实验二、晶体检波器校准与驻波比测量实验报告:相敏检波器实验

　

　

　实验二、晶体检波器校准与驻波比测量

　班级：核 32 姓名：杨新宇 学号： 2013011806 同组成员：杨宗谕

　第一部分：晶体检波器校准

　一、实验目的（1）掌握测量线的使用方法 .

　（2）掌握晶体检波器定标和求检波率的方法

　二、实验原理

　1、驻波测量线的调整

　驻波测量线是微波系统的一种常用测量仪器， 它在微波测量中用途很广， 如测驻波、 阻 抗、相位和波导波长等。

　测量线通常由一段开槽传输线、探头（耦合探针、探针的调谐腔体和输出指示） 、传动 装置三部分组成。

　由于耦合探针深入传输线而引入不均匀性， 其作用相当于在线上并联一个 导纳，从而影响系统的工作状态。为了减小影响，测量前必须仔细调整测量线。

　实验中测量线的调整一般包括选择合适的探针伸度、 调谐探头和测定晶体检波特性。

　探 针电路的调谐方法：先使探针的插入深度适当，通常取 1.0~1.5mm 。然后测量线终端接匹配

　负载， 移动探针至测量线中间位置， 调节探头活塞，直到输出指示输出值为最大。

　在之后的 测量试验中，请不要再改变探针及探头活塞位置。

　2、导波波长测量

　测量波长常见的方法有谐振法和驻波分布法。

　前者用谐振式频率计测量， 后者用驻波测 量线测量， 当测量线终端短路时，传输线上形成纯驻波， 移动测量线探针， 测出两个相邻驻 波最小点之间的距离即可求得导波波长 。此外， 也可将精密可调短路器接在测量线的输出 端，置测量线探针于某一波节点位置不变， 移动可调短路器活塞， 则探针检测值随之由最小 逐渐增至最大， 然后又减至最小值， 即为相邻的又一个驻波节点， 短路器移动的活塞距离等 于半个导波波长。

　在传输横电磁波的同轴系统中， 按上述方法测出的导波波长就是电磁波在自由空间传播 的工作波长 0，即 =0。

　而在波导系统中测量线测出的是导波波长 ，导波波长和工作波长 ?0?之间的关系式为：

　(2-1)

　其中？?=C/fo, a=22.86mm。

　为了提高测量精度，通常采用交叉读数法测量导波波长如图 2.1所示。交叉读数法的测 量方法是在波节点附近两旁找出电表读数相等的两个对应位置 dii、di2； d2i、d22，然后分

　别取其平均值确定波节点的位置。具体操作步骤是：

　（1） 用数字频率计测量信号频率，并配合信号源上的频率调谐旋钮调整信号源的工作

　频率，使信号源的工作频率在 8.2~12.5GHz范围（BJ100波导工作带宽）内，建议为9300MHz。

　（2） 测量线终端接短路板，使系统处于短路状态。

　（3） 按交叉读数法测量导波波长：请测量三遍，求平均值。

　d01=(dn+d12)/2

　d02=（d21+d22）/2

　贝U得：？?=2X |d 02-d01|

　3、晶体检波器特性的测定

　在微波测量系统中，送至指示器的微波能量通常是经过晶体二极管检波后的直流或低频

　电流，指示电表的读数是检波电流的有效值。 晶体二极管是非线性元件， 其检波电流与两端

　电压之间的关系为：

　I = K|? （2-2）

　式中n表示晶体管的检波规律：如 n=1, I % |U|，称线性检波；当 n=2,lx | U| 2,成 平方律检波。因此，二极管的检波特性随其端电压大小而变化，当端电压较小时， 呈现出平

　方律；端电压较大时，呈现线性规律。

　测量线探针在波导中感应的电动势 （即晶体二极管两端的电压 U）与探针所在处的电场

　E成正比，因而，检波电流和波导中的场强 E同样满足关系式

　I = K ?尹 （2-3）

　故要从检波电流读数值决定电场强度的相对值， 就必须确定晶体检波律 n。当n=2时，

　该检波电流读数即为相对功率指示值。

　实验室常用的晶体检波器定标方法一一驻波法。

　（1）第一种方法：测量指示器读数与相对场强的关系曲线

　当测量线短路时，沿线各点电场分布为

　相对场强2E

　相对场强

　2

　E = 枷莎？？

　E ? 2

　吞二 1 sin 鬲?？

　(2-4a)

