晶体检波率校准与驻波比测量.docx
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晶体检波率校准与驻波比测量
实验B2晶体检波律校准与驻波比测量
【实验目的】
1．了解波导驻波测量线的基本结构和原理，并学会正确使用测量线。
2．掌握晶体检波律校准及波导波长测量的基本原理和方法。
3．掌握测量驻波比的基本实验方法与技术。
【预习问题】
1．怎样准确、简便地测定检波晶体管的检波律?
2．什么是波导波长？
怎样测量？
3．什么是驻波比？
测量驻波比的基本原理和方法？
【实验原理】
一．波导驻波测量线的调整
驻波测量线是微波实验不可缺少的基本仪器，可用来进行多种微波参量的测量。
测量线一般由一段开槽传输线、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。
由于耦合探针伸入传输线而引入不均匀性，其作用相当于在传输线上并联一个导纳，从而影响系统的工作状态，因此测量前必须仔细调整测量线，以减少其影响。
测量线的调整一般包括选择合适的探针穿伸度、调谐探头和测定晶体检波性。
探针电路的调谐方法：
先使探针的穿伸度适当，通常取1.0～2.0mm，然后在测量线终端接匹配负载，移动探针至测量线中间部位，调节探头活塞，直到输出指示最大。
“调节匹配”是微波测量中必不可少的概念和步骤。
采用驻波测量线调节微波系统达到匹配状态的基本方法：
测量线的探针放在驻波极小点或极大点处，采用调大｜E｜min 或调小｜E｜max的方法进行调配。
例如，探针放在极小点处，则调节接在测量线端点的调配元件，使探针的输出功率稍微增大（不要增大太多，否则会发生假象即波形移动，这时极小点功率并不增大），然后左右移动探针，看看极小功率是否真正增大。
这样反复调配元件，使极小点功率逐步增大，直到达到最佳匹配状态。
二．晶体检波律的测定
在微波测量系统中，微波能量通常是经过晶体二极管检波后送至指示器的，所以从电表上读到的是检波电流的有效值而不是高频电压。
晶体二极管是一种非线性元件，其检波电流I与所加的高频电压U的关系一般是非线性的，即
（B2-1）
式中K1是比例常数，n是晶体检波律；n=1称为直线性检波，n=2称为平方律检波，一般n不是整数。
检波律n与晶体检波器的特性及工作状态有关，在精密测量中必须先测定n，对晶体检波器进行定标校准。
通过驻波测量来定标校准晶体检波器是常用的晶体检波器定标校准的方法，简称为驻波法。
一般又可分为测量检波电流与相对场强关系曲线法和测量半高点法。
1．测量检波电流与相对场强关系曲线法
若忽略波导的损耗（一般波导管损耗很小）和探针负载的影响，则当终端短路时波导中驻波场的分布可表示为
（B2-2）
式中Em为波腹处的场强，d是离开驻波波节的距离，λg为波导波长。
在近似条件下，晶体二极管的端电压U正比于探针所在位置的电场强度E，所以
图B2-1 检波电流与相对场强的关系曲线
（B2-3）
（B2-4）
图B2-2 晶体检波律的定标曲线
式中K是比例常数。
式（B2-4）表明检波晶体的输出电流I与相对场强
在全对数坐标系中是一个线性关系，斜率就是晶体检波律n，如图B2-1所示。
因此，在从波节到波腹的λg/4范围内，移动测量线探针并逐点记下距离d与检波电流I，可计算出n。
实际上也可作出
与
的关系曲线，由I便可查出相应的电场强度E，如图B2-2所示。
计算驻波比时，即直接用两个E值相除，而不必求出n，使用更为方便。
2．测量半高点法
图B2-3半高点法确定晶体检波律
校正晶体检波器的另一种方法是，利用半高点之间的距离确定晶体检波律。
