南京大学 微波测量实验 实验四.docx
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南京大学微波测量实验实验四
实验四衰减测量——定向耦合器参数测量
121180166赵琛
一、实验目的
1、熟练掌握用平方律检波法与高频替代法测量衰减量的技术
2、了解定向耦合器的参数及其测量方法
二、实验原理
1、参看序言1.3.3电源方向驻波系数测量以及1.4衰减测量的有关部分。
参阅讲义第四部分YM1124单频点信号发生器、YM3892/YM3892A选频放大器使用说明。
测试框图：
2、定向耦合器是一种很有用的微波元件，它具有一定方向耦合电测能量的特性，因此可用作精密分功率器，微波反射计等。
在功率监视、大功率设备中不可或缺。
定向耦合器种类很多，试验中所用的定向耦合器结构如下：
能量从主波导输入端输入，其中一部分到达主波导输入端，另一部分通过耦合机构到辅波导。
辅波导中正向传输能量又辅波导输出端输出；反向传输能量由于定向性相互抵消，剩余部分为终端负载吸收。
定向耦合器主要参数有：
（1）耦合系数也称过度衰减，表示能量从主波导耦合到辅波导的大小。
表示主波导输入能量，
为耦合到辅波导输出端能量，则用分贝表示的耦合系数C定义为：
（dB）
（2）方向性系数，也称为方向性，表示定向性能的好坏，如图中叨叨辅波导反向端能量
，定向性越好，用分贝表示的方向性系数D定义为：
（dB）
（3）输入驻波系数，为主、辅波导输出端均接匹配负载时，输入端的驻波系数。
（4）频带宽度，为耦合度、方向性及输入驻波系数都满足技术指标要求时的工作频带宽度。
三、实验要求及步骤
以定向耦合器为被测器件，用衰减测量的两种主要方法（平方律检波法以及高频替代法）测出其耦合系数和方向性系数。
1、测试系统调节
（1）打开信号源，测量放大器，调整好衰减器（衰减量最小），测量线以及测量放大器。
（2）在测量线后接可移短路器，用“可移动短路活塞法”测出电源方向驻波系数。
（3）将带有调配螺钉的晶体检波器直接接在测量线后，利用调配螺钉将驻波系数调制ρ<1.05。
晶体检波器调配时，需先调后面活塞使得输出最大，然后再利用调配螺钉，用测量线跟踪驻波最小点（或最大点）的方法进行调配。
2、利用两种方法测量定向耦合器耦合系数。
具体测试步骤：
（1）利用平方律检波法及高频替代法测量定向耦合器的耦合系数。
（a）将调配好的（ρ<1.05）的晶体检波器直接接在测量线后面,测量主波导输入能量Pi。
平方律检波法：
衰减器调制0，利用选频放大器，测量出主波导输入能量Pi。
高频替代法：
将衰减器调制较大衰减Ai的位置，测量出此时主波导输入能量Pi，作为基准电平U1；
（b）首先确定定向耦合器主、辅波导方向，然后将定向耦合器接在测量线之后，晶体检波器接在辅波导之后。
平方律检波法：
衰减器调至0，利用选频放大器，测量出辅波导输出能量
。
根据耦合系数定义：
（dB）
高频替代法：
减小衰减器的衰减量至
，使得辅波导输出能量等于基准电平U1。
此时测量的Ai，
均为衰减器的刻度，必须利用校准曲线得到对应衰减量再相减。
耦合系数：
C=
（2）利用平方律检波法及高频替代法测量定向耦合器的方向系数。
高频替代法：
将衰减器调至较大衰减量
的位置，测量此时辅波导输出能量
，作为基准电平U2；
（c）调换定向耦合器主波导输入输出口，测量辅波导输出能量
，利用定向耦合器互易特性进行方向性测量。
平方律检波法：
衰减器调至0，利用选频放大器，测量出辅波导输出能量
。
根据方向系数定义：
（dB）
高频替代法：
减小衰减器衰减量至
，使得辅波导输出能量等于基准电平U2
方向系数：
D=
四、实验数据与分析
1测试系统调节
可移动短路活塞法测电源方向驻波系数：
位置/mm
12
14
16
18
20
22
示数
260
420
640
640
420
280
位置/mm
24
26
28
30
32
示数
200
180
160
180
200
由列表可见，
分析：
从数据来看，周期大概在22mm左右，恰好约为半个波长。
经过晶体检波器调配：
，符合要求。
2定向耦合器参数测量：
