内蒙古工业大学信息工程学院

实 验 报 告

课程名称：微波技术 实验名称：阻抗匹配网络的设计

实验类型： 验证性■ 综合性□设计性□

实验室名称：通信与控制基础实验室

成绩：

实验日期：20xx年月日

实验三、阻抗匹配网络的设计

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一、 实验目的

1. 理解阻抗匹配原理，重点掌握单支节阻抗匹配器的应用；

2. 熟悉阻抗圆图在阻抗测量中的应用；

3. 学会用阻抗匹配器对失配元件进行调配。

二、 设计要求

1. 在给定负载情况下，利用单支节匹配器法设计阻抗匹配网络，实现无反射匹配；

2. 结合阻抗圆图，验证设计结果，并得出结论。

三、 实验原理

1. 阻抗测量

在微波测量技术中，阻抗测量占有很重要的地位。微波元件的阻抗是微波系统匹配设计的依据, 也是研究复杂微波结构的微波网络中确定等效电路参数的依据。阻抗测量不仅应用于微波器件特性阻抗的研究及微波系统的阻抗匹配，同时也是一些复杂测量（如微波网路参量的测量）的基础。因而微波阻抗测量是一项非常重要的测量。

由波导理论可知波导中的电磁场不是均匀分布的，因而不可能像双线传输线那样用行波电压（或电场强度）对行波电流（或磁场强度）之比，来规定出一个只决定于传输线本身尺寸的特性阻抗。波导的等效阻抗值因定义方法不同而不同，因而一般并不进行阻抗绝对值的测量。经常遇到的实际问题是电磁波在负载与传输线不匹配的传输系统上传播而产生的问题，在这一类问题中仅需知道被测元件的归一化阻抗。阻抗测量的方法很多，但应用较为广泛的方法是测量线法。

根据传输线理论，传输线上任一点的归一化阻抗为：

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在电压最小点，即L=Lmin时，有?1

?，代入上式可解得归一化负载阻抗为：

即阻抗测量就归结为对上述三个参量的测量。

2. 确定驻波最小点位置Lmin的测量原理

由于测量线标尺的两端点不是延伸到线体的两端口，直接测量输入端口到第一个电压最小点的距离L min 是不可能的，但根据阻抗分布的?g/2重复性原理，在传输线上每隔n?g/2

处的阻抗相等，所以只要找到与待测阻抗相等的面作为等效参考面即可，这就是在测量中常采用的方法“等效截面法”。实际测量过程如图3-1所示。

首先将待测元件接在测量线的输出端，其驻波分布图形如图 3-1（a）中所示，元件的输入参考面（如图中TE截面）与第一个驻波最小点 D1 的距离为Dmin，用测量线测出其输入驻波系数ρ，记录波节点在测量线上的位置D min(D min= n?g/2+Lmin) ，然后取下待测元

件，将测量线短接，这时在测量线中测得与Dmin 相邻的驻波节位置DT，如图3-1(b) 所示。从图中可以看出，因为 DT 是测量线终端短路时的驻波波节位置，所以它离终端的距离必为n?g/2，根据n?g/2 阻抗变换原理。DT 点的输入阻抗应等于终端所接的待测器件的阻抗。DT 参考面则被称为测量线终端的“等效参考面”。这样在测量线上的Dmin 和DT 之间的距离即为所要求的输入参考面到第一最小点的距离Lmin。如图（C）所示，（图中实线表示终端接被测元件时的驻波图形，虚线表示终端短路时的驻波图形）。