　(2-4b)

　将式(2-4b)代入式(2-3)得

　… 2

　I = K | sin 爲？？… (2-5)

　式中，E

　式中，Em为驻波波腹点电场强度,

　为波导波长，d为测量线探针与驻波节点的距离,

　2|

　2

　| sin莎？？是探针位置的相对场强。按|

　E/ Em丨和I随d的变化规律,即可得出图2.2曲线。

　囲2.2品祥衿輕曲特桂E23晶障蛙畿狰祉疑唯奇线

　囲2.2品祥衿輕曲特桂

　E23晶障蛙畿狰祉疑唯奇线

　在/4范围内移动探针，使其偏离驻波节点不同位置 d，各点读取指示电表读数I, 即

　能做出I?|sin2 n d/关系曲线，也就是晶体二极管定标曲线。如图 2.3所示。

　对式(2-5)两边取对数，并令？？ =1,得到log I =nlog | sin 2n d/ l根据上式，曲线的斜

　團24藏丰折点朮枪波律率即为晶体检波律 n

　團24藏丰折点朮枪波律

　的距离W

　的距离W，如图2.4所示。

　(2-6)log 0.5

　(2-6)

　n = W

　log cos()

　根据测定的晶体检波律， 即能得到晶体平方律检波的工作范围。 实验中大多数微波测试

　系统属于小信号工作状态，因此，晶体检波律基本为平方律， 如果不是精密测量， 通常可取

　n=2。

　4、实验线路图

　侑号源

　侑号源

　三、实验内容及步骤

　1、测量准备工作

　(1) 参照图 2.5 连接各微波元件 ,测量线终端接匹配负载。

　检查系统是否连接正确，调整信号源工作方式，选择为“等幅波”或“ CW”波。输

　出频率设定在 8.2~12.5GHz 范围( BJ100 波导工作带宽)内。建议设在 9300MHz 。

　调整测量线 ，方法参见“实验原理”中的“ 1.1 驻波测量线的调整” 。

　测量线终端接匹配负载，并将测量线探头晶体检波输出端接微安表。

　移动探针至测量线的中间部位，调节探头活塞，使电表偏转最大，如果发现探针 可调谐在几个峰值上时，应选取峰值最大位置，此时测量线处于最佳工作状态。

　2、校准晶体二极管的检波特性

　用测量指示器读数与相对场强的关系曲线求晶体检波律(第一种方法)

　测量波导波长

　(a)测量线终端接短路板，移动探针至驻波波节点，用交叉读数法测量相邻三个波节

　点的位置，列出相应表格记录测量数据 dll、dl2； d21、d22、d31、d32，并计算导波波长 ？輕

　( b) 测量线终端改接可调短路器：

　置短路活塞于某一位置 l01 (活塞标尺刻度约 2.0mm 处)，使测量线探针位于某驻波节 点处，用交叉读数法测量 101。测量线探针不动，移动活塞位置，在 101两旁测出指示电表读

　数相等的两对应位置111、|12、取其平均值即为101。

　仍固定测量线探针位置， 移动活塞直至探针指示再次出现最小值， 用交叉读数法测出活 塞位置为 102。列出相应表格，记录测量数据 111、 112； 121、 122，计算导波波长 2，并与1 比

　较。

　在波节到波腹的 /4 长度内，分为 10 个等距间隔，即确定 10 个测量点，找出每 个测量点上对应的指示器的读数。

　根据表中的E, I值，画出E( I)曲线，即检波律校准曲线。

　用半高点间的距离求晶体检波律(第二种方法)

　移动探针至驻波波腹点, 再调整微波衰减器使指示电表读数可整除, 然后移动探针, 分 别找出波腹点相邻两边指示电表读数 I左、I右为50%时探针对应的位置刻度 d1、d2。计算晶

