2天线测量第二章

XA
1 或 X A 0 L0 0 C0
R A R0
电桥法测量天线输入阻抗
电桥是用比较法测量物理量的电磁学基本测量仪器，电桥的种类很多，测量中等阻值 （10～106欧姆）的电阻要用惠斯登单臂电桥进行测量；若要测量更大阻值的电阻，一 般采用高电阻电桥或兆欧表；而要测量阻值较小的电阻，一般采用双臂电桥（开尔文电 桥）。电桥准确度高、稳定性好，所以被广泛用于电磁测量、自动调节和自动控制中。 惠斯登单臂电桥是最基本的直流单臂电桥。 在测量电阻及其它电学实验时，经常会用到一种叫惠斯通电桥的电路，很多 人认为这种电桥是惠斯通发明的，其实，这是一个误会，这种电桥是由英国发明 家克里斯蒂在1833年发明的，但是由于惠斯通第一个用它来测量电阻，所以人们 习惯上就把这种电桥称作了惠斯通电桥。
l l min
Z A Z0
不同负载时，沿传输线的电压、电流分布
1 jtgklmin jtgklmin
( 2 1) sin klmin cos klmin Z A Z0 2 j 2 2 2 2 2 cos kl sin kl cos kl sin kl min min min min
频率在30MHz以下
Bx 0 CB
2
M
C C R C
电桥法测量天线输入阻抗
同轴和波导电桥
同轴电桥
波导电桥的双T接头
电桥法测阻抗简单、迅速，其精确度主要取决于标准阻抗和电桥结构，在 微波波段，一方面高准确度可变标准阻抗制作十分困难，另方面微波孔径天线 的反射系数比输入阻抗更为重要和更有意义。因此，实际上工作中往往把波导 电桥作为反射计，用以测量天馈系统的反射系数模值。 超短波直到超微波波段
电桥法测量天线输入阻抗
说 明
（1）对于纯电阻交流电桥，即
使各桥臂均为电阻，但由于导线间存在分布电容， 相当于在各桥臂上并联一个电容。因此在调节电桥平衡时， 除了有电阻平衡以外，还应有电容平衡。
（2）交流电桥的供桥电源要求高，其必须具有良好的电 压波形和频率稳定性。 交流阻抗计算中包含有电源频率
的因子 ， 当电源频率不稳定，或者电压波形畸变时，交流
测量线法测量天线输入阻抗
同轴测量线
传输线电压电流分布
Z in (l ) Z 0
k 2 g
Z min Z 0
Z A jZ 0 tgkl Z 0 jZ Atgkl
Z min
表示某一驻 波波节点到 终端的距离 Z Z jZ 0 tgklmin 0 Z0 A Z 0 jZ Atgklmin
阻抗值就会变化，并且给电桥平衡带来困难。比 如对 基波 而言，电桥达到平衡，而对高次谐波， 电桥不一定平衡， 可能会有高次谐波电压输出。
电桥法测量天线输入阻抗
低频电桥电路
阻抗电桥
导纳电桥
R x RB
(C B 2 C B1 ) CN
Gx 0 MCG
2
1 1 1 Xx 0 C P 2 C p1
RA=R2 XA= ⊿X=X2-X1
谐振法测量天线输入阻抗
Q表法
信号源 A 1 R L0 2 C V ZA 高频电压表
1. 在Q表的1﹑2端接入标准电感L0 2. 调节Q表的电容C使回路谐振；记下此时的电容 量C1和回路品质因素Q1 3. 将待测天线阻抗ZA于C相并联接入电路 4. 在相同频率下，将回路再次调到谐振 5. 记下此时的电容量C1和回路品质因素Q1
电桥法测量天线输入阻抗
1 3 2 4
4
（2）交流电桥四个桥臂中有两 对边桥臂，若1、3桥臂为 纯电阻，则φ1= φ3= 0， 根据平衡条件对相位的要 求，其它两个对边桥臂必 须具有异性的电抗，如一 边为容抗，则另一边应为 感抗，这样才能符合 φ2= -φ4 的要求。
3
1
2
电桥法测量天线输入阻抗 R 、R 可视为电容介
c
R4 R3
U0
d
U
电桥法测量天线输入阻抗
直流电桥的平衡条件 根据电工学理论，输出电压为：
平衡条件与电 对臂电阻的乘积相等， R1 源电压无关。 或邻臂电阻之比相等。 R1 R3 R2 R4 U0 U R1 R2 R3 R4 a
R4
b
R2
c
R3
U0
电桥平衡：b、d 点电位相等， 输出U0 为 0。
R3 / C1 R2 / C4
可知：要使电桥平衡，必须 同时调节 电阻 与 电 容 两个参数达到电阻 平衡和电容平衡。
电桥法测量天线输入阻抗
电感电桥的平衡条件：
对图示电感电桥，推导可得：
R1 R3 R2 R4
R3 L1 R2 L4
