微波實驗指導書2012

1、實驗一 微波常規(guī)測量系統(tǒng)的熟悉與調(diào)整一、實驗?zāi)康?1、了解常用微波常規(guī)測量系統(tǒng)的組成，認識常用微波元件，熟悉其特性、在系統(tǒng)中 的作用及使用方法。 2、熟悉常用微波儀器的調(diào)整和使用方法。二、實驗原理 1、實驗系統(tǒng)簡介圖1-1 常規(guī)微波測量系統(tǒng)微波常規(guī)測量系統(tǒng)如圖1-1所示。系統(tǒng)中的儀器和主要元件作用如下：(1)、信號源：產(chǎn)生微波信號。常用的簡易信號發(fā)生器，包括速調(diào)管振蕩器、速調(diào)管電源和調(diào)制器。速調(diào)管振蕩器產(chǎn)生并輸出需要的連續(xù)或調(diào)制信號，速調(diào)管電源供給速調(diào)管振蕩器所需各組穩(wěn)壓電源，調(diào)制器產(chǎn)生方波調(diào)制信號（重復(fù)頻率一般為1000Hz ）,對速調(diào)管振蕩器進行方波調(diào)制。標準信號發(fā)生器主要有速調(diào)管和體效應(yīng)

2、管兩類，在包含上述功能的基礎(chǔ)上增加了輸出幅度調(diào)節(jié)器（可變衰減器）以及頻率計等。(2)、頻率與功率監(jiān)視部分：由正向接入的定向耦合器從主通道中耦合出一部分能量，通過對該部分信號的監(jiān)測，確定其信號源的頻率并監(jiān)視輸出功率的穩(wěn)定性，標準信號源往往附有監(jiān)測系統(tǒng)。(3)、隔離器：是一種鐵氧體器件，用于消除負載反射對信號源的影響。理想的隔離器只允許信號由源向負載單方向通過（即對入射波衰減為零）。而全部吸收由負方載向源的反射功率（即對反射波衰減為無窮大）。利用其單向傳輸特性，既保證了信號的正常傳輸，又防止反射波進入信號源影響其輸出功率和振蕩頻率的穩(wěn)定。實用的隔離器正向衰減為零點幾分貝，反向衰減為幾十分貝。在沒有

3、隔離器時，可用固定衰減器代替。此時，對正向、反向信號有同樣衰減。(4)、衰減器：分固定衰減器和可變衰減器兩種。為電平元件，用來調(diào)節(jié)輸出功率的大小。調(diào)整可變衰減器的衰減量，可以控制到達負載的功率，使指示器有適度的指示。固定衰減器也可以用定向耦合器代替。(5)、測量線：用來測量負載在傳輸線上造成的駐波分布，確定駐波系數(shù)、駐波最小點位置和波導波長等，以便計算各種待測參數(shù)。 (6)、指示器：指示檢波電流的大小，對連續(xù)波信號、常用微安表、光點檢流計等指示器。而對調(diào)制波信號，常用選頻放大器做指示器。(7)、負載：包括匹配負載、短路器及其它任何待測終端器件。(8)、頻率計：用于測量信號源頻率。在簡單的測量系

4、統(tǒng)中也可以將其接在主通道中，接在副通道中的目的在于防止對主通道產(chǎn)生影響。2、系統(tǒng)調(diào)整在進行微波參數(shù)測量之前，首先要對系統(tǒng)進行調(diào)整。主要包括：根據(jù)要求調(diào)整信號源頻率及輸出功率；調(diào)整可變衰減器使功率電平滿足要求；系統(tǒng)調(diào)配；現(xiàn)將主要調(diào)整步驟和原理介紹如下：(1)、信號源的調(diào)整 試驗過程中可能會接觸到不同型號按“點頻”方式工作的信號源，其機械調(diào)諧旋鈕置于某一位置時，輸出相應(yīng)的單一頻率信號。常用的振蕩是反射式速調(diào)管振蕩器或體效應(yīng)管振蕩器。信號源的調(diào)整主要包括：調(diào)整頻率旋鈕，選擇需要的頻率；系統(tǒng)調(diào)配和調(diào)整輸出禍合度，使振蕩器處于最佳工作狀態(tài)且輸出功率最大；調(diào)整輸出衰減器，使信號源輸出功率滿足測量要求。在使

5、用信號源之前，請仔細閱讀說明書。(2)、諧振式頻率計的使用 在厘米波段，廣泛使用諧振式頻率計（也稱為諧振式波長計）。測量微波頻率，實際上是使用一只一端尺寸可調(diào)（一般用短路活塞）的單模諧振腔，將其以適當方式接入到測量電路中，調(diào)整短路活塞（即改變腔體長度），使之與信號源頻率諧振，諧振時活塞位置刻度所對應(yīng)的頻率值，即為待測頻率。本實驗使用的諧振式的頻率計的讀數(shù)方式是直讀式，即將校準的頻率值直接標注在測微器的外側(cè)圓筒上，使用時可直接讀出頻率。諧振式頻率計按其結(jié)構(gòu)和接入系統(tǒng)的情況可分為通過式和吸收式兩種，本實驗使用吸收式的頻率計。該種頻率計腔體只有一個耦合元件。腔體通過耦合機構(gòu)與待測信號的傳輸系統(tǒng)相耦合