　体检波律n (计算公式见(2-6)),与方法(1 )结果进行比较。

　根据测定的晶体就检波律， 既能得到晶体平方检波律的工作范围， 是未来实验中晶体检 波器应用的依据。

　四、数据记录及处理

　1、测量导波波长

　方法1测量结果：

　du

　d12

　d21

　d22

　位置/mm

　89.34

　91.08

　112.14

　113.70

　电表读数/mV

　0.8

　0.8

　0.8

　0.8

　波节处电表读数：O.lmV

　波腹处电表读数：40mV

　这里本应该测量三个波节处的读数， 但是由于实验过程中只能找到两个波节， 所以只有

　两组数据。由此计算出的导波波长 ？［的公式如下：

　1 + 2 1 + 2

　1= 2( - ) = 22.71? X 2 = 45.42mm

　2 2

　方法2测量结果:

　位置/mm

　1.41

　5.43

　23.72

　27.31

　电表读数/mV

　0.5

　0.5

　0.5

　0.5

　波节处电表读数：0.1mV

　由此计算导波波长？2的公式如下:

　2 = 2

　2 = 2 (

　 +

　2

　 + )

　2

　=44.19mm

　由公式(2-1)计算出的导波波长？为45.52mm，可以发现方法1的结果更接近与计算出 的导波波长。这里需要说明的是在方法 2的测量过程中，电表的读数并不稳定，所以一方面

　在读数上的误差要大于方法 1的读数。另一方面，在实验过程中，信号源的频率不稳定，也

　为测量带来了一定的误差。

　2、检波律校准曲线

　d

　0

　40

　20

　3

　40

　10

　"8

　3

　20

　7

　40

　5

　9

　40

　4

　2?

　0

　3

　3

　7

　2

　9

　0 =

　—

　—

　—

　—

　—

　—

　20

　10

　20

　5

　4

　10

　20

　5

　20

　2

　E = sin

　0

　0.156

　0.309

　0.454

　0.588

　0.707

　0.809

　0.891

　0.951

　0.988

　1.000

　I

　0

　0.051

　0.102

　0.220

　0.373

　0.508

　0.690

　0.814

　0.898

　0.983

　1.000

　E与I的数据如上表所示，做成图像如下图所示:

　0：

　0：

　0：

　0：

　—■一 log(l)Linear Fit of SheetlBlpgOrc.o0204

　—■一 log(l)

　Linear Fit of SheetlBlpgOr

　c.o

　02

　04

　■08

　EquaHari

　y - ft +

　Nc kV&lgTitiinig

　Residua Sum or Sqjar^s

　J.O 股 8

　Pearsons r

　J.9J201

　Adj. R-Squai&

　0 3941

　Vaiu&

　S'andardErro^

　kg山

　Inlercept

　-0.J23-45

　OjJ238Q-

　Shoe

　1.5BG38

　0.071&2

　log(E)

　取对数后，线性拟合的斜率为 1.68938，我们很明显的看出最下面的点带来了比较大的误差，如果删去这个点，重新进行线性拟合，结果如下所示:

　—■— l0Q(l)

　—■— l0Q(l)

　 Line” Fit of Sheetl B“log(l)”

　Equdion

　y - a * bTx

　^eigh1

　Ne '.volgritin

　尺導 Iduai Sum of Squares

　5日丽応E-d

　Pearson's r

　Adj. R-3qua

　C. 999 西

　Value

　S tandard En o

　intercepi

　C1 0C439

　0.0Q4T6

　Slope

　1 93B?7

　D 1184

　-db -115 -UA -U/3 <12 研 CIO

　log(E)

　此时斜率变成了 1.938，很接近2,近似可以认为是平方检波律。最下面的点的电表示

　数相对值为0.051，绝对读数为0.3mV，而且读数不稳定，带来的误差比较大，所以在这里

　忽略掉这个点是合理的。

　3、半高点求晶体检波律

　测得左右两个半高点的位置分别为 di=95.62mm , d2=107.16mm , W=d2-di=11.54mm 由

　此计算n的公式为：n= log 0.5?w =1.938。比较接近2，可以近似认为是平方检波律。

　log cos? )

　附：原始数据记录表

　I

　I

　I

　I

　豊期眯U” 4

　小I如胡蚀恫加牛由卫

　iii也次则fcj氐皿 V 辽』

　AjHM 心“

　第二部分：驻波比测量

　(1)实验目的(1)