如图B2-3所示，在测量线终端接短路板，测量驻波极大值，然后在极大值两边测量半高点（即为驻波极大值的一半）之间的距离，可根据下式计算出检波律为
（B2-5）
式中Δd为驻波曲线上I=Im/2两点的距离，Im为波腹的检波电流。
必须指出，对上述方法测得的晶体二极管检波特性曲线，实际上还含着指示器的非线性在内，在精密测量中，当更换检测仪表时，都必须重新作出晶体检波特性曲线；同时，晶体检波器的特性随时间变化较大，应经常进行校准工作。
三．波导波长的测量
测量波长的常用方法有谐振法和驻波分布法。
实验B1中测量频率使用的谐振腔波长表，采用的就是谐振法。
驻波分布法使用波导测量线测量。
当测量线终端短路时，传输线上形成纯驻波。
波导波长是指在波导中传播的合成波的两个相邻波峰或波谷之间的距离，在数值上等于驻波相邻两个极值点（波腹或波节）之间距离的两倍。
由于场强在极大值点附近变化缓慢，峰顶位置不易确定，而且探针位于波节点处对场分布的影响最小，所以实际采用测定驻波极小值点的位置来求出波导波长。
图B2-4用“交叉读数法”确定驻波节点位置
测量时移动波导测量线探针，测出驻波相邻两个波节点之间的距离，即可求得波导波长。
为了提高测量精度，通常采用“交叉读数法”确定驻波波节点的位置。
如图B2-4所示，测量波节点附近两边指示器读数同为某一电平M的两点探针位置，再取这两点位置坐标的平均值作为波节点的坐标，则相邻两波节点的位置分别为
从而，测量线中的波导波长为
（B2-6）
在某些测量中，尚需求出无槽波导中的波导波长λg。
由理论分析可得，测量线（有槽波导）中的波导波长λgm与相同截面的无槽波导中的波导波长λg的关系为
（B2-7）
式中△x为测量线的槽宽，a、b分别为波导的截面宽度和高度。
这样，只要测出λgm，并给出△x、a和b的尺寸，则可用迭代法求出λg。
在开槽影响很小的情况下，一般测量中不区分λgm和λg，测出λgm即为λg。
另外，无槽波导中的波导波长λg也可直接测量。
在测量线的输出端接精密可调短路器（可变电抗器），用测量线确定某一驻波节点位置，探针置于该位置上不变；然后向信号源方向或其反方向移动可调短路活塞，使探针检测到相邻的另一个驻波节点。
这时，短路活塞移动的距离便等于半个波导波长。
实验中，通过测出波导波长λg，可计算出自由空间波长λ、频率f、相速度
和群速度u，他们之间关系为
（B2-8）
（B2-9）
（B2-10）
（B2-11）
式中c为光速，a为波导宽边尺寸（实验中所用波导a=22.86mm）。
如果测出微波频率f和波导波长λg，则可求出光速c。
四．驻波比的测量
驻波比的大小是衡量一个微波元件性能优劣的重要指标，也是微波测量中的一个基本参量。
通过驻波测量，可直接测出驻波比；也可间接从阻抗衰减量、相移量、谐振腔的品质因数、介质的介电常数以及微波元件的网络参数等测出驻波比。
因此，驻波比的测量是微波测量中最基本、最重要的内容之一。
微波驻波比S是指在传输线中所形成的驻波电场极大值
与极小值
之比，即
（B2-12）
当微波系统终端负载不同、波导处于不同的工作状态时，驻波比S也有大中小之分。
在精确测量驻波比之前，应先根据驻波极值点对应的检波电流粗略估计驻波比的大小，再进一步精确测定。
实验中通常采用波导测量线进行驻波比的测量。
用测量线测量驻波比有很多方法，表B2-1中列出了常用测量方法和应用范围。
这里只介绍最基本的直接法、等指示度法和功率衰减法。
表B2-1用测量线测量驻波比的常用方法
序号
测量方法
应用范围
1
直接法
小、中驻波比，S<6
2
等指示度法
中、大驻波比，S>6
3
功率衰减法
任意驻波比（与晶体检波律无关）
4
节点偏移法
