微波实验二传输线上的波的测量与阻抗匹配

a微波技术与天线实验报班级：12通信二班组别：第五组实验名称：传输线上的波的测量与阻抗匹配时间：2014年11月22号一、实验目的（共同部分）1，用频谱分析仪测量传输线上电磁波的频率和波长。2，测量驻波信号在负载短路，开路，匹配的情况下的波腹、波节、反射系数、驻波比。二、实验原理（共同部分）对于具有分布参数的均匀传输线，采用分布参数电路分析方法，即把传输线作为分布参数电路处理，得到传输线的单位长度电阻、电感、电容和电导组成的等效电路，然后根据基尔霍夫定律导出传输线方程。从传输线方程的解进而研究波沿给定传输线传播的全部特性。当传输信号的波长远大于传输线的长度时，有限长的传输线上各点的电流(或电压)的大小和相位与传输线长度可以近似认为相同，就不显现分布参数效应．可作为集中参数电路处理。但当传输信号的波长与传输线长度可以比拟时，传输线上各点的电流(或电压)的大小和相位均不相同．显现出电路参数的分布效应，此时传输线就必须作为分布参数电路处理。电路参数沿线均匀分布的传输线称为均匀传输线。若均匀传输线的始端接信号源sE，终端接负载LZ，由于传输线是均匀的，故可在线上任一点处取线元dz来研究。另外，因线元dz远小于波长，可把它看成集中参数电路，用串联阻抗Zl=R1+jL1和并联导纳Y1=Gl十jC1组成的集中参数电路等效。实验仪器如下b（1）负载开路，负载短路，与负载匹配负载开路与短路即为令终端负载LZ为∞或0，而对于功率输出，当负载匹配时会得到最大的功率输出；对于电源电压输出，指电源内阻越小在内阻上的压降越小，会得到最大的电压输出，就是说电源的效率最大，当内阻r=0,电源的效率等于1（100%）。（1）传输线的工作状态传输线的工作状态取决于传输线终端所接的负载，有三种状态。其中负载开路与短路即为令终端负载LZ为∞或0导致传输线工作于驻波状态，ZL=Z0时传输线工作于行波状态。行波状态：传输线上无反射波出现，只有入射波的工作状态。当传输线终端负载阻抗等于传输线的特性阻抗，即ZL=Z0时，线上只有入射波（反射系数为零)。此时zzeUeZIUzU20222)(zzeIeZZIUzI200222)(对于无损耗线j,则czjjzjeeUeUzUi||)(22zjjzjeeIeIzIi||)(22式中的2是2U的初相角．因ZL=Z0是纯电阻，故此处的2=2表示为瞬时值形式为)cos(||])(Re[),(22ztIezItzitj驻波状态：入射波和反射波叠加形成驻波，传输线工作在全驻波状态。在ZL=0，ZL=∞，或者ZL=±jXL时，都有||=1以ZL=0为例来分析传输线工作在全驻波状态时的特征。此时，,12)(22222||ijeUUUU)sin(||2)()()(22222zeUjeeUeUeUzUjzjzjzjzj同样)cos(ze|U|2)zI(0)j(22z表示为瞬时值形式（Z0为实数时）)2cos()sin(||2),(22tzUtzu混合波状态：传输线上同时存在入射波和反射波，两者叠加形成混合波状态，对于无耗线，线上的电压、电流表示式为22222()jzjzjzjzUzUeUeUeUe2222222jzjzjzjzeeUeUUe2222(1)2cos()jzUeUzzjzjeIeIzI22)(=2222(1)2sin()jzIejIz（2）行波和驻波系数为了定量描述传输线上的行波分量和驻波分量，引入驻波系数和行波系数。