可知：要使电桥平衡，必须 同时调节 电阻 与 电 感 两个参数达到电阻 平衡和电感平衡。
d
U
直流电桥平衡条件：
R1 R3 R2 R4
或
R2 / R1 R3 / R4
电桥法测量天线输入阻抗
交流电桥
交流电桥的电路与直流电桥相同，但在电路具体 实现上与直流电桥有两点不同：
b
Z1
Z2
a
（1）供桥电源是高频交流电源；
c
Z4 Z3
U0
（2）交流电桥的桥臂可以是纯电阻，也可以是 含有电容、电感的交流阻抗。
谐振法
低频
中频
电桥法
测量线 法
高频
微波
超高频
毫米波
谐振法测量天线输入阻抗
比较法
信号源
保持信号源 输出恒定
A1
A2 K1
a K2 R0 C ZA b L0
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
待测天线阻ZA抗接入ab点 将信号源调到测试频率； 闭合开关K2 调节标准电感L0或标准电容C0，使电路谐振，此时电 流指示I2最大 记下标准电抗数值X1及电流值I2 断开K2，闭合K1，此时电路失谐； 重新调节标准电感L0或标准电容C0 ，使电路谐振 调整标准电阻R0，是I2任保持先前数值 记下此时的标准电抗值X2及电阻值R2
当频率改变时，传输线 输入端电压呈周期变化
输入的频率要变化多少 时，才能使输入端的驻 波电压变换一个周期
传输线输入 端驻波电压 为最大值
l 1 252
？
传输线输入 端的驻波电 压必为零
l 1 53
l (m 1) 3 m 1 2 2 f1 f f 3 f1 m m1
电桥法测量天线输入阻抗
1 3 2 4
对两种特例Leabharlann 行分析：4（1）交流电桥四个桥臂中有两相
3
邻桥臂，若1、2桥臂为纯电
阻，则：φ1= φ2= 0 ，根据 平衡条件对相位的要求，必 须使 φ3= φ4，这说明电桥 的另外两个桥臂必须具有同 性的阻抗，如容抗或感抗。
1
2 3
4
1
2
开尔文电桥又称“双臂电桥”。测量10^(-6)~10^2欧姆低电阻的直流电桥。1862年 英国的W.汤姆孙在研究利用单比电桥测量小电阻遇到困难时，发现引起测量产生较 大误差的原因是引线电阻和连接点处的接触电阻。这些电阻值可能远大于被测电阻 值。因此,他提出了的桥路，被称为汤姆孙电桥。后因他晋封为开尔文勋爵，故又称 开尔文电桥。 引线电阻、接触电阻及内部连线电阻 所测电阻值可低到毫欧级或更小。根据双比电桥原理又发展出史密斯电桥，三平衡 电桥和四跨线电桥等，使得采用桥路测小电阻的理论与实践臻于完善。
d
U
~
电桥法测量天线输入阻抗
交流电桥的平衡条件：
φ 为复阻抗的阻抗 角，是各桥臂电流与 电压之间的相位差。
│Z│或 Z0 为复 阻抗的模
Z1Z3 Z2 Z4
Z Z e j Z 0 e j
b
Z1 Z2
其中，Z 为各桥臂的复阻抗：
纯电阻时电流与电压同相位： φ = 0； 电感性阻抗：φ ＞ 0； 电容性阻抗 ：φ ＜ 0。
m 1 f3 f1 m
电波在传输线 中传播的速度
f
不同频率时，终端短路传输线上的驻波电压分布

m1 2l
2l
传输线愈长，则在其输入端电压变化 一个周期所需的频率变化量就愈小
扫频法测量天线输入阻抗
终端短路时检波电压：
0 ~ U1
测试原理图
终端接上待测阻抗
等效电路图
XA
RA
1
0 (C 2 C1 )
Q1Q2 1 Q1 Q2 0 C1
谐振法测量天线输入阻抗
综合法
信号源 A 1 R L0 2 C K 1' 2' C0 R0 L0 ZA
将开关K置于1’位置，使待测天线阻抗ZA接入电路 调节Q表的电容C,使回路在测试频率上谐振 记下此时的回路品质因素Q1 将开关位置转换到2’ ，从而断开待测天线阻抗 ZA ，接入标准阻抗(R0,C0,L0) 5. 调节标准阻抗，使回路重新谐振，并得到与先前 相同的品质因素Q1 1. 2. 3. 4.
a
Z4 Z3
c
U0
d
U
~
电桥法测量天线输入阻抗
将复阻抗代入，可得：
Z 01 Z 03e
j 1 3
Z 02 Z 04 e
j 2 4
上式成立必须同时满足以下条件：
幅值平衡条件
Z01 Z03 Z02 Z04
相位平衡条件
1 3 2 4
交流电桥平衡必须满足 幅值平衡条件 和 相位平衡条件，即相对两臂阻抗之模的乘积相 等，它们的阻抗角之和也必须相等。
阻抗测量
电桥法测量 天线输入阻 抗 谐阵法测量 天线输入阻 抗
测量线法测 量天线输入 阻抗