　掌握用直接法和等指示度法测量电压驻波比的测量原理和方法。

　实验原理

　驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一。 通过驻波系数（通常指电压驻波比）

　测量不仅可以了解传输线上的场分布， 而且可以获得阻抗、 导波波长、相位移、衰减、Q值

　等其它微波参量。电压驻波比（简称驻波比）是传输线中电场最大值与最小值之比， 表示为:

　(2-7)=iax

　(2-7)

　测量驻波比的方法很多， 测量仪器也较多。

　本实验主要通过直接法、 等指示度法测量 些负载的驻波比，掌握两种方法所适用的测量范围、测量原理、测量步骤。

　1、直接法

　2.6），根据式（

　2.6），根据式（2-7）直接求出电压驻波

　比。该方法适用于测量中、小电压驻波比。

　具体操作方法是：将测量线探头沿线移动直接测出测量线上最大场强 ？max （实际测量

　的是它对应的检波电流？?^）和最小场强？min （实际测出的是它对应的检波电流 n），直接 代入公式（2-7）得到驻波比。

　通常在实验条件下，检波功率电平较小，可以认为检波特性为平方律，即 n=2。当待测

　元件的驻波比在1.05 <P< 1.5时，则驻波比为：

　P= （2-8）

　囲盘石无4!豈上#这?

　囲盘石无4!豈上#这?

　驻波的最大值和最小值相差不大，且波节、波腹平坦难以准确测定。为了提高测量精度,

　可移动探针测出几个波腹和波节点的数据。然后用式（2-9）或（2-10）取平均值:>?+?

　可移动探针测出几个波腹和波节点的数据。然后用式（

　2-9）或（2-10）取平均值:

　>?+?+?3

　p= v

　l 7-1?i2?3

　(2-9)

　1 1 2 加？？？？3

　或p= (v + v + v + ? v )

　' ?1 ?2 ?3 ?/

　(2-10)

　当驻波系数1.5<p < 6时，可直接读出场强的最大值与最小值，按公式（

　2-8）计算。

　直接法测驻波比是一种最简单而又最常用的方法。

　但这种方法仅适用于驻波系数小于 6

　情，即适用于中、小驻波系数的测量。在大驻波比时，最大场强指示与最小场强指示相差悬

　殊。若要使？?ax不超出量程，n就必定很小，而低量程时电表读数误差较大。 若要使n保

　持较大的读数，则?max就必定要超出电表的量程。 同时，当被测器件的驻波系数大于 6时，

　由于驻波最大与最小时电压相差很大， 在驻波最大点由于电压较大， 往往使晶体的检波特性

　偏离平方律而转向直线律。这样用直接法测量驻波系数就将引入较大的误差。 因此，在大驻

　波系数的条件下，直接法不适用。需要寻求其他方法，下面介绍的等指示度法就是其中之一。

　2、等示度法（适用于P >6）

　等指示度法适用于测量大、中电压驻波比。当被测器件驻波较大时，驻波波腹点和波节

　点电平相差悬殊，因而在测量最大和最小点电平时， 使晶体工作在不同的检波律， 若按照直

　接法测量会产生较大的误差。等指示度法是采用测量驻波图形节点两旁附近的场分布规律求

　驻波比的方法,因此克服了直接法测量的缺点。具体描述如下:

　驻波比的方法,

　因此克服了直接法测量的缺点。具体描述如下:

　图(2.7)中表示出了驻波波节点附近的电场分布曲线和需要测量的相关量。通常测量

　图(2.7)

　中表示出了驻波波节点附近的电场分布曲线和需要测量的相关量。通常测量

　?左或右=2 3 4?>?in

　的两个等指示度点所对应的探针位置间的距离 W=|d2-di|。当检波器的检波律

　是平方检波时,传输线中驻波比可以按下式作近似计算:_ 1P "

　是平方检波时,

　传输线中驻波比可以按下式作近似计算:

　_ 1

　P "1 ?W)

　(2-11)

　‘ , . W

　当P大于10时，sin (亦)很小，上式可以简化为: ?2?

　(2-12)?