任意驻波比（无耗四端网络）
5
滑动小反射负载法
小驻波比
1．直接法测量驻波比
直接法测量的适用范围是驻波比S<6的中小驻波比，在微波系统实际调试中要测的驻波比大多在S<6的范围内，因此直接法测量驻波比是一种常用的基本方法。
直接法测量驻波比就是直接测出测量线上驻波相邻波腹极大场强Emax和波节极小场强Emin，实际测出相对应的检波电流
和
，计算出驻波比。
若晶体检波律为n，则驻波比为
（B2-13）
若检波晶体工作在平方检波律情况下，式中n＝2。
为测量准确起见，可多测几个驻波极大值和极小值，则计算驻波比的公式为
（B2-14）
2．等指示度法测量驻波比
当驻波比大于6时，用直接法测量比较困难，因为电场的极大值Emax和极小值Emin相差悬殊，在指示器表头量程范围内，不易同时测准波节点的Imin和波腹点的Imax，而且此时检波晶体的检波律将偏离平方律，导致测量误差很大。
因此，测量大驻波比不采用直接法，通常采用等指示度法。
等指示度法测量大驻波比的基本思想是只在电场强度最小点附近测量驻波电场的分布规律，不测量电场强度大的点，从而避免了上述直接法的测量困难。
对于一任意驻波，电场的幅值可表示为
（B2-15）
设
为驻波的初始相位，Ei和Er为入射波场强幅值与反射波场强幅值，且
，Γ为反射系数，|Γ|为反射系数幅值，则
（B2-16）
式中
。
由驻波定义可知
（B2-17）
根据式（B2-16）和式（B2-17）有
（B2-18）
因为
、
、
，根据式（B2-18）可得
（B2-19）
取坐标原点在驻波波节Emin处，则初相
，
，则有
图B2-5等指示度法测量驻波比
（B2-20）
在平方律检波的情况下，检波电流
，所以式（B2-20）中
即为
。
如图B2-5所示，在驻波波节极小值点两侧取检波电流I为极小值点K倍的两点1和2，其宽度为d，K值可任意选定，检波电流I处到驻波极小值点的距离为d/2，则式（B2-20）可变为
（B2-21）
常取K=2，称为二倍最小功率法（也称“三分贝法”）。
这时，式（B2-21）变为
（B2-22）
当驻波比S≥10时，
<<1，
，
，则式（B2-22）可化简为
（B2-23）
由式（B2-23）可知，二倍最小功率法测量驻波比时，只需测定波节点两边二倍最小功率等指示点间的距离d和波导波长λg即可。
因此，d和λg的测量精度对测量结果影响很大，必须用高精度的探针位置指示装置（如千分表）进行读数。
根据上述等指示度法测量驻波比的基本原理可知，当驻波波节电场极小值很小，难以测量时，也可选择波腹电场极大值测量，再测出波节极小值点两边等指示度间的距离和相应的电场值，则可计算出驻波比；实际上，测量出驻波曲线波节极小值点一侧上任何两点到极小值点的距离和相应的电场值，也可计算出驻波比。
这些测量的计算公式请参考相关文献。
3．功率衰减法测量驻波比
驻波比S很大时，如S≥100，采用二倍最小功率法测量，要求测量距离和电场极小值的仪器灵敏度非常高；否则，会产生很大的测量误差。
例如，当波导波长λg＝4.4cm、驻波比为500±10％时，要求距离d的误差不得超过0.003mm，这在机械结构上很难实现。
这时就需要采用其他方法进行测量，功率衰减法就是其中一种常用的测量方法。
功率衰减法是一种简便而又准确的测量驻波比的方法，避免了晶体检波律的影响，把驻波极大值和极小值的测量转化为测量衰减量的改变，可测任意驻波比，特别适合于测大驻波比，测量的驻波比可达1000以上。
功率衰减法的微波测量系统组成如图B2-6所示。
