晶体检波率校准与驻波比测量

1中国石油大学近代物理实验实验报告成绩：班级：应物11-1姓名：史湘伟11093117同组者：石盼盼教师：亓鹏晶体检波律校准与驻波比测量【实验目的】1．了解波导驻波测量线的基本结构和原理，并学会正确使用测量线。2．掌握晶体检波律校准及波导波长测量的基本原理和方法。3．掌握测量驻波比的基本实验方法与技术。【实验原理】一．晶体检波律的测定晶体二极管是一种非线性元件，其检波电流I与所加的高频电压U的关系一般是非线性的，即1nIKU（B2-1）式中K1是比例常数，n是晶体检波律；n=1称为直线性检波，n=2称为平方律检波，一般n不是整数。检波律n与晶体检波器的特性及工作状态有关。1．测量检波电流与相对场强关系曲线法若忽略波导的损耗（一般波导管损耗很小）和探针负载的影响，则当终端短路时波导中驻波场的分布可表示为2sin()mgdEE（B2-2）式中mE为波腹处的场强，d是离开驻波波节的距离，g为波导波长。在近似条件下，晶体二极管的端电压U正比于探针所在位置的电场强度E，所以2lglglg[sin()]gdIKn斜律就是晶体检波律n，如图B2-1所示。2．测量半高点法如图B2-3所示，在测量线终端接短路板，测量驻波极大值，然后在极大值两边测量半高点（即为驻波极大值的一半）之间的距离，可根据下式计算出检波律为图B2-1检波电流与相对场强的关系曲线图B2-3半高点法确定晶体检波律2lg0.50.3010lgcos()lgcos()ggndd式中d为驻波曲线上/2mII两点的距离，mI为波腹的检波电流。二．波导波长的测量为了提高测量精度，通常采用“交叉读数法”确定驻波波节点的位置。如图B2-4所示，测量波节点附近两边指示器读数同为某一电平M的两点探针位置，再取这两点位置坐标的平均值作为波节点的坐标，则相邻两波节点的位置分别为3412minmin,'22dddddd从而，测量线中的波导波长为minmin34122(')()()gmdddddd（B2-6）在某些测量中，尚需求出无槽波导中的波导波长g。由理论分析可得，测量线（有槽波导）中的波导波长gm与相同截面的无槽波导中的波导波长g的关系为223(1+)8ggmgxab（B2-7）三．驻波比的测量微波驻波比S是指在传输线中所形成的驻波电场极大值maxE与极小值minE之比，即maxminESE1．直接法测量驻波比直接法测量的适用范围是驻波比6S的中小驻波比，在微波系统实际调试中要测的驻波比大多在S6的范围内，因此直接法测量驻波比是一种常用的基本方法。直接法测量驻波比就是直接测出测量线上驻波相邻波腹极大场强maxE和波节极小场强minE，实际测出相对应的检波电流maxI和minI，计算出驻波比。若晶体检波律为n，则驻波比为1/maxminnISI若检波晶体工作在平方检波律情况下，式中2n。为测量准确起见，可多测几个驻波极大值和极图B2-4用“交叉读数法”确定驻波节点位置3小值，则计算驻波比的公式为1/1/maxmax1max2max3minmin1min2min3nnIIIISIIII2．等指示度法测量驻波比等指示度法测量大驻波比的基本思想是只在电场强度最小点附近测量驻波电场的分布规律，不测量电场强度大的点，从而避免了上述直接法的测量困难。在驻波波节极小值点两侧取检波电流I为极小值点K倍的两点1和2，其宽度为d，K值可任意选定，检波电流I处到驻波极小值点的距离为/2d，则式（B2-20）可变为2cos()sin()ggdKSd常取2K，称为二倍最小功率法（也称“三分贝法”）。这时，式变为22cos()sin()ggdSd当驻波比10S时，则式可化简为gSd3．功律衰减法测量驻波比测量时，先把测量线的探针置于驻波波节点，调节精密可变衰减器，使指示器的电表读数在满刻度的80%附近，并记下电表读数minI及精密可变衰减器衰减量的分贝值minA，再移动探针至波腹点，改变精密衰减器的衰减量，使指示器的读数仍为minI，这时衰减器衰减量的分贝值为maxA，则有22maxmaxmaxminminmin()dB10lg10lg()10lg20lgPEAASSPE所以，被测驻波比S为maxmin2010AAS【实验装置】反射式速调管微波信号源（反射式速调管电源和速调管座）、隔离器、谐振腔波长表、可变衰减器、波导测量线、环形器、谐振腔、单螺钉调配器、匹配负载、短路片、晶体检波器、检波指示器，双踪示波器、选频放大器、数字万用表等。【实验内容】一．波导波长的测量41．测量线的输出端口接可变电抗器，采用“交叉读数法”测量波导测量线中的波导波长。2．使用可变电抗器采用“交叉读数法”直接测量波导波长。3．比较分析上述两种方法测出的波导波长的差别，解释产生差别的可能原因。4．根据测出的波导波长，计算频率、相速和群速。二．晶体检波律的测定1．测量线的输出端口接短路片或可变电抗器，在波节和波腹点之间合理取10个点左右，从波节开始，依次移动探针位置，记录位置读数和相应的检波电流读数，做出检波电流与相对场强的关系曲线，计算晶体检波律。为了减小因探针影响驻波分布而产生的误差，可采用以波节点为中心的对称测量法。2．采用半高点法测定晶体检波律。3．根据晶体检波律的测量值，分析讨论晶体检波律是否符合平方律。三．驻波比的测量1．测量线的输出端口接匹配负载，用直接法测量驻波比。2．测量线的输出端口接单螺钉调配器和匹配负载，调节单螺钉插入伸度和沿槽位置使驻波比在10左右，采用等指示度法（二倍最小功率法）测量驻波比。在不改变测量线终端待测负载状态的条件下，再用功率衰减法测量驻波比。3．测量线的输出端口接短路片或可变电抗器，分别采用功率衰减法和等指示度法测量驻波比。4．分析讨论上述驻波比的测量结果。【注意事项】1．