6、，形成主通道的一個分支。腔體失諧時，基本上不吸收微波功率，從而不影響信號的正常傳輸，檢波指示正常，當調(diào)諧腔體使之與待測信號諧振時，腔體吸收功率很大，從而使檢波指示明顯下降。因此，在測量時只要緩慢連續(xù)調(diào)節(jié)調(diào)諧機構(gòu)，同時觀察檢波指示。當指示突然下降到最小時，頻率計所對應(yīng)的諧振頻率就是待測信號頻率。 （3）、測量線的調(diào)整與使用測量線的構(gòu)造主要包括開槽線段（波導、同軸線或者平板式）、探頭裝置（包括探針、檢波座和調(diào)諧器）、探頭移動機構(gòu)和位置測量裝置等。探針伸入開槽線段中并通過軸向槽縫可以左右移動，拾取開槽線段中的電場能量，感應(yīng)出與場強幅度成正比的電動勢加到檢波晶體上。檢波輸出由指示器指示。因此，指示器的

7、指示大小可反映出開槽線段內(nèi)探針所在0位置的相對電場強度，再由測量線的位置刻度指示可確定一系列參數(shù)。（4）選頻放大器的調(diào)整 調(diào)節(jié)選頻放大器的頻率微調(diào)，使得電表只是盡量達到最大（不一定是滿刻度）。此時，選頻放大器放大頻率與微波信號源調(diào)制頻率正好相同。三、實驗內(nèi)容1、調(diào)整信號源，調(diào)整輸出信號電平。2、測量工作頻率，計算工作波長。3、調(diào)整整個測量線系統(tǒng)，使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，用測量線測波導波長，計算工作波長，并與2中的結(jié)果比較。四、實驗步驟 在實驗開始之前，必須仔細閱讀各儀器使用說明書，熟悉基本原理和使用方法。（一）準備工作 按圖1-1檢查測試系統(tǒng)，將功率計探頭接于負載端。（二）信號源調(diào)整 1、閱讀信

8、號源使用說明書，按其說明進行調(diào)整。 2、減小可變衰減器1和3的衰減量，使指示器2有明顯指示。（三）頻率調(diào)整 1.緩慢調(diào)整檢波器的短路活塞，反復(fù)調(diào)整檢波器的調(diào)配螺釘，使檢波器指示器2指示較大或接近滿量程。 2.緩慢調(diào)整諧振式頻率計，使諧振于信號源頻率，對吸收式頻率計，檢波指示器2 突然減到最小。 3、讀取頻率計上的頻率值，記錄信號源頻率，并計算工作波長。（四）測量線的調(diào)整 1減少可變衰減器2的衰減量，使測量線檢波指示器1有明顯指示。 2移動測量線探針至駐波最大點位置（注意:在移：過程中需隨時調(diào)整可變衰減器2使檢波指示適中）。 3反復(fù)細致地調(diào)整測量線探針的調(diào)諧旋鈕，使檢波指示器1指示最大。 4按注

9、二方法，檢查調(diào)諧是否準確。（五）波導波長的測量。 1、移動測量線探針，測量測量線（開槽波導）中的駐波最小點位置。兩相鄰駐波最小點之間的距離為，計算平均波導波。由公式 （1-8） 式中（BJ-100型波導：，。BJ-48型波導：，?？傻?（1-9） 按照式（1-9）計算工作波長，并與步驟（三）的結(jié)果相比較。四、實驗報告1、畫出微博測量系統(tǒng)的組成框圖，并簡述系統(tǒng)中各微博元件的作用。2、測量頻率值，并計算出信號源工作波長和傳輸TE10模式時的波導波長。3、用測量線測量波導波長。五、思考題：1、如何用諧振式頻率計監(jiān)測工作頻率？2、信號源輸出端口接隔離器的作用是什么？3、確定波導波長時，若用確定駐波最大

10、點位置的方法，與用確定駐波最小點位置的 方法有何區(qū)別？實驗二 電壓駐波系數(shù)測量一、實驗?zāi)康氖煜ゑv波測量線的正確使用方法；掌握用直接法測量駐波系數(shù)（電壓駐波比）的原理和方法；理解微博技術(shù)中一些基本元件的工作原理和匹配概念。二、實驗原理如圖2-1所示，測量單口器件的駐波系數(shù)時，待測器件接在測量線輸出端；測量雙口（或多口）器件的駐波系數(shù)時，需要輸出口接的匹配負載。圖 2-1 電壓駐波比測量電路對中小駐波系數(shù)（一般或更小），可以用直接接法測量，即移動測量探針，根據(jù)在駐波最大點和最小點時指示器的指示和，按下式計算待測器件的駐波系數(shù)。 （2-1）式中n為晶體檢波律。在檢波功率電平最?。ㄐ⌒盘枡z波）的情況下

