微波实验二传输线上的波的测量与阻抗匹配教材

电磁场与微波测量实验报告实验五阻抗测量及匹配技术实验题目：电磁场与微波测量实验学院：电子工程学院班级：20132112xx撰写人：xx组内成员：xxxx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、掌握用网络分析仪测量阻抗及调匹配的方法。

二、实验内容1、测量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Z L，并应用单螺调配器对其进行调匹配，使驻波系数ρ<。

三、实验设备1、DH1121C型微波信号源：该信号源可在等幅波、窄带扫频、内方波调制方式下工作，并具有外调制功能。

在教学方式下，可实时显示体效应管的工作电压和电流关系。

仪器输出功率大，以数字形式直接显示工作频率，性能稳定可靠。

DH1121C型微波信号源的部分组件名称和简要介绍如下：2、波导测量线实验系统：本系统是微波参数实验系统，它是由三公分微波波导元件组成，该系统主要功能可使学生通过实验学习并掌握以下基本知识：〔1〕学习各种微波器件的使用和测量方法；〔2〕了解微波在波导中的工作状态及传输特性；〔3〕了解微波传输线场型特性；〔4〕学习驻波、衰减、波长〔频率〕和功率的测量；〔5〕学习测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。

波导测量线实验系统的部分组件名称和简要介绍如下：3、单螺钉调配器：负载和传输系统的匹配，就是要消除负载的反射，实际上，调匹配的过程就是调节调配器，使之产生一个反射波，其幅度和“失配元件”产生的反射波幅度相等、相位相反，从微波电路的角度，调配器起到了阻抗变换的作用。

调配器使不匹配的元件，经变换器变化到传输线的特性阻抗，从而到达匹配目的。

单螺调配器即在波导宽屏伸入一个金属螺钉，螺钉的作用是引入一个并联在传输线上的适当大小的电纳，当螺钉伸入较少时，相当于在波导传输线上并联了一个正的容性电纳，它的大小随着深度的增加而增加。

实验一三厘米波导测量系统一、系统结构框图图1-1 三厘米波导测量系统备注：三厘米隔离器用在精密测量中，而在一般测量中可以不加，因为在YM1123中有一个隔离器。

本章后续的六个实验均是基于该结构展开的，下面将对结构中的仪器进行一一介绍。

二、仪器、器件介绍本套系统主要用于测量微波在波导中传输时的一些基本参数，如波导波长、反射系数、阻抗及功率等。

主要用到的仪器为：YM1123微波信号发生器、波导测量线、小功率计、频率计、选频放大器、波导功率探头以及各种波导元件。

下面分别进行介绍：（一）YM1123微波信号发生器YM1123微波信号发生器是一款固态信号源，主要基于某些半导体材料（如砷化镓）的体效应来实现振荡的，具有功率大、稳定可靠等特性。

整体结构由高频部分、调制器部分、功率显示部分（对100uW的功率作相对指示）、频率显示部分及衰减显示部分、工作状态控制部分、电源部分六大件组成，其中高频部分负责产生7.5GH z～12.4GHz的微波信号，调制部分负责产生一系列脉冲信号，采用PIN调制器来实现微波信号的脉冲幅度调制。