微波信号源的工作方式选择“等幅”时，测量线的晶体检波器输出应用检流计作为指示器；若工作方式选择“方波”时，应用选频放大器作为指示器。2．为了提高测量精确度，须用“交叉读数法”测量驻波节点的位置。3．测量过程中，移动测量线探针和可变电抗器短路活塞的位置时，应注意避免空程误差。4．校准晶体二极管的检波律时，测量线终端接短路片，调节衰减器，要使在驻波腹点时探针检波输出指示读数接近满度。5．为了提高测量的精确度，同时又能满足灵敏度的要求，测量线的探针深度一般调节在1～2mm左右。6．单螺钉调配器，改变螺钉的插入深度及沿槽的位置，就相当于可调至任何所需的电抗。当插入深度大约为波导波长的1/4时发生串联型谐振，波导成为短路。实际应用时，螺钉的插入深度不要超过谐振位置。7．测量线与被测负载之间的连接要仔细，应尽量避免连接欠佳带来的测量误差。8．一般驻波测量时，应先将测量线探针置于波腹点，调整微波衰减器和指示器灵敏度，使电表指示接近满度。【数据记录及处理】1、波导波长的测量表1波导波长的测量数据记录表5选点位置读数/mmd1d2d3d4直接测量129.2123.3106.6101.8使用可变电抗器0.6412.84222.02524.315（1）直接测量：采用“交叉读数法”测量波导测量线中的波导波长。由公式3412minmin,'22dddddd得，min129.2123.3126.252dmm，'min106.6101.8104.22dmm，所以波导波长为2(126.25104.2)44.1gmmm（2）使用可变电抗器：采用“交叉读数法”直接测量波导波长。由公式3412minmin,'22dddddd得，min0.6412.8421.74152dmm，'min22.02524.31523.172dmm，所以波导波长为2(23.171.7415)42.857gmm相对误差：44.142.857100%2.82%44.1E，因为2.82%5%，所以在误差允许的范围内。产生差别的可能原因：1、实验仪器不是很精密2、调节仪器时，波节点总是很难找到，一不小心调过之后，很难再调回来。已知频率9600zfMH，相速度114.1110/ggvfms，群速度2272()1()29.1110/1()2gggggffaumsfa2、晶体检波律的测量（1）测量检波电流与相对场强关系曲线法表2曲线法测量晶体检波律位置读数/mm114.5115.9117.0118.5119.7121.1122.2123.1123.8124.4检波电流（压)/μv75.570.163.451.240.025.614.15.322.481.256表32lg[sin()]gd与lgI数据表2lg[sin()]gdlgI-0.00311.877947-0.02331.845718-0.053421.802089-0.118571.70927-0.196671.60206-0.33241.40824-0.498981.149219-0.722530.725912-1.056250.394452图1检波电流与相对场强的关系曲线经过拟合得到拟合直线斜率为1.46n（2）半高点法表4半高点法测量晶体检波律位置读数/mm120.0107.6最大电压值/μv75.87由公式lg0.50.3010lgcos()lgcos()ggndd，得，1.42n综合上述两种测量方法，显然两者测出的晶体检波率的值相差不多取两者的平均值作为此次晶体检波率的测量值，即1.421.461.442n3、驻波比的测量（1）测量线的输出端口接匹配负载，用直接法测量驻波比。表5直接法测量驻波比的数据记录表检波电流（压)/μv30.028.1由1/maxminnISI可得，1/1.44301.0528.1S（2）测量线的输出端口接单螺钉调配器和匹配负载，采用等指示度法（二倍最小功率法）测量驻波比。在不改变测量线终端待测负载状态的条件下，再用功率衰减法测量驻波比。等指示度法测量驻波比表6数据记录表位置读数/mm117.8120最小电压值/μv1.5120.0117.81.12dmm，由公式22cos()sin()ggdSd，知12.46S功率衰减法测量驻波比表7数据记录表衰减量/dbd/mmAmax183.14Amin00由公式maxmin2010AAS得，7.94S可以看出，上述两种方法测量的驻波比的值也是相差很大，因为驻波比S的值小于6，所以用等指示度法测量出的驻波比没有功率衰减法测量的准确。（3）测量线的输出端口接短路片或可变电抗器，采用等指示度法测量驻波比。功率衰减法测量驻波比8表8数据记录表衰减量/dbd/mmAmax203.251Amin00由公式maxmin2010AAS得，10S等指示度法测量驻波比表9数据记录表位置读数/mm153.6151.3最小电压值/μv1.49153.6151.31.152dmm，由公式22cos()sin()ggdSd，知11.92S可以看出当驻波比S的值大于10的时候，两种方法相差不大。【思考题】1、为什么要测量晶体检波器的检波律？若检波器的检波律为平方律，检波器指示电表的读数与微波电场的关系如何？能否作为相对功率的指示？答：检波律与晶体检波器的特性与工作状态有关，在精密测量中必须先测定检波器的晶体检波律，对晶体检波器进行校准。检波器指示电表的读数与微波电场在全对数坐标系中是一个线形关系，在直角坐标系中是一个二次关系，可以作为功率指示器。2、试述直接法和等指示度法测量驻波比的特点？答：①直接法测量的适用范围是驻波比S6的中小驻波比，在微波系统实际调试中要测的驻波比大多在S6的范围里，因此直接法测量驻波比是一种常用的基本方法。直接法测量驻波比就是直接测出测量线上驻波相邻波腹极大场