传输线上最大电压(或电流)与最小电压(或电流)的比值，定义为驻波系数或驻波比，表示为maxmaxminmin||||||||UIUId驻波系数和反射系数的关系可导出如下U(z)U()()()[1()]zUzUzz故得max22|U|||(1||)U，min22|U|||(1||)Umax2min2|U|1|||U|1||行波系数定义为传输线上最小电压(或电流)与最大电压(或电流)的比值，即minminmaxmax|U||||U|||IKI显然221||11||K（3）反射系数传输线上某点的反射波电压与入射波电压之比定义为该点处的反射系数，即()()()UZzUZ按反射系数定义可得222222()||zzjzjzeeee，其中2020||iLLZZeZZ称为传输线的终端反射系数。下面说明如何利用传输线上的电压分布测量波长。采用的方法称为驻波分布法，传输线终端短路(或开路)时．传输线上形成纯驻波．移动测量探头测出两个相邻驻波最小点之间的距离．即可求得波长。对空气绝缘的同轴系统，上述方法测出的波导波长就是工作波长，如果是有介质绝缘的同轴系统或微带系统．这样测出的波长是波导波长，要根据波导和工作波长之间的关系进行换算。（4）驻波比与反射系数公式驻波比SWR=R/r=(1+K)/(1-K)一般要求1.4以下反射系数K=(R-r)/(R+r)回波损耗L=-20lg(SWR+1)/(SWR-1)一般要求16以上三、实验内容（共同部分）e本实验用微带传输线模块模拟测量线。利用驻波测量技术测量传输线上的波，可以粗略地观察波腹、波节和波长，进而测量反射系数||和驻波比。若条件允许可以使用反射测量电桥以较精确地测量反射损耗。（1）实验仪器RZ9908综合实验箱频率合成信号发生器电场探头频谱分析仪反射测量电桥终端负载（2）实验思路用驻波分布法测量微带传输线上电磁波的波长。观测微带传输线上驻波分布，测量驻波的波腹、波节、反射系数和驻波比。（3）实验过程实验装置大致如下，应用实验箱固定模块可简化操作。原理如下：实验连接图如下：f微带传输线模块测量端开路（不接负载)。把频率合成信号发生器设置成为：CENTERFREQUENCY=1000MHz，SPAN=1MHz，参考电平-30dBm，在保证信号不超出屏幕顶端的情况下，参考电平越小越好，尽量使信号谱线的峰值显示在屏幕的第一格和第二格之间。频率合成信号发生器设置为输出频率1000MHz和最小衰减量。如图1连接，逐次移动探头。记录探头位置刻度读数和频谱分析仪读数，必要时可调节信号发生器的输出功率或频谱分析仪的参考电平。改变频率合成信号发生器的输出频率为800MHz，再重复进行驻波分布测试。用反射测量电桥来测量驻波损耗，按图2连接好实验装置g图2用反射测量电桥来测量驻波损耗反射测量电桥的测量端，首先不接负载(开路)，用频谱分析仪测量并记录曲线1数据，然后接终端负载，用频谱分析仪测得曲线2，如图3所示。两曲线的差值d(按10dB／格读数)即代表反射损耗L。利用关系L=－20Lg||和22(1||)/(1||)即可决定反射系数||和驻波比。实验数据及计算结果如下：h1234579负载开路0-12-101-3负载短路-49.1-28.2-22.1-23.2-20.4-21.0-24.2负载50欧-37.8-40.0-38.5-40.3-42.4-39.8-37.5反射损耗L50272422202221f/MHz105.6212.6310.5412.5512.3723.8932.7反射系数Γ0.0030.1820.1470.1230.1000.1470.112驻波比1.0061.4451.3451.2801.2221.3451.252四，实验心得（个人部分）经过认真的预习，这次实验在我们小组四人各显神通下，圆满地完成了。虽然一开始对实验仪器还有点不熟悉，但经过老师的点拨和我们多次的试验，终于弄懂了实验仪器的功能。由于我示波器操作学得较好，所以波形显示的任务是交给我来做的。虽然实验的结果经仔细分析后仍有误差，但这也是我们辛苦的劳动成果。经过这次实验，我从实践上更加深入地理解了阻抗匹配、反射系数、驻波比等概念的含义，也懂得了团队合作的重要性。i