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图3-1 等效面法测量Lmin的原理图

负载阻抗可由Smith 圆图进行求解。在查Smith 圆图时必须注意，如果DT在Dmin 的右边，查图时要按逆时针方向转（即转向负载），反之如DT 在Dmin 的左边，则按顺时针方向转（即向信号源）。利用圆图求输入阻抗的具体过程如图（3-2）所示。我们知道无耗传输线接任意负载时，沿线输入阻抗的变化轨迹是一个圆，称为等ρ圆。而波节点的输入阻抗是一个纯电阻，其轨迹为图中“0-1轴线”。因此，等ρ线圆与“0-1”轴线交点 A 即为驻波节点阻抗值，所以，当驻波节点与等效参考面DT 的距离Lmin 已知时，就可以按已知输入阻抗求负载阻抗的方法，求出被测器件的阻抗。这时只需从A 点出发，沿着等ρ圆逆时针方向（即朝负载方向）转过 Lmin/ λ

抗 L。 g的距离到达B 点，则 B 点所代表的阻抗就是被测器件的归一化阻

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图3-2 用阻抗圆图计算负载阻抗

3. 匹配负载法测定膜片的电纳

图3-3 膜片

在波导中放置如图3-3 所示的开有窗口的全金属片称为膜片，当膜片的厚度满足δ<< t <<λg时（δ为膜片的趋肤深度，λg 为波导波长），其等效电路为一并联电纳 Y?G?jB ，通常膜片的损耗很小，电导G 分量可以忽略，因此有?。膜片电纳可用驻波法测出。但将膜片接在测量线输出端，膜片窗口将向外辐射能量，必须接一个匹配负载这时从膜片左端向终端看上去的归一化输入导纳即为：in?1?j，从而得到膜片的归一化电纳值，其

精度取决于匹配负载的匹配性能。

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4. 阻抗匹配

阻抗匹配技术不仅广泛地应用在微波传输系统中，用以获得良好的工作性能及传输效率，如传输效率高，系统能传输的功率容量最大，微波源工作也较稳定等，而且对于微波测量，也是十分重要的，它直接关系到测量数据的准确度，在精密测量中，往往对阻抗匹配提出很高的要求，电压反射系数由公式：

可知，当ZL ≠Zc 时，即阻抗不匹配，就会产生反射，所以掌握匹配的原理和技巧，对

分析和解决微波技术中的实际问题具有十分重要的意义。

图3-4 调配原理图解

在小功率时构成微波匹配源的最简单的办法是在信号源的输出端口接一个衰减器或一个隔离器，使负载反射的波通过衰减进入信号源后的二次反射已微不足道，可以忽略。匹配的基本原理是利用一个调配器，使它产生的附加反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等，而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射从而达到匹配。阻抗匹配的装置与方法很多，可以根据不同的场合要求灵活选用。对于固定的负载，通常可以在系统中接入

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隔离器（主要用于源端匹配）、膜片、销钉、谐振窗等以达到匹配目的；而在负载变动的情况下，可接入单螺钉调配器，EH阻抗调配器，短截线等类型的调配器，这里仅介绍实验室常用的单螺钉调配器法。

在单螺钉调配器中，一段开槽波导段宽边中心装置一个位置可移动的螺钉，而螺钉伸入波导里的深度可调，就构成可移动的单螺钉调配器，它是利用螺钉产生适当的电纳达到匹配目的，其调配原理由图3-4 说明。设系统终端的归一化导纳为L,在圆图上处于位置A 点，

移动单螺钉，现在要找到这样一个位置，在这个位置参考面上，向负载端看入的输入导纳为

在圆图上相当于从A 点沿等ρ圆移动距离d 到等ρ圆与 1 = G 圆的交点 B（图上 B点导纳值为 1 ± j），在这个位置上改变螺钉深度，在螺钉插入深度 t < λg /4时，其作用相当于在传输线上并联了一个正的电纳（为容性的）。再改变螺钉的深度，即能改变容性电纳值j ，这相当于在输入端并联一个电纳值，使之与原来的电纳值相加抵消。此参考面上总的导纳为1，实现匹配。在圆图上相当于从 B点沿?1 的等圆移动到原点，即匹配点，从而使系统达到匹配。如果滑动单螺钉调配器的长度可以半波长范围内变化，同时调节螺钉深度提供的并联电纳可以0～∞之间任意调节，则该调配器能对任何有耗负载调配，故理想情况下没有禁区。