测量时，先把测量线的探针置于驻波波节点，调节精密可变衰减器，使指示器的电表读数在满刻度的80%附近，并记下电表读数Imin及精密可变衰减器衰减量的分贝值Amin，再移动探针至波腹点，改变精密衰减器的衰减量，使指示器的读数仍为Imin，这时衰减器衰减量的分贝值为Amax，则有
（B2-24）
所以，被测驻波比S为
（B2-25）
图B2-6功率衰减法测量驻波比的实验装置
【实验器材】
反射式速调管微波信号源（反射式速调管电源和速调管座）、隔离器、谐振腔波长表、可变衰减器、波导测量线、环形器、谐振腔、单螺钉调配器、匹配负载、短路片、晶体检波器、检波指示器，双踪示波器、选频放大器、数字万用表等。
【基础性实验内容】
一．调节微波测量系统匹配
1．采用驻波测量线来调节微波测量系统匹配状态的实验装置如图B2-7所示，反复调节单螺钉调配器，直到微波系统达到最佳匹配状态，记录调节过程中的相关数据，如螺钉插入深度、沿槽位置与极小功率值等，分析他们之间的变化规律。
2．在最佳匹配状态下，测出整段测量线中驻波场的分布。
为保证驻波曲线（检波电流或电压与探针位置关系曲线）的测量精度，需要合理选择探针位置的“步长”。
图B2-7调节微波测量系统匹配的实验装置
二．波导波长的测量
1．测量线的输出端口接可变电抗器，采用“交叉读数法”测量波导测量线中的波导波长。
2．使用可变电抗器采用“交叉读数法”直接测量波导波长。
3．比较分析上述两种方法测出的波导波长的差别，解释产生差别的可能原因。
4．根据测出的波导波长，计算频率、相速和群速。
三．晶体检波律的测定
1．测量线的输出端口接短路片或可变电抗器，在波节和波腹点之间合理取10个点左右，从波节开始，依次移动探针位置，记录位置读数和相应的检波电流读数，做出检波电流与相对场强的关系曲线，计算晶体检波律。
为了减小因探针影响驻波分布而产生的误差，可采用以波节点为中心的对称测量法。
2．采用半高点法测定晶体检波律。
3．根据晶体检波律的测量值，分析讨论晶体检波律是否符合平方律。
四．驻波比的测量
1．测量线的输出端口接匹配负载，用直接法测量驻波比。
2．测量线的输出端口接单螺钉调配器和匹配负载，调节单螺钉插入伸度和沿槽位置使驻波比在10左右，采用等指示度法（二倍最小功率法）测量驻波比。
在不改变测量线终端待测负载状态的条件下，再用功率衰减法测量驻波比。
3．测量线的输出端口接短路片或可变电抗器，分别采用功率衰减法和等指示度法测量驻波比。
4．分析讨论上述驻波比的测量结果。
【数据处理】
一．调节微波测量系统匹配
1.根据图B2-7连接仪器，调节仪器达到匹配状态，调节过程的相关数据如表B2-1。
表B2-1调节微波系痛打到最佳匹配状态相关数据
单螺钉位置x/mm
9
9
28.5
28.5
47.8
47.8
47.8
插入深度/mm
2.994
2.675
3.28
2.239
3.548
2.79
2.503
电压μV
81
80
78
80
81
75
83
从上表可以看出47.8mm插入深度为2.790时为系统最佳匹配。
2.在最佳匹配状态，测量线中驻波场的分布如图B2-8所示。
（表B2-2为测量线驻波场中位置x与相对检波电流I的实验数据）
表B2-2最佳匹配状态下，测量线驻波场的分布数据表
x/mm
V/μV
x/mm
V/μV
x/mm
V/μV
93
1
106
66
119
86
94
14
107
52
120
90
95
26
108
36
121
91
96
42
109
22
122
90
97
58
110
11
123
85
98
70
111
1
124
77
99
82
112
1
125
69
100
87
113
9
126
57
101
90
114
20
127
42
102
91
115
36
128
28
