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                歸一化阻抗 [實驗六 微波歸一化阻抗特性測量]

                時間:2019-07-23 08:39:22來源:佩佩美文網 本文已影響 佩佩美文網手機站
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                實驗六微波歸一化阻抗特性測量、分析和計算

                一、實驗目的

                (1) 結合波導波長和駐波比的測量,學會微波阻抗的測量、分析和計算; (2) 理解歸一化阻抗特性與阻抗圓圖的關系; (3) 學會使用阻抗圓圖表示歸一化阻抗。

                二、實驗原理

                終端反射系數的模值|Γl | 與駐波比有如下關系:

                Γ

                l =

                ρ-

                1

                ρ+

                1(6-1)

                終端反射系數的相位φl 與駐波節點位置 d min n 有以下關系:

                終端反射系數的相位φl 與駐波腹點位置 d max n 有以下關系:

                通過測得的駐波比及波節點位置,在阻抗圓圖中標注對應的位置,讀出其刻度即可得出歸一化阻抗。

                亦可根據波導主模特性阻抗 ZTE10 及測得的駐波比ρ和第一波節點位置 dmin1 可得終端負載阻抗為(參見教材中習題 1.3):

                Z l =Z TE 10

                1-j ρtan βz min 1

                (6-4)

                ρ-j tan βz min 1

                其中,Z TE 10=

                120π-λ2a 2

                ,β=2πλg 。

                而歸一化負載阻抗:

                圖 6-1 容性、感性膜片歸一化阻抗測試原理示意圖

                膜片介紹:在波導中垂直放置如圖 6-2 的銅片(稱為膜片) 。理論分析表明,當膜片厚度 t 滿足δ

                圖 6-2 波導膜片

                圖 6-2(a ) 所示膜片開槽的寬邊與標準波導的寬邊 a 相同,而槽的高度 b ˊ小于標準波導高度 b ,膜片開槽處電場更為集中,有電容作用,故稱為容性膜片。圖 6-2(b ) 所示膜片開槽的寬邊 a ˊ小于標準波導的寬邊 a ,而槽的高度 b ˊ與標準波導高度 b 相同,膜片開槽處磁場更為集中,有電感作用,故稱為感性膜片。由于膜片的損耗極小,通常把它們的電導分量

                G 忽略,而電納 B 在一級近似下可表示為:

                匹配負載法測量膜片的電納是測量膜片阻抗的方法之一。該方法是把膜片接入波導末端,在它的后面再接上匹配負載,只要測得的駐波比ρ、波導波長λg 和 d min ,應用式(6-5)或阻抗圓圖即可求得膜片的歸一化阻抗(即歸一化電納值) ,圖 6-1 為實驗原理示意圖。具體計算過程如下:

                (1) 用駐波比ρ、波導波長λg 和 d min 計算電納 B :

                (2) 用ρ計算|B| ,用 d min 確定其性質(即正負號) :

                (3) 用 d min 計算 B :

                三、實驗內容和步驟

                1. 連接和開通測試系統

                ① 按圖 1-1 所示連接微波測量系統;

                ② 打開信號源、選頻放大器的電源,將信號源設置在內調制(方波)狀態,將衰減器調整到合適位置。

                ③ 在終端接上短路板(負載) ,調節探頭座位置和衰減器,使選頻放大器輸出指示表有對應的指示。得到測量線在不同標尺位置時與選頻放大器指示刻度之間有比較靈敏的對應關系。

                2. 測出波導波長λg (參考實驗三中的方法)

                從負載端開始旋轉測量線探頭座位置,使選頻放大器指示最小,至少找出兩個波節點的位置。根據兩節點間距為半波長,由λg =2(d min2-d min1) ,可得出波導波長λg 。數據記入表 6-1 ;

                3. 確定等效參考面的刻度值 d min0

                ① 將測量線探頭座移至中間位置; ② 測量線輸出端仍接短路板;

                ③ 找出波節點(盡可能開大選頻放大器的增益,如旋到 60dB 檔處) ,記錄測量線標尺的起始位置(如 161.20mm) ,并記入表 6-2; 4. 測量 “容性膜片+匹配負載”的歸一化阻抗

                ① 在終端處,拆下短路板,換接上容性膜片和匹配負載;(如此時標尺起始刻度值為 161.20mm) ;

                ② 調節測量線探頭座,向負載方向移動,找出波節點(即選頻放大器的指示為最小處) ,讀出標尺值,并記錄;(如 143.00mm) ;

                ③ 測出“容性膜片+匹配負載”的駐波比(參考實驗五) ,(例如ρ ≈ 1.3 ) ;相關數據計入表6-2。用式(6-5)計算歸一化負載阻抗。 *或采用阻抗圓圖計算:

                ① 根據阻抗圓圖的原理,可在阻抗圓圖上標出移位值:

                如 l =d /λg =18.2/44.7 ≈0.41 ,其中 d =161.20-143.00=18.2 為波節點的移位值. ② 將阻抗圓圖標尺逆時針旋轉,并對至(如 0.41) 處,在圓圖標尺 K 刻度上找出ρ ≈1.3 的交叉點,讀出實軸值(為 0.88) 和虛軸值(為 0.2) ,并得出歸一化阻抗 z =0.88-j0.2 。 5. 測量 “感性膜片+匹配負載”的歸一化阻抗

                ①在測量線輸出端換接上短路板,并在測量線標尺中間的位置找出波節點,記錄標尺刻度

                (如 161.20mm);

                ②在測量線輸出端,拆下短路板,換接上感性膜片和匹配負載;

                ③調節測量線探頭座,向信號源方向移動,找出波節點(即選頻放大器的指示為最小處) ,讀出標尺值,并記錄 (如 156.60mm) ;

                ④測出“感性膜片+匹配負載”的駐波比(參考實驗五) ,例如ρ ≈ 1.9 ;相關數據計入表 6-3.

                用式(6-5)計算歸一化負載阻抗。 *或采用阻抗圓圖計算:

                ①根據阻抗圓圖的原理,可在阻抗圓圖上標出移位值;

                如 l =d /λg =4.6/44.70 ≈0.103 ,其中 d =161.20-156.60=4.6 為波節點的移位值 ②將阻抗圓圖標尺順時針方向旋轉,并對在(如 0.103) 處,在圓圖標尺 K 刻度上找出ρ ≈ 1.9 的交叉點,讀出實軸值(為 0.70) 和虛軸值(為 0.45) ,并得出歸一化阻抗 z =0.7-j0.45 。)

                四、實驗結果及數據處理

                表 6-1 波導波長測試數據 (同實驗五中的數據)

                探針初始位置d

                = 79.96mm 注:上表中d min 1和d min 2為實際測量值。

                d min 1=

                第1次測量:

                d min 2

                1

                (d 1+d 2) =102. 66m m 2λg =2d min 2-d min 1=43. 56mm 1 =(d 3+d 4) =124. 44m m 2

                1

                (d 1+d 2) =102. 7m m 2λg =2d min 2-d min 1=43. 56mm 1

                =(d 3+d 4) =124. 48m m 2

                1

                (d 1+d 2) =102. 68m m 2λg =2d min 2-d min 1=43. 54mm 1

                =(d 3+d 4) =124. 45m m 2

                d min 1=

                第2次測量:

                d min 2

                d min 1=

                第3次測量:

                d min 2

                ∴λg =43. 55mm

                表 6-2容性膜片測試數據 ρ=

                max min

                =

                I max 1+I max 2+. I max n 200+205+205

                ==1. 258

                I min 1+I min 2+ I min n 125+130+130

                Γl =

                ρ-1

                =0. 114ρ+1

                124. 30+124. 28+124. 40

                =124. 32m m

                3

                106. 38+106. 36+105. 37d min ==106. 03m m

                3

                d min 1=d min -d min 0=-18. 29m m d min 0=

                d min n

                λg λg

                =φl +(2n +1) 4π4

                j φl

                -j 0. 853

                ∴φl =-0. 853

                Γl =Γl e

                d min 1=

                =0. 114e

                λg 3λ φl +g =3. 492mm

                4π4

                =

                =144. 27

                43. 55?10-3

                β=

                λg

                Z l =

                1-j ρtan βd min 11-j 1. 258tan 144. 27?0. 105681+j 3. 315

                ===1. 172+3j 0. 179

                ρ-j tan βd min 11. 258-j tan 144. 27?0. 105681. 258+j 2. 635

                由歸一化阻抗可知,為容性。 表 6-3感性膜片測試數據

                ρ=

                max min

                =

                I max 1+I max 2+. I max n 265+270+270

                ==1. 638

                I min 1+I min 2+ I min n 100+100+100

                Γl =

                d min 0=

                1-ρ

                =0. 2411+ρ

                124. 30+124. 28+124. 40

                =124. 32

                3

                141. 84+141. 98+142. 00d min ==141. 94

                3

                d min 1=d min -d min 0=17. 62

                d min n =

                λg λφl +n g 4π4

                j 5. 084

                ∴φl =5. 084

                Γl =Γl e

                d min 1=

                j φl

                =0. 241e

                λg λ

                φl +g =28. 507mm

                4π4

                =

                =144. 27

                43. 55?10-3

                β=

                λg

                Z l =

                1-j ρtan βd min 11-j 1. 638tan 144. 27?0. 0285071+j 2. 396

                ===1. 066+j 0. 694

                ρ-j tan βd min 11. 638-j tan 144. 27?0. 0285071. 638+j 1. 462

                由歸一化阻抗可知,為感性。

                五、思考及體會:

                測量阻抗時,為什么首先在測量線上確定“等效參考面位置”?

                由于受到測量線結構的限制,探針通常難以到達據實際輸入端口d min 處,所以首先在測量線上確定“等效參考面位置”。

                小結:

                通過本次實驗,我學會了微波阻抗的測量分析和計算方法,理解了歸一化阻抗特性與阻抗圓圖的關系,學會了使用阻抗圓圖表示歸一化阻抗的方法。

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