四、 实验装置

YM1123标准信号发生器，GX2B小功率计，YM3892选频放大器，TC2b波导型测量线，（TS7厘米波导精密衰减器，PX16直读式频率计），BD20-A三厘米波导系统，负载，单螺钉调配器，探头若干。

五、 实验内容

1. 测量线连接后接匹配负载。调整测试系统，用频率计测量并记录工作频率（9.7GHz）；

2. 匹配负载法测量“膜片+匹配负载”总导纳，最后求出其膜片本身的归一化导纳；

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（a） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用交叉读数法测量测量线标尺中间部位的一个驻波波节位置Dmin，记录测得的数据。（b） 用直接法（或等指示度法）测量其驻波系数ρ。（c） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用交叉读数法测量测量线相邻的右边（或左边）波节点位置DT，并另找一个与DT 相邻的波节点，以确定波导波长λg 。 （d） 根据实验原理，用圆图和公式两种方法处理数据，求出膜片的归一化电纳，分析实验结果。

3. 用单螺钉调配器进行调配

方法（I ），用单螺钉调配器调配“膜片+匹配负载” （a） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用直接法（或等指示度法）测量其驻波系数ρ1。 （b） 测量线后换接上接有匹配负载的单螺钉调配器，调节螺钉深度，使其驻波系数仍等于ρ1。（c） 保持单螺钉调配器的螺钉深度及其位置不变，测量线后依次接上单螺钉调配器，“膜片+匹配负载”，移动单螺钉调配器的螺钉位置，使其驻波系数ρ<1.05。 六、

系统连接图

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七、 数据整理

测量线连接后接匹配负载。调整测试系统，用频率计测量并记录工作频率（9.7GHz），读数为9.370 GHz。Dmin=116.10mmρ=1.12DT1=138.66mm

λg=2（138.66-116.10）=44.92mm

圆图法：Z=0.75-j0.32

公式法：Z=0.77-j0.28

用单螺钉调配器进行调配

ρ1=1.12

调节螺钉深度为d=8.06mm

移动单螺钉调配器的螺钉位置L=5.0cm

八、 思考与讨论

1. 测量阻抗时，驻波节点的位置DT 如何确定？为什么能用测等效参考面阻抗的方法确定待测阻抗？

接待测元件,找到一个驻波最小点Dmin,取下待测元件,测量线短接,找与Dmin相邻的驻波位置既为Dt,因为阻抗分布具有0.5λg重复性.

2. 测量膜片电纳时，为什么后面要接匹配负载？

接匹配负载时,从膜片左端看的归一化输入导纳Y=1+jB,从而得膜片归一化电纳,其精度决定于匹配负载的匹配特性。

3. 为什么要进行阻抗匹配？在微波测试系统中，调配器调到什么情况时，传输到负载的功率最大？若传输负载的功率为3dB ，则测得的驻波系数应为何值？

阻抗匹配可使系统获得良好的工作性能及传输特性

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第二篇：实验报告Ⅳ-微波的基本参数测量

微波的基本参数测量

物理082班 李春宇 08180240 摘要：微波技术是一门独特的现代科学技术，我们应掌握它的基本知识和实验方法。在通过对微波测试系统的基本组成和工作原理的观察和研究后，我们掌握了频率、功率以及驻波比等基本量的测量，同时掌握了微波的基本知识；了解了微波在波导中的传播特点，初步掌握微波的测量技术；学习用微波作为观测手段来研究物理现象。

关键词：微波、频率、驻波比、功率、测量

引言：微波的用途极为广泛，已经成为我们日常生活中不可缺少的一项技术。微波通常是指波长从1米（300MHZ）到1毫米（300GHZ）范围内的电磁波，其低频段与超短波波段相衔接，高频端与远红外相邻，由于它比一般无线电波的波长要短的多，故把这一波段的无线电波称为微波，可划分为分米波、厘米波和毫米波。