所使用衰减器为9509型号。
（1）耦合系数测量：
平方律检波法：
Pi=160选频放大器放大10dB
=220选频放大器放大30dB
由耦合系数定义，
高频替代法：
U1=440放大40dB
对于输入：
衰减器在10mm，衰减量
对于输出：
衰减器在5.74mm，衰减量
C=
=28.5-6.5=22dB
分析：
由数据可见，两种测量方法衰减量测试有一定误差。
误差原因在于：
1由于放大器的原因，导致在测试时候为了保证均不超出量程，示数没有超过50%，影响了读数准确性，会带来一定的误差。
2由于ρ本身不是完全等于1，从而测量至少有2%的误差，并且由于实际随着测量的进行，晶体检波器的状态很可能接着发生变化，从而误差会继续增大。
3探头部分可能出现一定的损耗引起了误差。
4在实验过程中，搬动仪器的时候，会引起晶体检波器变化。
这个仪器非常脆弱，稍微碰到都会使得可能ρ变大，因此会出现问题。
（2）方向系数测量
高频替代法：
衰减器示数10mm，衰减量
基准电平U2：
放大器示数380，此时放大器放大60dB
调换主波导输入输出后：
衰减器示数5.03mm衰减量
=4.3dB，此时放大器示数也为440，放大器放大60dB
方向系数D=
=28.8-4.3=24.5dB
平方律检波法：
由
（1）
=220放大30dB
调换位置后，
=80放大50dB
=10
+（50-30）=24.4dB
分析：
从数据来看，使用两种方法测得的方向系数非常接近，可以认为误差很小，接近准确值。
五、思考题
1为什么测量衰减时必须对晶体检波器进行调配？
你认为怎样调配晶体检波器才能又快又好？
答：
衰减量定义时要求电源方向和负载方向都匹配，因此对于晶体检波器，应该尽可能减少反射，减少损耗，提高测量精度。
对于实验要求驻波系数小于1.05，也就是说在不考虑其他情况下误差已经达到了5%，所以可以看到调配检波器的重要性。
调配方法：
在调节时候，首先调节检波器尾部活塞，使得输出指示最大，然后利用调配螺钉微调。
与此同时，调节测量线，使得探针在驻波最大值处，分别调节三个调配螺钉，每次转动小角度，使放大器指示减少，跟踪最大点，计算驻波比，观察放大器摆幅，使其越来越少。
调配策略：
让示数最小值越来越大，示数最大值越来越小。
在实际操作中，先调整一，如果调反，返回原值，再调另一个。
2测量辅波导输出功率时，为什么主波导后面一定要接上匹配负载？
若负载端失配，对方向性测量会产生极大影响，为什么？
答：
负载是否匹配直接关系到测量准确性好坏。
，这样可以减少反射和损耗。
对于功率匹配，阻抗匹配非常重要，因此一定要匹配阻抗。
由公式
可得，
，
，此时会产生反射，阻抗失配，从而对驻波场产生影响，驻波系数也发生变化。
辅波导输出反向传输能量无法抵消，从而影响辅波导输出
，从而影响方向系数D的测量。
3分析试验中用二种方法，你认为引起误差原因是什么？
应如何减小测量误差？
答：
误差产生的原因有功率头失配、功率头损耗、电源失配、辅助电路影响等因素。
这两种方法都会受到这些因素的影响。
对于功率头失配，应该加以调配或者公式修正；对于功率头损耗，应测出功率头效率，修正测量结果；对电源失配，应调配并计算误差项；对辅助电路影响，应改进电路。
平方律检波法：
测量范围受到检波系统噪声电平和晶体检波器平方律特性上限电平的影响。
晶体二极管检波电流和探针场强的平方律关系仅在小信号成立。
为了取得较高测量精确度，必须分别对电源系统、检波系统进行调配。
高频替代法：
应用了可变衰减器作为待测器件的替代标准，避免了晶体检波律和测量放大器非线性的影响，可用来测大衰减量。
测量精度主要取决于标准衰减器范围、精度和系统匹配情况，因而精度高于平方律检波器。
六、实验总结
本次实验的难点主要在于调节调配螺钉的使用，三个调配螺钉同时进行调节，非常麻烦。
在开始我没有掌握调配螺钉使用的技巧，导致花了大量时间却没有收获；在老师指导之后我才掌握了调配技巧，很快调了出来。
在微波测量实验中，一定要有耐心做实验，才能取得更好的结果。
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