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实验四 单口元件的阻抗测量 一、实验目的 掌握应用测量线技术测量单口网络器件的阻抗参数的原理和方法。 熟悉Smith园图在阻抗测量上的应用。 运 用 不 同 方 法 测 定 波 导 元 件 的 阻 抗 特 性 。 2 二、实验原理 根据以上实验，传输线驻波分布情况和终端负载阻抗直接有关。由传输 线理论可以证明波导终端的归一化阻抗ZL＝RL+jXL与传输系统的波导波长λg， 驻波比Ｓ和驻波节点位置dmin有下列单值的对应关系式： RL 1 S ctgd X 2 S min S 2 cos 2 d min sin 2 d min S 2 ctg 2 d min 1 L 而负载归一化导纳YL=GL+jBL为： GL S sin d min cos d min 2 2 S 1ctgd B 2 S 2 L min S 2 ctg 2 d min 3 二、实验原理(续) 由公式可见，阻抗测量的问题可以归结为驻波测量的问题：在测量线的 输出端口接上待测的单口元件后， 分别用交叉读数法测出波导波长λg，用 直接法测出驻波比Ｓ，用等效截面法测出驻波极小点位置dmin 三个参数，阻 抗测量的问题也就解决了。 根据传输线的图解法原理，根据测得的Ｓ，dmin 和λg，可以利用SMITH 圆图或者相关公式， 求解归一化阻抗或导纳，甚至膜片的归一化电纳值。 4 二、实验原理(续) 等效截面法 阻抗测量涉及到相位测量，用测量线的方法测量阻抗除了需用交叉读数法测量 出波导波长λg外，还需要测量出从被测微波元器件的输入端口向信号源方向到达第一 个波节点之间的距离dmin。但由于受到测量线结构的限制，探针通常难以到达距实际 输入端口为dmin处。为此，需在探针能够到达范围内选择一个等效截面(T-T)，再由 (T-T)面确定dmin。首先，在测量线的输出端口接一金属板将其短路，测量线中建立起 纯驻波分布。由λg/2重复性原理，在测量线探针能到达范围内选一合适波节点作为终 端等效截面位置（见后图）。 测量时，将测量线终端短路板取下，换接上待测的微波元器件。这时测量系 统中的驻波分布取决于待测元器件的输入阻抗（见图中实线）。由图可见，从T-T截面 到T’-T’截面之距dT’-dT就等效于从器件输入端口向源方向到第一个波节点之距dmin。 即 dmin=|dT’-dT| 5 二、实验原理(续) 用等效截面法测量dmin 原理图 6 二、实验原理(续) 膜片介绍 注意：连接时， 要正确对齐 理论分析表明：当膜片厚度t满足δ<0,呈容性，当 时，Ｂ<0，呈感性； 8 二、实验原理(续) 匹配负载法测膜片电纳原理图 9 二、实验原理(续) 短路活塞法 是测量膜 片电纳的 另一种方 法 。它的基本原 理是在波 导短路面前 (2n+1) λg/4处是波导的开路截面，该处从信号源向负载方向看去的输入导纳为零。如果 在这个面上接入膜片，见后图，则该参考面上的输入导纳Yin就是膜片的导纳jB， 即有Yin=jB。 1 jB 1 1 jB 对于纯电纳性负载jB，因为其 ， 故S=∞。可以证明， 对于纯电纳性负载jB,只要测定了驻波节点dmin，则利用下式即可算出B值来。 当然也可根据λg，dmin，和S＝∞利用Smith圆图来求取B值。 B ctgd min 10 二、实验原理(续) 短路活塞法测膜片电纳原理图 11 二、实验原理(续) 短路活塞确定等效开路面的方法 保证短路活塞法测量膜片电纳准确的关键是要准确调节短路活塞的位 置使它离测量线终端的距离为(2n+1)λg/4(即等效开路面)，其方法是：首先 移动测量线探针到dT处，保持其位置不变。