微波的基本特性明显，如波长极短、频率极高、具有穿透性、似光性等。基本特性明显使得微波被广泛应用于各类领域。微波技术不仅在国防、通讯、工农业生产的各个方面有着广泛的应用，而且在当代尖端科学研究中也是一种重要手段，如高能粒子加速器、受控热核反应、射电天文与气象观测、分子生物学研究、等离子体参量测量、遥感技术等方面。近年来，微波技术与各类学科交叉衍生出各类微波边缘学科，如微波超导、微波化学、微波生物学、微波医学等，在各自领域都得到了长足的发展。

微波技术是一门独特的现代科学技术，其重要地位不言而喻，因此掌握它的基本知识和实验方法变得尤为重要。

一、实验目的：

1、了解微波传输系统的组成部分

2、了解微波工作状态及传输特性

3、掌握微波的基本测量：频率、功率、驻波比和波导波长

二、实验原理：

1．微波的传输特性.

在微波波段中，为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响，一般采用波导作为微波传输线。微波在波导中传输具有横电波（TE波）、横磁波（TM波）和横电波与横磁波的混合波三种形式。微波实验中使用的标准矩形波导管，通常采用的传输波型是TE10波。 波导中存在入射波和反射波，描述波导管中匹配和反射程度的物理量是驻波比或反射系数。依据终端负载的不同，波导管具有三种工作状态：

(1) 当终端接"匹配负载"时，反射波不存在，波导中呈行波状态；

(2) 当终端接"短路片"、开路或接纯电抗性负载时，终端全反射，波导中呈纯驻波状态；

(3) 一般情况下，终端是部分反射，波导中传输的既不是行波，也不是纯驻波，而是呈混波状态。

2．微波频率的测量

微波的频率是表征微波信号的一个重要物理量，频率的测量通常采用数字式频率计或吸收式频率计进行测量。下面主要介绍较常用的吸收式频率计的工作原理：

当调节频率计，使其自身空腔的固有频率与微波信号频率相同时，则产生谐振，此时，通过连接在微波通路上的微安表或功率计可观察到信号幅度明显减小的现象（注意，应以减幅最大的位置作为判断频率测量值的依据）。

调整L，找到谐振频率，记下此时L，查波长校正表，可知频率f（由?＝c/f,可求波长）。

3．微波功率的测量

微波功率是表征微波信号强弱的一个物理量，通常采用替代或比较的方法进行测量。也就是将微波功率借助于能量转换器，转换成易于测量的低频或直流物理量，来实现微波功率 的测量。实验室中通常采用吸收式微瓦功率计(如GX2A)：

传输线路终端接入探头和功率计，并选择合适的量程，功率计调零后把波导开关旋至检波器上，读出功率读数。

4. 波导波长和驻波比的测量

（1）驻波比的测量.

关于驻波比，定义为波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场之比。

其中Emax和Emin分别表示波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场强度。 实验中通常采用驻波测量线来测定波导波长和驻波比，其结构如图所示．

探针

驻波测量线的结构

使用驻波测量线进行测量时，要考虑探针在开槽波导管内有适当的穿伸度，探针穿伸度一般取波导窄边宽度的5%~10%。实验前应注意驻波测量线的调谐，使其既有最佳灵敏度，又使探针对微波通路的影响降至最低。一般是将测量线终端短接，形成纯驻波场。移动探针置于波节点，调节测量线，使得波节点位置的检波电流最大，反复进行多次。

由于终端负载不同，驻波比s也有大中小之分。因此驻波比测量的首要问题是，根据驻波极值点所对应的检波电流，粗略估计驻波比s的大小。在此基础上，再作进一步的精确测定：

（a）小驻波比的测量

在这种情况下，驻波波腹和波节都不尖锐，因此要多测几个驻波波节和波腹，按下式计算S的平均值：

S?Emax1?Emax2???Emaxx Emin1?Emin2???Eminx

当检波晶体管满足平方检波律时，则

S?