其面板调节控制机构如下所示：1. 面板调节控制机构（1）电源开关位置。

（2）工作状态开关：按移动键可改变工作状态，指示灯也相应改变。

工作状态有：等幅（=，用于测量校准衰减器在100uW时0dB定标）、内调制（分方波和脉冲两种）、外调制（外输入脉冲信号，具有极性变换功能）及外整步。

（3）“调谐”旋钮调节可改变输出频率。

（4）“调零”旋钮调节可改变电表电气调零。

（5）“衰减调节”旋钮可控制输出功率大小。

反时针调节，信号输出增大，衰减显示减小；顺时针调节，信号输出减小，衰减显示增大。

（6）“衰减调零”为100uW基准0dB校准。

（7）“×1、×10”开关：调制信号重复频率开关。

（8）“重复频率”旋钮调节可改变调制信号重复频率。

（9）“脉宽”旋钮调节可改变调制信号脉冲宽度。

（10）“延迟”旋钮调节可改变调制信号脉冲延迟时间。

实验二射频传输线与开路传输线上的波1．实验目的(1) 了解传输线的基本原理和测量方法。

(2) 用频谱分析仪测量传输线上电磁波的波长。

(3) 通过对硬件电路的测试，使学生能随传输线的特性产生感性认识。

2．实验内容利用驻波法测量接开路负载传输线上的波长，观察波腹，波节，计算驻波比。

3．实验设备开槽传输线模块、AT5011频谱分析仪、电场探头、开路器、BNC连接线等4．实验步骤(1)．按图2-1连接好实验装置。

图2-1 设备连接图(2)．微带传输线模块测量端接开路负载。

(3)．把AT5010设置为最大衰减量（40dB 衰减器全部按下）和0扫频状态（zero scan ），按下跟踪发生器的按键，旋转中心频率的按钮，使跟踪发生器输出一个单一频率为800MHz 的信号，一旦开始测量，不能再改变跟踪发生器的输出衰减。

(4). 打开电场探头的开关，进行驻波分布曲线测试，即逐次移动探头。

当频谱分析仪上显示功率幅度为最大值和最小值即波幅点和波节点时，依次记录探头位置刻度读数D 1 ~D 6和频谱分析仪读数P 1 ~P 6，必要时可调节频谱分析仪的衰减量，注意此时功率的读数必须加上频谱分析仪的衰减量才是信号的真正幅度。

(5). 实验记录及数据处理，实验结果录入下表在实际测量中，由于波腹点附近场强变化缓慢，波腹位置不易准确测出，故一般采用波节点位置来计算波长。

因此由公式或可计算出开路情况下的波长为 。

由公式得：从而可求出开路情况下的电压驻波比为： 。

5．实验报告要求(1)．实验目的、内容、步骤及装置图。

(2)．实验结果记录，及微带传输线开路时的波长及电压驻波比。

实验二微带传输线实验一实验目的1.了解微带传输线的基本理论和特性。

2.掌握用网络分析仪测量微带传输线接不同负载时工作参量的值。

3.通过测量认知1/4波长传输线阻抗变换特性。

二实验原理1.微带传输线的基本原理微带线目前是混合微波集成电路和单片微波集成电路使用最多的一种平面型传输线。

它可用作光刻程序制作，且容易与其它无源微波电路和有源微波电路器件集成，实现微波部件和系统的集成化。

微带线可以看作是由双导线传输线演变而成的，如图2—1所示。

在两根导线之间插入极薄的理想导体平板，它并不影响原来的场分布，而去掉板下的一根导线，并将留下的另一根导线“压扁”，即构成了微带传输线。

实际的微带线结构如图2-1所示。

导体带（其宽度为的厚度为力和接地板均由导电良好的金属材料（如银，铜，金）构成，导体带与接地板之间填充以介质基片，导体带与接地板的间距为h o有时为了能使导体带，接地板与介质基片牢固地结合在一起，还要使用一些黏附性较好的铭，铝等材料。

介质基片应采用损耗小，黏附性,均匀性和热传导性较好的材料，并要求其介电常数随频率和温度的变化也较小。

图2—1双导线演变成微带线图2—2微带线的结构及其场分布2.微带线的技术参数2.1特性阻抗若微带线是被一种相对介电常数为名的均匀介质所完全包围着，并把准TEM模当作纯TEM模看待，并设£和C分别为微带线单位长度上的电感和电容，则特性阻抗为相速以为_1_Vovp"√Zc-X但实际上的微带线是含有介质和空气的混合介质系统，因此不能直接套用上面的公式求特性阻抗。

为了求出实际的微带线的特性阻抗Zc和相速度），而引入了等效相对介电常数的概念。

如果微带线的结构现状和尺寸不变，当它被单一的空气介质所包围着时，其分布电容为C。

实际微带线是由空气和相对介电常数为益的介质所填充，它的电容为G,那么，等效相对介电常数册的定义为这样，实际微带线的特性阻抗即可表示为Z ：为在同样形状和结构尺寸的情况下，填充介质全部是空气时微带线的特性阻抗我们假定已成形的导体的厚度t 与基片厚度h 相比可以忽略h(t/h<0.005)0这种情况下，我们能够利用只与线路尺寸(w 和h)和介电常数名有关的经验公式。

