1、大连理工大学实验预习报告 姓名： 牛玉博 班级： 电通 1202 学号 ： 201201203 实验四 输入阻抗测量及匹配技术 一、 实验目的与要求 1. 应用阻抗圆图，根据测得的数据求任意负载的输入阻抗； 2. 了解调匹配的基本原理和方法 ， 加深对匹配意义的认识 ； 3. 掌握常用调匹配器的使用方法和调配技巧 。 二、 实验内容与原理 1. 实验内容 1) 求任意负载的输入阻抗； 2) 用不同形式的匹配器进行匹配的使用方法和调配技巧 。 2. 实验原理 1) 阻抗测量的基本原理 输入阻抗是微波元器件或天线系统的主要参数之一 ， 所以阻抗测量就显得尤其重要 。 本实验旨在学习用驻波测量线测量
2、单端口微波元件输入阻抗的方法 。 根据传输线理论 ， 微波传输系统中驻波分布与终端负载阻抗有关系 。 表征驻波特性的两个参量 ， 驻波比 及香味 与负载阻抗的关系如下 ： = 1tan()tan()（ 4-1） 式中 为归一化负载阻抗 ， 即单端口微波元件的输入阻抗 ， 为驻波比， 为终端负载至相邻驻波点的距离 ， 参见图 4-1 图 4-1 终端负载至相邻驻波节点的距离 在测量线的输出端接上待测元件 ， 分别测量驻波比 、 波导波长 及距离 ，并将测得的数据带入式 （ 4-1） 中 ， 或者根据阻抗 （ 或到哪 ） 圆图就可以计算出待测元件的输入阻抗 （ 或输入导纳 ）。 在测量 时 ， 由
3、于测量线结构的限制 ， 直接测量待测元件的输入端面到相邻驻波节点的距离有困难 ， 所以 ， 在实际测量中常采用 “ 等效截面法 ” 进行测量 。 首先让测量线短路 ， 沿线的驻波分布如图 4-2（ a） 所示 ， 移动测量线探针于测得的某一驻波点上 ， 该点位置记为 ，该点与终端距离应为半波长的整数倍，即 n = 2 （ n=1， 2， 3 ）此位置就是待测元件输入端面在测量线上的等效位置 T。 图 4-2 等效 截面法示意图 当测量线终端换接待测元件做负载时，系统的驻波分布如图 4-2（ b） 所示 ，用测量线测得 左边 （ 向波源方向 ） 的 相邻驻波节点的位置 ， 即为终端相邻驻波节点的
4、等效位置 ， 即 ： = | |。 由公式 （ 4-1） 便可计算出待测元件的输入阻抗 。 为了工程设计的方便 ， 通常采用阻抗圆图来进行求解 。 2) 匹配技术 匹配是微波技术中的一个重要概念 ， 通常包含两方面的含义 ： 一是微波源的匹配 ， 而是负载的匹配 。 是系统的传输功率最大并能减小传输线的损耗等等 。 从测量角度来说 ， 良好的匹配能够减小频率牵引所带来的影响 。 因此 ， 熟悉 、 掌握调匹配的原理和调匹配的技巧 ， 对分析和解决微波技术中的实际问题具有十分重要 的意义。调匹配的方法有很多，可根据不同的场合需要灵活选用。 对于固定的负载 ， 通常采用在系统中接入隔离器 、膜片、
5、销钉、谐振窗等方法以达到匹配的目的；而对于变动的负载，可以采用接入滑动单螺钉、多螺钉及单短截线等各种类型的匹配器的方法达到匹配的目的。本实验是利用单螺钉及多螺钉匹配器来调匹配喇叭天线。 调配过程从物理意义上来说 ， 就是调节调配器使它产生一个反射波 ， 其幅度和 “失配元件”所产生的反射波幅值相等，相位相反，从而抵消“失配元件”在系统中引起的反射。 (1) 单螺钉匹配器 图 4-3（ a）为单螺钉匹配器的结构示意图。 它是插入在矩形波导中的一个穿深度可以调节的螺钉 ， 并可沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝做纵向移动 。 其匹配原理 用图 4-3（ b） 来说明 。 图 4-3 匹配原理图 假设系
