北京邮电大学
电磁场与电磁波测量实验
实验报告
实验内容：微波驻波比的测量 阻抗测量及匹配技术 学院：电子工程学院 班级： 2010211203 班 组员：崔宇鹏 张俊鹏 章翀
2013 年 5 月 17 日
实验三 微波驻波比的测量
、实验目的
了解波导测量系统，熟悉基本微波原件的作用。
掌握驻波测量线的正确使用和用驻波测量线校准晶体检波器 特性的方法。
掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法。
二、实验原理
驻波测量是微波测量中， 最基本和最重要的内容之一， 通过驻波测 量可以测出阻抗波长相位和 Q 值等其他参量。在传输线中，若存在驻 波，将使能量不能有效的传给负载， 因而会增加损耗，在大功率情况下，
由于驻波存在可能发生击穿现象，；此外驻波促奈还会影响微波信号发 生器输出功率和频率的稳定度， 因此驻波测量非常重要， 在测量时通常 测量电压驻波系数，即波导中，电场最大值与最小值之比，即
2.1 )E
2.1 )
min
测量驻波系数的方法与仪器种类很多，本实验着重熟悉用驻波测量 线测驻波系数的几种方法。
直接法
直接测量沿线驻波的最大点与最小点场强如图 1 所示，从而求得驻 波系数的方法叫做直接法。
图 1 沿线驻波场分布图
若驻波腹点和节点处电表读数分别为 I max , I min 则电压驻波系数ρ :
2.2)
图 2 节点场强分布
当电压驻波系数 1.05< ρ<1.5 时，驻波的最大值和最小值相差不大， 且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点 和波节点记录数据，然后取平均值。
I max1 I max2 ... I maxn
Imin1 Imin2 ... Iminn （2.3 ）
min1 min2 min n
当驻波系数 1.5< ρ<3 之间时，可直接读出 Imax,Imin 即可。
等指示度法
当被测器件的驻波系数大于 5 时，驻波腹点和节点的电平相差很大， 按直接法求取大驻波系数会带来较大的误差， 因此采用等指示度法， 也
就是通过测量驻波图形中波节点附近场的分布规律的间接方法， 求出驻 波系数。节点附近场的分布如图 2 所示。
2.4)2 n 2 W
k cos
2.4)
W sin（ ）
g
式中 k=测量点读数 k Imin/ 最小点读数 I min ，n 为晶体检波律，一般 n=2 ，
W= lk lk`， g为测量线上的波长即波导波长
当 k=2 时sin
当 k=2 时
sin2( W )
2.5 )
称为二倍最小值法
当ρ 较大时（ρ≥10 ），由于 W 很小， sin W 较小，， 故公式进 g
一步简化为 g ，必须指出， W 与 g 的测量精度对测量结果影
W
响很大，以此必须用高精度的探针位置指示装置（如千分测微计）进行 读数
三、实验步骤
直接法测量驻波系数
（1）按上图所示的框图连接成微波实验系统
2）调整微波信号源，使其工作在方波调制状态。
（3）左右移动波导测量线探针使选频放大器有指示值。
（4）用选频放大器测测出波导测量线位于相邻波腹和波节点上的
Umax 和 Umin 。
（5）计算ρ。
等指示度法测量驻波系数
（1）按上图连接好测量系统，开启微波信号源，选择好频率，工 作方式选择方波。
（ 2）将测量线探针插入适当深度， 用选频放大器测量微波的大小。
选择较小的微波输出功率并进行驻波测量线的调谐。
（3）在测量线系统中，选用合适的方法测量给定器件的电压驻波 系数。
（ 4 ）用频率计测量微波频率，并计算微波波导波长。
（5）将测量线终端接短路片， 用两点法测量三个相邻波节点位置， 计算 g ，通过此曲线求出实测波导波长并与理论值进行比较。
（本实验 中 g 的大小和实验二相等）
