形的波节点作为基准进行测量，是否可以采用波腹点做基准测量？
为什么？
可以采用波腹点做基准测量。
因为驻波的波节点与波腹点接连出现，相邻波节点与相邻波腹点之间距离相等，所以采用波节点和波腹点为基准想等价。
一般实验中，波节点相比于波腹点更稳定更易观察到。
八实验总结
本次试验最后一步调节匹配阻抗是最大的难点，很大程度上依赖于方法和耐心，最开始调节的时候没有完全掌握方法，一味盲目的去试，导致偏差越来越大，没有减小的趋势。
后来经过我们小组讨论，请教其他组员，改变了调节的方法，从右边向左边一点点的调节，先粗调，发现过了某一个点，会出现反相变大的现象，这时我们选择用微调节，发现很有用效果，最后记录的数据和实验要求的只有很小的差距，我们都欢欣鼓舞。
依靠耐心我们又调整了一下参数，最后终于得到了理想的结论。
本次试验中，最大的收获是实验需要耐心和细心，不能盲目考虑速度，这样反而适得其反。
虽然结束时已经很晚了，但是我们小组还是很完满的完成了这个实验，感觉到累却快乐着。
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