103
88
116
51
129
16
104
82
117
65
130
4
105
75
118
78
131
1
由图表作出曲线图：
图B2-8最佳匹配状态下测量线驻波场的分布
分析：
所谓系统匹配，就是使微波完全进入下级部件而一点也不反射回来。
即不形成驻波。
测量线的驻波场，可以认为是入射波和反射波叠加形成的，如果系统达到匹配状态，反射波为零，测量线中自然不会形成驻波场。
设入射波的振幅为A，反射波的振幅为B，则驻波场的波节幅度为A-B，波腹幅度为A+B。
当达到最佳匹配时，B=0，波节、波腹幅度都为A，图像变为一条直线。
所以，实验中采用调大｜E｜min 或调小｜E｜max的方法进行调节系统匹配。
｜E｜min 和｜E｜max的差值越小，系统越接近匹配。
最佳匹配时，驻波比S=1。
二．波导波长的测量
实验中采用“交叉读数法”测量数据如表B2-3所示。
表B2-3“交叉读数法”测量波导波长数据
x/mm
91.4
98.8
110
117.7
V/μV
30
30
30
30
波节位置/mm
95.1
113.85
波长λ/mm
18.75
使用可变电抗测波导波长，所得数据如下表：
表B2-4“可变电抗法”测量波导波长数据
x/mm
0.23
4.17
18.521
23.015
V/μV
30
30
30
30
波节位置/mm
2.3
20.768
波长λ/mm
18.468
由表3和表4数据可得：
λgm=18.75mm
λg=18.468mm
由于缝的影响，使波导中电磁场分布发生改变，进而波导波长也发生改变，从实验数据中可以看出测量线有缝波导波长λgm大于无缝波导波长λg，其关系满足式（B2-7）。
将波导参数及测得的数据代入得，（波导的长宽a=22.86mm，b=10.16mm，缝宽Δx=3.00mm）
=18.468（1+32＊18.4682/8π＊22.862＊10.16）mm
=18.487mm
相对百分误差为:
=｜（18.487-18.75）/18.487｜×100%
=1.4%
根据测出的波导波长，及式（B2-8）—（B2-11）可求得：
自由空间波长:
=17.124mm
频率:
=2.998×108/17.124×10-3HZ
=17507MHZ
相速度:
=18.468×10-3×17507×106m/s
=3.23×108m/s
群速度:
=（2.998×108）2/3.23×108
=2.78×108m/s
三．晶体检波律的测定
1．测量检波电流与相对场强关系曲线法
测量波节与波峰中的十个点，得到如下数据：
表B2-5晶体检波率的测定
x/mm
115.5
117.5
119
120
121
122.5
123
124.3
125
125.5
V/μV
1
10
33
49
61
75
81
85
87
88
根据上表数据作lgI—lg[sin（2πx/λg）]关系曲线，并进行线性拟合，其曲线及拟合公式如图B-2-7所示
图B-2-7lgI—lg[sin（2πx/λg）]关系曲线
由图可知拟合线的方程为：
y=1.8886x+1.9712
由此可知晶体检波率为1.8886。
2.由半高点法测量晶体检波率
由半高点法测量的关于晶体检波率的数据如下表B-2-8所示
表B-2-6半高点法测量晶体检波率数据
半高点位置
d1
d2
Δd
x/mm
115.5
120
4.5
根据式（B2-5）及上表数据，晶体检波率为
=2.124
分析：
本实验采用两种方法对晶体检波率进行测量。
．测量检波电流与相对场强关系曲线法是根据晶体检波率的定义式经过数学变形，线性拟合对晶体检波率进行测量，并且实验数据较多；而半高法的计算公式进行了较大的变形，且测量数据较少。