　(2-12)

　P= W

　上式可以看出，在等指示度法中，宽度 W和波导波长？?的测量精度对我们的测量结果

　影响很大，所以在测量过程中，我们测量宽度 W和波导波长？?时要细心，力求精确。

　三、实验内容及步骤

　1、参照图2.8接线，测量线终端接匹配负载。

　玛2.a

　玛2.a韩:我讯|亡皐若祀囹:爭躱皿中巧更.演兀料氓肯;巧迪枠建推)

　指示。

　（e）测量波导开口时的电压驻波比。 （理解实验现象）

　5、用等指示度法测量不同深度下螺钉的电压驻波比

　（a） 调节单螺深度置于 7mm，测量线探针移至驻波波节点。调整可变衰减器、正确

　选择检波电流值，必要时可微小调整测量线探针的插入深度（通常不用调整） ，读取驻波波

　节点幅值n。

　（b） 缓慢移动探针，在驻波波节点两旁找到指示器读数为 2?min的两个等指示度点，

　应用测量线标尺千分表读取这两个等指示度点对应的探针读数值 di和d2,记录数据。

　（c） 根据公式？?=聾计算驻波比。

　四、数据记录及处理

　1、直接法测驻波比

　螺钉插入深度/mm

　0

　2

　4

　6

　8

　n (mV)

　8.1

　7.9

　6.3

　2.3

　0.6

　?r?ax (mV)

　8.1

　8.3

　10.2

　17.3

　24.0

　计算p

　1.000

　1.025

　1.272

　2.743

　6.325

　这里米取的公式为公式（2-8）。

　2、等指示度法测驻波比（测量 5次取平均值）

　次数（n）

　n (mV)

　2n对应的探针位置

　W-|d 1-d2|(mm)

　驻波比

　d1 (mm)

　d2(mm)

　1

　1.1

　97.68

　100.98

　3.30

　4.54

　2

　1.1

　97.72

　101.02

　3.30

　4.54

　3

　1.1

　97.72

　101.04

　3.32

　4.51

　4

　1.1

　97.70

　100.96

　3.26

　4.59

　5

　1.1

　97.70

　101.02

　3.32

　4.51

　这里采用计算公式为公式（2-11），得到的驻波比的平均值为 4.54。

　所以，我们得到螺钉插入深度与驻波比的关系如下表所示：

　螺钉插入深度/mm

　0

　2

　4

　6

　7

　8

　驻波比

　1.000

　1.025

　1.272

　2.743

　4.540

　6.325

　画成图像如下图所示:

　7

　7

　7

　7

　一■一驻】皮比5

　一■一驻】皮比

　5

　AJ斗

　* *1

　击3

　2

　1

　0 2 4 5 8

　螺钉插入深曳（mm）

　五、两个部分的思考题

　（1） 测量线的调整主要包括那些内容？怎样调整测量线的探针电路？

　答：实验中测量线的调整一般包括选择合适的探针伸度、 调谐探头和测定晶体检波特性。探

　针电路的调谐方法：先使探针的插入深度适当，通常取 1.0~1.5mm。然后测量线终端接匹配

　负载，移动探针至测量线中间位置，调节探头活塞，直到输出指示输出值为最大。

　（2） 为什么要测量晶体二极管的检波律，其意义是什么？

　答：晶体二极管将电场强度信号转换成了电流信号或电压信号， 我们使用晶体检波器的目的是要测量波导中的电场强度， 为了得到电场强度与电流信号或电压信号的对应关系， 就必须

　确定晶体检波律n。

　（3 ）试比较实验中所用的二种驻波系数测量方法各自的特点。

　答：直接法直接根据驻波比的定义进行测量， 测出最大场强和最小场强， 然后用定义求出驻

　波比，这要求最小场强可以不被噪声湮没，最大场强没有超过量程，所以适用于测量中、小 电压驻波比；

　等指示度法只需要测量波节左右的 2倍最小场强的位置， 然后由此导出驻波比， 所以可

　以用于测量大驻波比，但是对位置的测量精度和导波波长的测量精度要求较高。

　（4）测量参量（如？?？ W等）时，移动测量线探针及短路活塞应如何操作？为什么？

　答：测量导波波长时，移动测量线探针至驻波波节点附近，然后沿一个方向移动， 依次找出 要测量的 d11、d12；d21、d22、d31、d32 的位置。若用短路活塞，则先将测量线探针置于驻波 波节点，再将短路活塞置于某个位置(比如活塞标尺刻度 2.0mm 处)，然后沿一个方向依次 找到要测的数据。