（6）将测量线终端换接调配器和晶体检波器，并将探针置于驻波 节点位置，提高测试系统灵敏度，读驻波最小点值 Umin 。
（ 7）移动探针到驻波节点两边，直到指示器读数为 2Imin ，读两 个等指示度的探针位置 l1 和 l2 ，W=|l1-l2| ，根据 1 1 算
sin2（ W ）
出驻波系数。
8）测量不同负载的驻波比，整理数据，计算实验内容中要求的
被测件的电压驻波系数。
四、实验结果
直接法测量驻波系数
因此可以求得7+52 +5937+44 +491.12
因此可以求得
7+52 +59
37+44 +49
1.12
实验数据如表 1 所示
第一次
第二次
第三次
Umax （μV ）
47
52
59
Umin （μV ）
37
44
49
表 1 直接法数据记录
2、等指示度法测量驻波系数
实验数据如表 2 所示。其中微波频率 g =51.45mm 由实验二
计算得出
Umin （μV）
L1 （mm ）
L2 （mm ）
W （mm ）
21
122.3
114.9
7.4
表 2 等指示度法数据记录
因此可以求得：
1.7 1 +√ 2 πW√ sin （ ） g1.7√1 + sin2
1.7 1 +
√ 2 πW
√ sin （ ） g
五、思考题
开口波导的ρ≠∞，为什么？如果想获得真正意义的开路，应采 用什么办法？
答：开口波导的驻波系数是由外界的电磁场分布影响， 并不是理想 的开路。考口旁边的物体也会对驻波系数产生影响。
驻波节点的位置在实验中精确测准不容易，如何比较准确的测 量?
答：通过测量两个波腹之间的多个点，从而得到曲线，由于曲线有 对称性，所以可以根据此估计逐波波节的位置
讨论直接法、等指示度法、功率衰减法测量电压驻波比的特点。
答：直接法测量步骤简单，但是只能在驻波比较小的情况下采用， 且精度不高； 等指示度法测量步骤较为复杂， 但是适合较大驻波比的测 量，同时精度较高；功率衰减法适合更高的驻波比下采用。
在对测量线调谐后，进行驻波比的测量时，能否改变微波的输出 功率或衰减大小？
答：不能，信号源输出通过衰减器实现，调整输出功率时可能导致 阻抗发生变化，从调谐状态变为失谐状态，引起实验误差。
在测量单螺钉驻波比时， 为什么要在单螺调配器后面紧跟一个匹 配负载？
答：改变单螺调配器的螺钉插入深度及沿槽的位置就相当于可调 至任何所需的电抗。加匹配负载可以用于模拟各种不同的负载状况， 在不同负载下均可以进行实验。
六、实验总结
本次实验利用相关的一系列仪器对微波的频率、 驻波比进行测量， 掌握了微波技术的基本知识和实验方法。
通过实验我们了解到微波传
输系统的原理及组成， 学会了微波的基本参数的测量方法， 并加深了 对频率计， 测量线等一系列仪器的组成及使用方法。
对于各个参数如 何去测量，需要用到哪些仪器，为什么要这样做，注意事项都有了深 入的认识。
实验五 阻抗测量及匹配技术
、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。
熟悉 Smith 圆图的应用。
二、实验内容
1. 在测量线给定器件的阻抗和电压驻波系数，并观察其 Smith 图。
2. 在测量线系统中测量给定器件的 ZL，并应用三螺调配器对其 进行匹配，使驻波系数小于 1.1 。
三、实验原理
由传输线理论可知，
传输线的输入阻抗 Zin 与其终端负载 ZL 关
系为：
Zin ZL jtg l
Zin
1 jZ Ltg l
设传输线上第一个电压驻波最小点离终端负载的距离为 lmin ， 电压驻波最小点处的输入阻抗在数值上等于 1/ ，将 l=lmin 及 Zin=1/ 带入上式，整理得到：
ZL 1 j tg l min
L jtg l min
所以，负载阻抗的测量实质上归结为电压驻波系数及驻波相位的 测量，当测量出驻波系数、波长、驻波相位后，就能求出负载阻抗。