6、统终端导纳 处在圆图 A点的位置上，当参考面从负载向波源移动时，传输线输入导纳由 A点沿等 圆顺时针方向移动，到达位置 BB面时（与 g=1 的圆相交 ）， 输入导纳 = 1 ， 电纳为感性的 。 又因为波导宽壁插入一个直径 d ， 出入深度 t 4 的螺钉时 ， 等效于在传输线上并联一容性电纳 ， 改变螺钉深度 ， 即能改变容性电纳值 jb;因而 BB截面上总的归一导纳为 = + = 1 +。 若调节螺钉深度 t， 至 b = b时 ， 则 =1， 圆图上 BB面的导纳逐渐移动到 0点、及匹配点，从而使系统达到匹配。 (2) 三螺钉匹配器 为了达到匹配 ， 必须使 CC面向负载看总输入归一化
7、导纳 Y=1 ， 故必须使CC 面右方向负载看的输入导纳 Y 位于 g=1， 导纳为感性的半个单位圆上 ， 同时 ，必须使 BB面左右向负载看的输入导纳 YB 位于 “ 辅助半圆 ” 上 （ 如图中虚线所示 ） 三螺钉匹配器是在矩形波导宽壁中心处 ， 由三个彼此相距为 /4（或者 /8）、相对位置固定、穿深度可以调整的螺钉组成的，其等效电路如图 4-4（ a） 所示 。 其匹配原理简单说明如下 ： 首先简单介绍一下双螺钉匹配器 （ 即利用螺钉 B、C）的调匹配过程，图 4-4（ b）。 图 4-4 三螺钉匹配器及调匹配原理示意图 为了达到匹配 ， 必须使 CC面向负载方向看，其总的输入归一化导
8、纳 Y = 1；这样 ， 就必须使 CC 面右方向向负载看的输入导纳 Y位于 g=1、 电纳为感性的半个单位圆上 ； 同时 ， 还必须使 BB面左方向向负载看的输入导纳 Y 位于 “ 辅助半圆 ” 上 （ 如图中虚线所示 ）。 依据上述结论 ， 假设 BB面右方向向负载看的负载输入导纳 Y 位于导纳图中的 A点上（注意： Y 与负载导纳 Y 不同 ， 彼此相距 0/）。 但是 ， 并非所有的有损耗负载都能利用双螺旋进行匹配 ， 实际上 Y所对应的A点如果落在圆图的阴影区中，因为无法通过改变 jbB 来使的 Y 的对应点 B落在“辅助半圆上”，所以也就无法对这种负载进行匹配，这里我们把阴影区成为
9、：“匹配盲区”。 如果利用螺钉 D构成三螺钉匹配器，就能克服上述缺点。 当 Y对应的 A 点落在“匹配盲区”中，这时利用 jbC 和 jbD （ 注意 ： 不用 jbB ） 组成另外一个双螺钉调配器 ； 因为 BB面对应的 A 点落在“匹配盲区”中 ，经过长度为 /4 的均匀传输线变换到 CC面右方时，其输入导纳 Y的对应点事 A点，将沿 圆旋转 180，所以 Y的对应点就肯定不会落在 “ 匹配盲区 ” 内 ，利用由 jbC 和 jbD 组成的双螺调配器一定能匹配负载 。 调配方法 ： 以上只是从阻抗调配图上说明了单螺 （ 或者三螺 ） 匹配器的调配原理 。 在实际工作中 ， 常常采用逐步减小
10、驻波比的方法 ， 即先将测量线的探针置于波节 （ 或波腹 ）的位置上，通过调整匹配器可观测到电流表的指针读数增大（若探针位于波腹时指针读数减小）。就说明调配活塞或螺钉移动方向正确，反复调整相应位置上的单螺位置及螺钉的穿深度，直到达到所要求的驻波比。但要必须注意的是：每次的调配都会改变驻波比的相位，因此每当用测量线观察波节（或波腹）电平时，要移动探针位置使之位于真正的波节（或波腹）点上。 (3) 用滑动单螺调配器 调配晶体检波器 ， 使驻波比小于 1.05。 不改变晶体检波器工作状态 ， 将滑动单螺调配器接于测量线和晶体器之间 ，单螺钉完全退出波导 ， 将所测数据记录 。 由滑动单螺调配器结 构