（b）中驻波比的测量

此时只需测一个驻波腹和一个驻波节，按下式计算即可：

S?Emax?Emin

（c）大驻波比的测量

波腹振幅与波节振幅的差别很大，测量线不能同时测量波腹和波节，此时可以用二倍极小功率法进行测量。利用探针测量极小点两旁，功率为极小功率二倍的两点的距离W，波导波长λg，可按下式计算驻波比：

S?

?g

?W

（2） 波导波长的测量．

波导波长在数值上为相邻两个驻波极值点（波腹或波节）距离的两倍：

?g?2(L2?L1)

由于场强在极大值点附近变化缓慢，峰顶位置不易确定，实际采用测定驻波极小点的位置来求出波导波长。考虑到驻波极小点附近变化平缓，因而测量值不够准确。为此，测量时通常不采取直接测量驻波极小点位置的方式，而是通过平均值法间接测量。亦即测极小点附近两点（此两点在指示器上的输出幅度相等）的坐标，然后取这两点坐标的平均值，即得极小点坐标。波导波长需在驻波测量线上测量，一般为两个波节间的距离。

三、实验步骤：

(1)、根据讲义中介绍的常用微波器件和实验室提供的仪器使用说明书，掌握它们的工作原理及使用方法。

(2)、仔细旋转吸收式波长计上螺旋测微计的刻度，在7mm～8mm的范围内，细心观察微安表电流值的变化。在找到最大吸收点时，记下波长计的读数D。

(3)、传输线路终端接入探头和功率计，并选择合适的量程，功率计调零后把波导开关旋至检波器上，读出功率读数。

(4)、由于直接测量极大点和极小点不够准确，所以采取测量极点两边的值的方法来代替直接测量。分别测量大驻波比、中驻波比、小驻波比。 四、数据处理

3．驻波比的测量

由公式得：平均值（2）中驻波比的测量

将吸收端置于中驻波处，测得微波信号源频率为8584Hz时，Emax=92.0μV，Emin=1.7

μV；根据公式S=Emax

Emin=7.385

（3）大驻波比的测量

根据大驻波比的特点，采用二倍极小功率法进行测量。下面是数据分析要用到的公式：

S??g ?W

? ? 2 (2?L1)g

W为功率为极小功率二倍的两点的距离，λ为波导波长

先求出波腹波节的位置，再求出极小功率二倍的两点的距离分别为158.0mm、151.7mm、130.0mm、124.5mm；还求出相邻驻波极值点为7.902mm、7.803mm。

根据以上公式,大驻波比：S??g=37.96 ?W

实验结论：

微波频率、波导波长和功率的测量方法较为直接简单，但在理解原理的过程中花费了很长的时间。通过对实验数据的整理和分析发现波导波长的两组数据差值较大，分析原因可能有下：在实验过程无意间改变了衰减器的数值；在移动波导测量线的游标卡尺时有一组数据不是相邻的两个波峰和波谷间的数值；也可能是人为误差，错误的读取了数值。

试验中应注意的有：用选频放大器测驻波比时，体效应微波源必须使用“方波”档。由于仪器的灵敏度很高，可将“分贝”及“增益”旋钮做为“粗”、“细”调使用。 切勿使电表指示超出100mA,否则极易损坏电表。功率计探头的功率衰减为100，故真实的功率应为功率计示值的100倍。

本实验是微波实验中的基础实验之一。通过实验，基本达到了实验最初的目的：了解微波的传输系统的组成部分；对微波的产生、微波原件和微波测量的基本知识有了进一步的了解；掌握了测量微波基本参数的基本方法。

总的来说，在自己探索加提问的方式完成了此次实验，同时了解了实验的实质就是对理论本质的理解，没有真正理解实验原理的本质，是很难开展实验的。