实验二 阻抗测量和匹配一．实验目的与意义微波元器件或天线系统的输入阻抗是微波工程中的重要参数，因此阻抗测量也是重要内容之一。

微波元件的特性，有时是通过对该元件一系列的阻抗测量来达到的。

例如微波双口网络散射参量的测量，阻抗法测量谐振腔的品质因数、传输线与天线的匹配技术，以及研究传输线的不均匀性等等，都用到阻抗测量技术。

二．实验原理和方法1、阻抗测量的基本原理：阻抗测量方法有多种，最常用的是驻波法和阻抗电桥法，本实验介绍驻波法。

根据传输线基本理论，归一化负载阻抗的电阻和电抗分量如下式所示： 222112cos 2sin 12cos RL ZC XL ZC φφφ-Γ=+Γ-ΓΓ=+Γ-Γ （1）式中ZC 为传输线的特性阻抗,Γ为传输线终端负载的反射系数Γ的模数，Φ为它的相角，Γ 与驻波比 ρ的关系由（2）式给出。

Φ与由负载算起的最近一个驻波电压节点的距离dmin 之间关系由（3）式给出： 11ρρ-Γ=+ （2） 4min 1d g πλ⎛⎫Φ=- ⎪⎝⎭（3）因此，用驻波法测阻抗归结为传输线中驻波比的测量和距负载最近一个电压驻波节点的测量。

关于驻波比的测量在实验一中已学习过，这里介绍一下d min 的测量。

dmin 是待测负载到最近的一个驻波电压节点之间的距离，由于测量线结构的限制，直接测量dmin 比较困难，因此，实际测量中常用“等效参考面法”。

如图一所示，待测负载接于测量线输出端 A ，测量线的槽开到B 处为止，该待测件的第一个驻波节点在C 点，探针不可能直接移到C 处，此时dmin = A C ，所以不可能直接测量。

而要采取等效负载参考面的方法，根据传输线原理，在传输线中相隔λg/2的整数倍的各点的阻抗是相同的。

因此，我们可以将负载虚拟移动若干个半波导波长，直移到槽线中的某一适当位置，这个位置即为所取的等效负载参考面。

在实验时它可以待测件Ｃ图 一这样得到，在测量线输出端以短路片代替待测负载，这时传输线内形成全反射的纯驻波（如图二a ）。

双导线传输线阻抗测量与阻抗匹配实验一、实验目的：熟悉双导线传输线上的三种工作状态；学会双导线测量与单枝节匹配。

二、实验内容：1、 观察双导线传输线接不同负载时传输线上工作状态。

2、 测量双导线传输线的负载阻抗。

3、 用单枝节对负载阻抗进行阻抗匹配。

三、实验设备：米波信号源、长线盒、驻波表、单枝节匹配器、天线、短路片、240Ω电阻。

四、实验步骤：1、 负载端短路（接短路片），从负载端开始，用驻波表每10CM 测一个值（测前先调节驻波表后面电位器，使驻波表沿线最大指示电流大约为80μA ，），共测12个点，填入下表：找两个相邻的电压波节点，利用支柱法测信号源波长：λ =（43Z +Z ）—（21Z +Z ）= 96 Cm短路点 1Z 2Z 3Z 4Z2、负载端开路，用驻波表测量驻波电压沿线分布，从开路端开始，用驻波表每10CM测一个值，共测12个点，填入下表：每10CM 测一个值，共测12个点，填入下表：4、负载端接天线，用驻波表测量最大电压max 与最小电压 min ，求出驻波系数： ρ= minmax=minmaxI I = 用圆图读出天线的负载阻抗L Z =方法：用驻波表从天线端开始，找到第一个电压波节点的位置，在长线盒上读出到天线的距离d min ，换算为电长度d min /λ，由电压波节点开始，向负载方向转d min /λ电长度，到A 点（天线）。

连接OA 与ρ圆交于L Z ~点，则：L Z =L Z ~0Z = （Ω=Z 2500）5、 单枝节对L Z 进行阻抗匹配：方法：在圆上找对应与L Z ~的导纳点L Y ~，延长L Z ~L Y ~连线与电长度圆交于1点，由L Y ~点向源方向转动，L Y ~与匹配圆（1~=G ）交于D 、E 两点，连接圆心与E 并延长到2点，1到2的电长度为d ~'，则枝节位置d=d ~'λ；过E 点得虚部+jB ，找与其对应的虚部—jB ，对应电长度点为3。