11、示意图所示 ， l = (n2 ) +（ n=0,1,2,3），估算调配螺钉应离开终端负载的大约距离 l ， 记录数据与表 ， 并调节螺钉于此位置 。 缓慢调节螺钉穿深度 ， 并微调螺钉位置 ， 用测量线跟踪驻波节点 ， 使电表指示读数逐步增加 ， 在用测量线跟踪驻波腹点 ， 使指示电表读数逐步下降 ， 反复数次 ， 直至驻波比 1.05。测量螺钉与终端实际距离 l，读取螺钉穿伸度 t，将数据记于上表。 不用圆图 ， 直接用单螺钉配晶体检波器 ， 调配器单螺钉穿深度置于 12mm，移动其位置 ， 并用测量线分别跟踪驻波腹点与节点 ， 直至螺钉在某一位置时 ， 驻波腹点有下降 ， 驻波节点有上升
12、趋势 。这时，反复调整螺钉穿深度，并微调位置，用测量线跟踪驻波大小，直至驻波比 1.05。测量螺钉离开终端负载的距离 l及螺钉穿伸度 t，将数据记于表 4-1， 并与前面测得的 l， t比较 。 三、 实验主要仪器设备 1. X 波段信号源（ DH 1121B） 2. 1kHz 选频放大器 （ DH 388A0） 3. 驻波测量线 （ TC26） 4. 可变衰减器 （ BD-20-2） 5. 直读式频率计（ BD1/035A） 6. 精密衰减器 （ TS 7） 7. 单螺调配器 等 四、 实验步骤及操作方法 1. 系统调整 图 4-5 驻波比测量系统框图 按照图 4-5接好实验系统 ， 测量线
13、终端接短路板 ； 打开电源开关预热仪器 ，并使信号源和电流表指针处于正常状态 。 调谐测量线探头 ， 使测量线处于最佳工作状态 。 用直读式频率计测定工作频率 f。 交叉读书法测量波导波长 ， 并确定某一波节点位置 （ 通常取测量线中间段的波节位置能保证精度 ）。 2. 测量 H面扇形喇叭的输入阻抗 取下短路板 、 接上 H面扇形喇叭天线，测出 左边 （ 信号源与 之间 ） 的第一个驻波最小点位置 ， 记为 ， 并计算 ： = | | 用直接法或功率衰减法测出喇叭天线的驻波比 。 由测得的 、 和 值便可以在阻抗圆图上找出负载归一化的输入阻抗值 。 因为在驻波电压的最大值 、 最小值处均为纯电
14、阻性的阻抗值 ， 而且阻抗圆图实轴上的 r 值也表示了 值 ， 所以可以在圆图上找到 r值等于 值的点 A（ 如 =2时 ）， 通过 A点画出 =2的圆 ， 此圆与实轴相交于 B 点，从 B点开始向反时针方向转（转向负载的方向） /的角度，在外圆上得到 D 点，再由 D点与圆心固态 信号源 速调管 电源 速调管 管座 可变衰减器 频 率 计 精密 衰减器 测量线 指示器 连一条直线，该直线与等 圆相交于 C点，若在圆图上的 C 点的 r， x值分别 设为r1， x1， 则负载归一化的输入阻抗为 ： z=r1-jx1。 3. 利用三螺钉匹配器调配 H面扇形喇叭天线 将三螺钉匹配器接入测量线和喇叭天线之间 ， 三个调配螺钉完全退出波导（ 与波导内壁位于同一平面 ）。 确定调配螺钉应离开终端负载的距离 ， 大约为 1。 调匹配 ： 照前面的调匹配方法缓慢的调节螺钉的深度 ， 同时用测量线跟踪驻波腹点 （ 电表指示数下降 ）， 接着跟踪驻波节点 （ 电表指示数的上升 ）， 这样反复几次 ， 直到驻波比 1.05，并记录数据 和 。 4. 在圆图上画出调匹配过程的示意图。