相比之下，第一种方法得到的晶体检波率较准确。
可以判断晶体检波率基本符合平方率。
四．驻波比的测量
1、测量线输出端口接匹配负载，用直接法测量驻波比
实验中用直接法测量的驻波比数据如表B-2-7所示：
表B-2-8直接法测量驻波比数据
相对检波电流Imax
87
87
87
相对检波电流Imin
85
84
84
根据表B2-8中数据得：
2、测量线输出端口接单螺钉调配器和匹配负载，用等指示度法（二倍最小功率法）、功率衰减法测量驻波比
（1）利用等指示度法测量驻波比
实验所测得的数据如表B-2-9所示
表B-2-9等指示度法测量驻波比实验数据
2Imin位置x/mm
102.9
104.1
Δd/mm
1.2
由上表所得数据以及公式（B2-23）得：
（2）利用衰减法测量驻波比
实验所测得数据如下表所示：
表B-2-10衰减法测量驻波比实验数据
衰减量d（Amin）/mm
衰减量d（Amin）/mm
80%
0.987
2.76
根据衰减量——刻度对照表（9600MHz）由此作出衰减量A—刻度x曲线如图B-2-8所示
图B2-8衰减量A—刻度x曲线（9600MHz）
由上图，设曲线满足
，通过变形可得
（a、b为拟合系数）
则lnA与lnx呈线性关系。
lnA与lnx的关系曲线如下图所示：
图B2-9lnA与lnx的关系曲线
由图可知lnA与lnx的线性拟合比较好。
则：
Amin=1.83
0.9872.16=1.779
Amax=1.83
2.7602.16=18.658
分析：
实验中由于参考的衰减量——刻度对照表是针对频率为9600MHz的微波，而实验时微波的频率为17507MHz，因此实验存在一定的误差。
3、测量线的输出端口接可变电抗器，采用功率衰减法和等指示度法测量驻波比
实验中分别采用功率衰减法和等指示度法测量驻波比所得的实验数据如下表所示：
表B-2-11功率衰减法和等指示度法测量驻波比（接可变电抗器）
等指示度法
2Imin位置x/mm
93.06
93.5
功率衰减法
80%
0.785
3.672
等指示度法：
功率衰减法：
Amin=1.83
0.7852.16=1.097
Amax=1.83
3.6722.16=30.384
误差分析：
两种方法测出的驻波比相差较大，可能是因为指示度法和功率衰减法要对波节处的相对检波电流进行测量，因此测量仪器的灵敏度较高。
灵敏度提高时，干扰信号也增强，导致指针摆动不定，造成读数误差。
【思考与讨论】
1．驻波测量线的调节应注意哪些问题？
调节驻波测量线时，要尽量缓慢移动探针，并且向一个方向移动，避免回程差；测量数据时，应尽量在测量线中部移动探针，避免边界对驻波场的影响。
2．为什么要测量晶体检波器的检波律？
若检波器的检波律为平方律，检波器指示电表的读数与微波场强的关系如何？
能否作为相对功率的指示？
晶体检波率是确定探针测量量与所测点电场强度关系的参数，因此只有知道晶体检波率，才能知道各测量点电场的相对线性关系。
若检波器的检波律为平方律，检波器指示电表的读数与的关系为
，其中，I为检波器指示电表的读数，E为微波场强，A为常量。
因为满足平方率，所以可以作为相对功率指示器。
对于电磁波，能流密度的平均值为
，而满足平方率的检波指示器电表读数与
成正比，所以可以指示相对功率。
3．在微波传输线终端，接上不同性质的负载时，传输线上微波的传输状态如何？
能否在实验中观察到？
为什么？
在微波传输线终端接上不同性质的负载时，反射波的幅度不同，传输
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