实际测量常采用“等效截面法” ，首先将测量线终端短路，此时 用测量线测得某一驻波节点位置 DT ，将此位置定为终端负载的等效 位置 DT 。然后去掉短路片，改为负载，此时用测量线测得 DT 左边 第一个驻波最小点的位置 DA ，则
lmin=|DT-DA|
单螺调配器即在波导宽屏深入一个金属螺钉， 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， 当螺钉深入的较少时， 相当 于再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。当深度达到谐振时，电纳将增大到无限大， 继续增加深度， 电纳值由正变为负， 呈感性。
借助于导纳圆图很方便的求出螺钉的纵 向位置 L 和电纳 jb 值。
四、实验步骤
1. 按原理图接好设备， 开启信号源电源， 使信号源工作于最佳方 波、扫频状态。
2. 移动测量线探针， 测量相邻的电压最小值之间的距离， 以测出 传输线中的波长，即波导波长。
短路片安置在测量线的输出端上， 并记下探针指示器标尺上对 应于电压最小值位置的读数 DT ，即为“等效参考面” 。
测量线的终端移去短路片，并把被测器接在它的位置上
5.测量 Umax、U min得到驻波比。
利用交叉度数法测出 DT 左侧第一个驻波节点位置 DA，并计 算出 Imin=|DT-DA| ，应用公式 ZL 1 j jttgg llmmiinn 就可求出阻抗值。
利用滑动单螺调配晶体检波器，使驻波比小于 1.05 。
五、实验结果及分析
1. 阻抗测量
实验数据记录如下表 3 所示
Umax （μV ）
Umin （μV ）
DT （ mm ）
DA（mm ）
41
19
130.1
147.0
表 3 阻抗测量数据表
由表格数据可得：
ρ= 1.7√4119 = 1.572
lmin =|DT - DA| = 147 .0 - 130.1 = 16 .9 （mm ）
因此，
ZL1 j tg l min
ZL
1 j tg l min
jtg
l min
1 j1.572 2.51
1.572 j2.51 1.31 j0.42
2.匹配调节
通过调节单螺调配器最终得到了近似匹配的效果，实验数据为：
Umax =33 μV ， Umin =27 μV ，因此有
1.7√3237 = 1.15
可见此时与匹配情况相差很小了
六、思考题
1. 匹配元件应连接在测量系统中什么地方？为什么？ 答：应接在最右边。
因为匹配元件几乎能吸收全部入射功率， 那么如果有元件连在后 面就没有电流流过，不能正常工作。
2. 通过实验，总结匹配技巧。
答：在调节匹配过程中， 我们先移动测量线探针找到并记下波节 点位置，然后继续调节测量线调到波腹点，此时调节调配器位置，驻 波波腹点有所下降， 波节点有所上升， 直至波节点和波腹点相差不大 时，调节螺钉深度，同时用测量线跟踪驻波大小，直至实现匹配。
在各项测量中，通常采用驻波图形的波节点为基准进行测量， 是否可以采用波腹点做基准测量？为什么？
答：可以采用波腹点做基准测量。
因为驻波的波节点与波腹点接连出现， 相邻波节点与相邻波腹点 之间距离相等，所以采用波节点和波腹点为基准想等价。
七、实验总结
本周进行的阻抗测量及匹配技术实验中， 我们了解阻抗调配原理 及调配方法，熟悉单枝节匹配器的匹配原理，掌握 Smith 图解法设 计微带线匹配网络， 熟悉利用螺钉调配器匹配的方法。
在调节匹配负 载时，刚开始没有掌握方法，调了很久都没有调好，最后通过请教老 师和同学才得到正确的实验现象。
我们会更加坚持认真细心的对待实 验，希望我们能在每一次实验中都得到进步。
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