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微波工程基础实验
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：
（1）
式中为传输线的特性阻抗,为传输线终端负载的反射系数的模数，为它的相角， 与驻波比 的关系由（2）式给出。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：
（2）
（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

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）。在测量线中用交叉读数法测得一波节点，该点即为所需的等效负载参考面，以AA表示。以待测负载换短路片，在测量线中用交叉读数找到离参考面AA向波源方向（或向负载方向）的最近一个驻波节点的位置，此驻波节点与参考面之间的距离即是dmin，测得驻波比及距离dmin后，即可用（1）式计算出待测件归一化阻抗值，也可用阻抗（或导纳）圆图进行计算。

图三为导纳圆图，驻波节点截面处的导纳为纯电导，其电导值是以0为圆心,为半径作一等驻波系数圆，该圆与纯电导轴00′交于点①，由①点沿等圆逆时针（由信号源→负载方向）转过个波长数得A点，点A的读数即为待测元件的归一化导纳YL，连接A 0并延长交等圆于 B点，B点的读数即为归一化阻抗ZL。

2．膜片电纳的测量
在波导中垂直放置如图四所示的薄铜片（称为膜片）。理论分析证明：当膜片厚度 t满足时，（是铜的趋肤深度），它的等效电路为一并联导纳：Y=G+jB 。(a)图所示膜片有电容作用，故称电容膜片。（b）图所示膜片有电感作用，故称电感膜片。由于膜片的损耗极小，通常把它们的电导分量G忽略。膜片的电纳量计算比较复杂，所以往往利用实验方法测定。

匹配负载法测膜片的电纳：
在膜片后面接上匹配负载(如图五所示)，这是从膜片左面向终端看去的输入导纳为Y=1+jB，只须根据上述1.中测量终端阻抗原理，测量出Yin ，因而也测出膜片的归一化电纳值j B。其准确度决定了匹配负载的匹配程度。

三．阻抗匹配

匹配是微波技术中的一个重要概念，通常包含两个方面的意义：一是微波源的匹配，二是负载的匹配。在小功率时，构成微波源匹配最简单的方法是在信号源的输出端口接一个衰减量足够大的隔离器，使负载反射的波通过衰减进入到信号源后的二次反射已微不足道，可以忽略。而负载匹配，则是要解决如何消除负载反射的问题。因此熟悉掌握匹配的原理和有关技巧，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。
阻抗匹配技术不仅广泛地应用在微波设备的传输系统中，用于获得良好的工作性能及传输效率，而且对于微波测量也十分重要。测量系统匹配的好坏，直接关系到测量数据的准确度，在精密测量中，往往对阻抗匹配提出了很高的要求。由公式 可知，当 即阻抗失配时，就会产生反射。匹配的基本原理是利用调配器产生反射，并使此反射和待测部件所产生的反射互相抵消。通常所用的调配器本身是电抗性元件，理想情况下它只产生反射而没有损耗。在波导系统中阻抗匹配的装置和方法很多，可以根据不同的场合和要求灵活选用，如螺钉调配器（单螺钉或多螺钉）、EH阻抗调配器、阶梯阻抗匹配器等。我们常用的有单螺钉调配器和EH阻抗调配器。
1.螺钉调配器
在波导的宽边中心伸入一个或数个金属螺钉（或梢杆），便构成螺钉调配器，利用螺钉产生适当的电纳达到匹配的目的，当螺钉稍伸入波导时，它的作用相当于在波导传输线上并联一个正电纳（为容性的），电纳的大小随伸入深度而增加，当伸入深度达到谐振位置时，电纳由正值变为负值（呈现感性），其谐振位置取决于螺钉的粗细、伸入深度及波导高度。实际使用时，螺钉作为正电纳并联在波导传输线中。也即其伸入深度不超过谐振位置。应用较多的是在波导宽边正中央开有槽缝的，螺钉可沿槽缝移动的可调单螺匹配器。三螺钉、四螺钉匹配器应用也较广，它们的匹配范围很宽，四螺钉调配器使用方便，可以从最靠近待匹配元件的那个螺钉调起，用逐次调小驻波的方法迅速得到匹配（可做到 ）。

EH阻抗调配器由双T接头（E-T 接头和H-T接头）构成，在接头处的E臂和H 臂均接有短路活塞，改变短路活塞在臂中的位置，也即改变在接头处的电抗值，就可以使系统很好地匹配。其结构与等效电路如图六所示。由于这种调配器不影响系统中功率传输，可以用在高功率系统中，尤其在毫米波段更具有优越性，能在较宽的频带范围内匹配较大范围的驻波。
在负载驻波比不大时，可先调E臂活塞，使驻波减至最小，然后再调H臂活塞，就可达到匹配。如果驻波较大则需反复调E臂和H臂活塞，才能将负载驻波调至最小。

三、实验仪器及装置图

微波信号源 选频放大器 测量线

匹配负载 单螺调配器 衰减器 EH调配器

实验装置图

（一）

（二）

四、实验内容

1． 调整信号源和测量线。
2． 使用单螺调配器调波源匹配，使 接近于1.03 。
3． 用匹配负载法（匹配负载加膜片作为待测负载）测电容膜片及电感膜片的归一化并联电纳（先阻抗测量），并用导纳圆图计算。
4． 用E-H调配器匹配一驻波比不太大的待测负载（匹配负载加上容性膜片），使匹配后的驻波比小于1.05 。(提示：调配前先把E臂、H臂旋到最外端)

五．思考题
1． 测量微波元件阻抗时，为什么首先在测量线上确定“等效负载参考面”？
2． 测量dmin时,为什么一定要知道节点的移动方向？
3． 测量膜片的电纳时，膜片后面为什么一定要接匹配负载或短路活塞？如果不接，测出的电纳是否正确？为什么？
4． EH调配器能否适用于宽频带调配？为什么？
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