测量线终端接上可调短路器，旋 动短路活塞，使测量放大器电表指示变至最大，即使得可调短路器成为开路 器件 。用交叉读数法来确定等效开路面的位置。 12 二、实验原理(续) 阻抗圆图与导纳圆图的使用示意图 短路点 B d min/λg A 0.25 利用阻抗圆图求归一化阻抗： 从圆图的短路点向负载方向 移动dmin/λg的电长度，与 等S圆相交的点即为待测负载 的归一化阻抗值（左图中的A 点）要求待测负载的归一化 导纳值，只需要从A点开始沿 等S圆移动0.25个电长度（即 A点的对称点B），就得到待 测负载的归一化导纳值。 开路点 13 二、实验原理(续) 实验系统框图: 14 三、实验内容及步骤 1．测量系统的调整及相关参数的测量： (1) 方波调制信号；信号源工作频率为9370MHZ。 (2) 测量线终端接短路板，用交叉读数法测波导波长，重复三次；选择其中 一个位于测量线中间位置的波节点的值为dT。记录数据填入下表。 参数 d11 测量次数 d12 d21 d22 d11 d12 2 d 21 d 22 2 λg 1 2 3 15 三、实验内容及步骤(续) 2.用匹配负载法测膜片的归一化电纳Ｂ： (1)在测量线终端处插入容性膜片，再接上匹配负载，用驻波比测量方法测出 膜片的驻波比Ｓ，并测出从dT 向信号源方向第一个驻波最小点位置dT’(可用 交叉读数法)，计算ｄmin＝|dT’-dT|, 记录数据填入下表。 (2)测量线终端换接感性膜片及匹配负载，重复（2）的步骤，测量得感性膜 片的归一化电纳值B,记录数据填入下表。 参数 方法 元件 匹配负 载法 S dT dT’ dmin d min g 由圆图求 的B值 由公式求 的B值 容性 膜片 感性 膜片 16 三、实验内容及步骤(续) 3.短路活塞法测量膜片的归一化电纳： （1）将测量线探针放在dT 位置(即波节点位置），在测量线终端接上可调短路活 塞。旋动短路活塞，使选放指示变为最大，此时短路活塞的截面距测量线终端为 (2n+1) λg /4，即开路面的位置。要求用交叉读数法确定可调短路 活塞的等效开路面的位置lT，并做记录。 （2）在测量线终端插入容性膜片，并在膜片后面接上可调短路活塞，保持 可调短路活塞置于等效开路面的位置。然后用交叉读数法测出从d 向信号源 T 方向的第一个波节点位置dT’，重复三次，并分别算出dmin平均值，记录数据填入 后表。 （3）在T-T面处插入感性膜片，重复(3)的步骤，求得相应的感性膜片的ｄ （4）由测得的参数ｄmin，利用Smith圆图和公式计算膜片的归一化电纳值 min的平均值，记录数据填入后表。 B，记录数据填入后表。 17 三、实验内容及步骤(续) 参数 测量 次数 方法 元件 dT dT’ Dmin平均值 d min g 由圆图求 的B值 由公式求 的B值 1 短 路 活 塞 法 容 性 膜 片 2 3 1 感 性 膜 片 2 3 18 四、实验总结及数据处理 根据测量的数据按相关公式计算负载的归一化导纳值； 运用SMITH圆图工具求解负载的归一化导纳值； 分析误差； 比较不同测量方法的区别。 19 五、思考题 测量微波元件阻抗时,为什么首先在测量线上确定“等效截面”？ 测量膜片阻抗时，为什么后面要接上匹配负载？如果不接，测得的阻 抗代表什么？ 测量待测元件驻波极小点位置ｄmin时,是否必须在“等效截面”的左边？ 为什么？用圆 图计算元件阻抗（或导纳）时，有何区别？怎样弄清旋 转圆图时的旋转方向？ 20
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