　两个操作基本一致， 都要尽量避免向反方向测量， 这样做可以避免空程带 来的误差。

　在接入单螺钉测驻波系数时，为什么要在单螺配器后接匹配负载？ 答：如果没有在单螺调配器后加上匹配负载， 那么不匹配负载的阻值就会与单螺调配器的阻 值叠加， 改变从单螺调配器左端看过去的阻抗值， 同时也影响了单螺调配器的驻波系数。

　所 以必须要在单螺调配器后面加上一个匹配负载， 否则所测的驻波比数值会受后面负载的影响。

　开口波导的驻波比pMR为什么？若在波导终端得到一个真正开路面，应怎样做？ 答：开口波导的阻抗为无穷大，所以反射系数为 1，理论计算的驻波比应该是无穷大，但是 实际上无法实现全发射， 所以驻波比不是无穷大， 若要得到一个真正的开路面， 则需要连接 一个四分之一阻抗变换器。

　在等指示度法测量驻波比时，如果 ?m?in 较小，往往是要增加测量探针的插入深度。这 样做是否会给测量结果带来较大的误差，为什么？

　答：会带来较大误差， 增加测量探针插入深度会对导波波长造成影响， 而等指示度法对导波 波长的测量精度要求比较高， 所以增加测量探针的插入深度会对最终的测量结果带来较大误 差。

　六、实验心得与改进意见

　这一次的微波实验要比上一次更加复杂， 考察了很多微波技术课上讲过的东西， 这就要 求我们对微波技术课上讲过的东西有比较好的理解， 否则就会在实验中遇到很多问题。

　实际 实验过程中， 我们也的确遇到了很多问题， 包括两次出现测不到信号的问题， 这时候需要调 整测量探针的插入深度， 但是我们没有经验， 不敢乱调， 只能求助于助教， 也很感谢助教的 帮助。还有一次问题是出在了螺钉上，也是助教发现了问题并修好了螺钉。

　总的来说， 微波技术课上讲过的驻波比的概念、 行波驻波的传输状态的问题在这次实验 中得到了很好的体现，我们也有机会实际来测量这些概念，对这些概念有了更直观的了解， 收获还是挺大的。当然， 实验中也难免遇到各种仪器的问题， 比如频率不稳定的问题， 也希 望能找到一种方法可以将信号源的输出频率稳定住，这会对实验结果有很大的改进，当然， 这很难。

　附：原始数据记录表

　表（工1）直接法测量驻波比

　媒订插入深度mm

　0

　1

　w

　4

　6 '

　J min( ni-V )

　血z

　7^.(?

　匚(mV)

　i I

　1-1

　2j

　JF 1 ■-

　p.￡

　计算P

　1

　IM

　|

　6.32Y

　表（2J等扌旨示變法河驻浚比（多次测帯取平均值｝

　次数M

　「1“

　(mV)

　I 2匚对应的採针位置

　Vi —| dl

　dl (mni}

　dz (mn)

　l

　fj

　吧作

　2

　fj

　nn

　入3。

　3

　f J ]

　1172

　Mb

　4

　3呼

　5

　1 1

　注：表2-1将最大值和最小值记反了， 表2-2中第四组数据中的 W应为2.26,实验报告中已

　改正。

　2、 调整信号源工作状态，以获得最佳输出。

　3、 不改变频率，导波波长仍采用第一部分测量得到的导波波长。

　4、 用直接法测量螺钉不同插入深度时的驻波比。

　 在测量线后换接成“单螺钉调配器 +匹配负载”。

　 将螺钉插入深度置于 Omm处，测量线探针置于波腹处，调整衰减器使微安表指

　示值适度，移动测量线探针，用直接法测出最大值与最小值，由式( 2-8)计算驻波比。

　 螺钉插入深度每增加 2mm，按上述步骤(b)进行一次测量，结果记录于表(2-1)中。

　 每次测量前，都要调整可变衰减器指示器的灵敏度， 使在波节处指示器有明显的

相关关键词： 检波器