实验四 输入阻抗测量及匹配技术

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实验四 输入阻抗测量及匹配技术

一、实验目的和要求

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、实验内容和原理

1.实验内容

1)求任意负载的输入阻抗；

2)用不同形式的匹配阻抗器进行匹配的实际操作。 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，所以阻抗的测量就显得尤其重要。本实验旨在学习用驻波测量线测量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于终端负载阻抗有关系。表征驻波特性的两个参量，驻波比ρ及相位β𝐿min与负载阻抗的关系如下:

1−𝑗ρtan⁡(β𝐿min)̃𝑍= 𝐿

ρ−𝑗tan⁡(β𝐿min)

̃式中𝑍即单端口𝐿为归一化负载阻抗，

微波元器件的输入阻抗，ρ为驻波比，

𝐿min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

在测量的输出端接上待测元件，分别测量出驻波比ρ、波导波长𝜆𝑔及距离𝐿min带入上式中，或者根据阻抗或导纳圆图就可计算出待测元件的输入阻抗或导纳。

在测量𝐿min时实际中常采用等效截面法。

首先让测量线短路，沿线的驻波分布如图4-2(a)所示，移动测量线探针与

图4-2等效截面法示意图

测得的某一驻波点上，该点与终端距离应为半波长的整数倍，即n=𝜆𝑔/2，此位置就是待测元件输入端面在测量线上的等效位置T。

当测量线终端换接待测元件做负载时，系统驻波分布如图(b)所示，用测量线得d𝑇左边(向波源方向)的相邻驻波节点的位置𝑑min即为终端相邻驻波节点的等效位置，即：𝐿min=|𝑑min-d𝑇| 2)匹配技术

匹配通常包含两方面含义，一是微波源的匹配，二是负载的匹配。 对于微波传输系统来说，匹配工作状态具有很多优点，不一一列举。调匹配的方法有很多，可根据不同场合需要灵活选用。

本实验利用单螺钉及多螺钉调配器来调配喇叭天线。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)单螺钉适配器

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。

̃𝐿处在圆图A，当参考 假设系统终端导纳𝑌

面从负载向波源移动时，传输线输入导纳有A点沿着等𝜌⁡圆顺时针方向移动，到达BB面时

̃𝐵=1-jb，电纳感性。 (与g=1圆相交)，输入导纳𝑌

又因波导宽壁插入一个直径d<<𝜆𝑔，插入深度t<𝜆𝑔/4的螺钉是，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

′̃𝐵𝑌=Y𝐵+𝑗𝑏′=1−𝑗𝑏+𝑗𝑏′

′̃𝐵若调节螺钉深度t，至𝑏′=𝑏时，则𝑌=1，

圆图上BB面的导纳逐渐移动到O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导纳YC′=1,故必须使CC面右方向负载看的输入导纳YC′位于g=1，电纳为感性的半个单位圆上，同时必须使BB面做方向负载看的输入导纳YB′位于辅助半圆上(图中虚线)。

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𝜆𝑔/4(或者𝜆𝑔/8)、相对位置固定、穿深度可以调整的螺钉组成等效电路如图4-4所示。

⁡̃𝐵依照上述结论，假设BB面右方向向负载看的负载输入导纳𝑌位于导纳圆图

⁡̃𝐵̃𝐿⁡不同，彼此相距𝑙𝑜/𝜆𝑔)。 中的A点上(注意𝑌与负载导纳𝑌

′̃𝐵 第一步：调节并联容性电纳jbB′使得BB面左方向向负载看去的总导纳𝑌=

Y𝐵+𝑗𝑏𝐵′=𝑔−𝑗𝑏𝐵+𝑗𝑏𝐵′⁡的对于点B恰好位于辅助半圆上。

′′̃𝐵̃𝐶 第二步：将参考面从BB移至CC，相应的输入阻抗从𝑌变为𝑌、对应点从辅

助半圆上的B点移至g=1圆上的C点，恰好是沿着等驻波比旋转了180°，C点

⁡′̃𝐶̃𝐶所对应的𝑌就是CC面右方向向负载看的输入导纳；由于是在g=1圆上，所以𝑌=

1−jbC。

第三步：在调节并联容性电纳𝑗𝑏𝐶′，使bc′=bc；这时CC面左方向向负载看

′′̃𝐶̃𝐶的输入导纳为𝑌=1−jbC+jbC′=1由于𝑌的对应点是圆图中心匹配点O，因此

系统达到了匹配。

⁡̃𝐵 但并非所有的有损耗负载都能利用双螺钉进行调配，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′来改变Y𝐵’的对应点B落在辅助半圆上，所以无法对这种负载进行负载匹配，我们把阴影区称为匹配盲区。 利用三螺钉匹配器就能克服上述缺点。

⁡̃𝐵 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𝜆𝑔/4的均匀传输

⁡̃𝐶线变换到CC面右方时，其输入导纳𝑌的对应点是A点，将沿𝜌⁡圆旋转180°，所⁡̃𝐶以𝑌的对应点肯定不会在匹配盲区内，利用jbC′和jbD′组成的双螺钉调配器一定能匹配负载。

(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，将测数据记录。

由滑动单螺调配器结构示意图所示，1′=(n𝜆𝑔/2)+x𝜆𝑔(n=0,1,2,3,···)，估

算调配螺钉应离开终端负载的大约距离1′，记录于上表，并调节螺钉于此位置。 缓慢调节螺钉穿伸度，直至驻波比𝜌⁡<1.05，测量螺钉与终端实际距离l，读取螺钉穿伸度t，并将数据记录。 不用圆图，直接用单螺钉匹配晶体检波器。调配器单螺钉穿伸度置于1~2mm，移动其位置，反复调整螺钉穿伸度，并微调位置，直至驻波比𝜌⁡<1.05，测量螺钉与终端实际距离l，读取螺钉穿伸度t，并将数据记录，并与前面测得的l，t进行比较。

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

按照图4-5接好实验系统，测量线终端接短路板；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。

交叉读数法测量波导波长𝜆𝑔，并确定某一波节点位置d𝑇(通常取测量线中间波段的波节位置能保证精度)。

图4-5 驻波比测量系统框图

2.测量H面扇形喇叭的输入阻抗

去下短路板、接上H面扇形喇叭天线，测出d𝑇左边(信号源与d𝑇之间)的第一个驻波最小点位置，记为𝑑min，并计算𝐿min=|𝑑min-d𝑇| 用直接法或功率衰减法测出喇叭天线的驻波比𝜌。

由测得的𝜌、𝜆𝑔和𝐿min值便可在阻抗圆图上找出负载归一化的输入阻抗值。

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之间，三个调配螺钉完全退出波导(与波导内壁位于同一个平面)。

确定调配螺钉应离开终端负载的距离大约为l。

调匹配：照前面的调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(电表指数下降)，接着跟踪驻波节点(电表指数上升)，这样反复几次，直至驻波比𝜌⁡<1.05，并记录数据𝐿max和𝐿min。 4.在圆图上画出调匹配过程的示意图。