传输线上电磁波的参数测量

实验1 传输线上电磁波的参数测量

1.1实验设置的意义

对电磁波的理性和感性认识，是学习射频、微波理论和技术的首先要解决好的一个基本问题，目前多媒体技术的发展已经容易给出电磁波具体而生动的图像。尽管如此，电磁波对许多人而言．仍然还是看不见摸不着的抽象概念。本实验的主要意义，首先在于使学生认识到通过实验．不仅仅能测出电磁渡的振幅随时间的变化，而且能通过实验测出电磁波的振幅随空间的变化，从而认识到电磁波也具有波动过程的一般特征，它的频率和波长都是可以用频谱分析仪测量的。

射频测量系统根据给定的测量任务和所采用的测量方法可以用一些分立的测量仪器和辅助元件来组成；也可以根据某种成熟的测量方法构成一种现成的成套测量设备，只要接入待测件就可以组成一个完整的测量系统。对传输线上波的测量用一般实验方法能测量的驻波比可达50左右。至于测量大于100的驻波比，必须采用特殊的方法。由于频谱仪具有高灵敏度、宽动态范围的特点，所以用频谱仪作为指示器就能测量高达1000左右的驻波比。

通过对微带传输线上波的测量，原则上可以得出与专用的微波测量线相同的结果。这对分析理解传输线上的波过程，了解在射频、微波领域有重要作用的驻波测量技术也有很重要的指导意义。

1.2实验目的

●用频谱分析仪测量传输线上电磁波的频率和波长。

●测量驻波信号的波腹、波节、反射系数、驻波比。

1.3实验原理

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s E ，终端接负载L Z ，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Z l =R 1+j ωL 1和并联导纳Y 1=G l 十j ωC 1组成的集中参数电路等效。

1.3.1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。 ●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Z L =Z 0时，线上只有入射波（反射系数为零)。此时

z z e U e Z I U z U ''

=+=

'γγ20222

)( z z e I e Z Z I U z I '

+'=+=

'γγ20

0222)(

对于无损耗线=γj β,则

z j j z j e e U e U z U '+

'+=='βββi ||)(22

z j j z j e e I e I z I '+'+=='βββi ||)(22

式中的θ2是2U +

的初相角．因Z L =Z 0是纯电阻，故此处的θ2=ϕ2表示为瞬时值形式为

)cos(||])(Re[),(22ϕβωω+'+='='+

z t I e z I t z i t j

● 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Z L =0，Z L =∞，或者Z L =±jX L 时，都有|ρ|=1

以Z L =0为例来分析传输线工作在全驻波状态时的特征。此时，

,12-=ρ

)(22222||πϕρ++++-=-==i j e U U U U

)sin(||2)()()(22222z e U j e e U e U e U z U j z j z j z j z j '=-=+='++''+'--'+βπϕββββ

同样

)cos(z e |U |2)z I(0

)

j(22z '='++βπϕ

表示为瞬时值形式（Z 0为实数时）

)2

cos()sin(||2),(22π

ϕωβ+

+'='+

t z U t z u

●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()j z j z j z j z U z U e U e U e U e

ββββ''''

+--++-'=+=+Γ 2

22

2222

j z j z j z

j z e e U e

U U e

ββββ''-'

+

+++=+Γ-Γ

2222(1)2cos()j z U e U z ββ++'=-Γ+Γ

z j z j e

I e

I z I '

--'

++='ββ22)( = 2222(1)2sin()j z I e j I z ββ'

++

'-Γ+Γ

1.3.2 行波系数和驻波系数

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

max max

min min

||||||||U I U I ρ=

= 驻波系数和反射系数的关系可导出如下

U(z )U ()()()[1()]z U z U z z +-+'''''=+=+Γ

故得