11、，可取n=2，則 （2-2）為了消除由于檢波律不確定而引起的計算誤差，可以按實驗一的方法預(yù)先對晶體定標，確定出檢波律，然后計算待測器的駐波系數(shù)。三、實驗內(nèi)容與步驟（1） 按實驗一的方法，調(diào)整測量線為最佳輸出狀態(tài)；（2） 用直接法測量以下五種不同負載情況下的駐波系數(shù)：(a) 短路片；(b) 開路負載；(c) 匹配負載；(d) 任意負載；(e) 喇叭天線； （3）結(jié)合傳輸線上不同工作狀態(tài)的特性分析，聯(lián)系以上實驗結(jié)果，深入理解傳輸線工作狀態(tài)與所接負載的關(guān)系。實驗三 阻抗測量與匹配技術(shù)一、實驗?zāi)康?、掌握測量線法量微波器件阻抗參數(shù)的原理和方法。2、熟悉阻抗（或?qū)Ъ{）圓圖在阻抗測量中的應(yīng)用。3、熟悉阻抗

12、調(diào)配技術(shù)。二、實驗原理（一） 駐波法測量微波器件阻抗參數(shù)的原理當微波傳輸系統(tǒng)的終端負載與傳輸線的特性阻抗不匹配時，就會產(chǎn)生反射，在系統(tǒng)中形成行駐波或純駐波。由傳輸線理論知道，對于一段無耗傳輸線，距負載參考面距離為d的任一點的阻抗和負載阻抗，傳輸線特性阻抗之間的關(guān)系為： （4-1）又因為在電壓駐波電小點的輸入阻抗為： （4-2）所以，當線上某一電壓駐波最小點距負載的距離為時，該點的輸入阻抗同時滿足（4-1）和（4-2）式，即簡化此式，得到、S、之間的關(guān)系為 (4-3)歸一化負載阻抗為 (4-4)阻抗測量裝置如圖4-1所示。圖4-1 阻抗測量裝置圖為了避免復(fù)雜的運算，可以利用阻抗圓圖求解，如圖4-

13、2所示。 在圖圓上，以測得的做等圓。從等圓與極小點軌跡的交點A處做沿等圓逆時針（向負載方向）轉(zhuǎn)動電長度到B點，則B點的阻抗即為歸一化負載數(shù)阻抗。圖4-2 用阻抗圓圖求解負載阻抗（二）駐波最小點的位置的確定通常測量線探針至負載參考面有較長的一段距離，不能直接測出負載至第一個駐波最小點的距離，需要采用間接的方法。其原理如圖4-3所示圖4-3 最小點偏移量的確定終端接短路片，將探針置于測量線終端短路時的駐波最小點位置，設(shè)標尺刻度為，該點至短路面的距離為。去掉短路片，接上待測器件，則駐波圖形將發(fā)生變化，最小點將向信號源方向移動。向信號源方向移動測量線探針，找到鄰近的第一個駐波最小點位置，設(shè)標尺刻度為，

14、則距終端的距離為 （4-7）（四）匹配技術(shù)為了使負載與傳輸系統(tǒng)匹配，可以在負載與傳輸系統(tǒng)間加入調(diào)配元件。調(diào)節(jié)調(diào)配元件，使之產(chǎn)生一個附加反射，它與由于負載不匹配而產(chǎn)生的反射波大小相等，相位相反，互相抵消，從輸入端看去沒有反射。調(diào)配元件種類很多，可以根據(jù)不同的場合和要求靈活選用。例如可以在系統(tǒng)中加入隔離器（主要用于源端匹配）、膜片、銷釘?shù)?。也可以加入可移單螺釘、固定位置的多螺釘、支?jié)線等。以可移單螺調(diào)配器為例，說明調(diào)配原理。在一段開槽波導段上安裝一個位置可調(diào)的螺釘，螺釘插入波導中，插入深度亦可調(diào)，就構(gòu)成可移單螺釘調(diào)器。將其接在測量線與被調(diào)配負載之間，即可進行調(diào)配。圖4-7 調(diào)配原理圖解設(shè)系統(tǒng)終端負

15、載的歸一化導納為，在圓圖上處于位置A點，如圖4-7所示，移動單螺釘?shù)奈恢煤筒迦肷疃?，就是要找這樣一個位置，在這個位置參考面上向負載端看入一輸入導納為。在圓圖上相當于從A點沿等圓移動到等S圓與圓的交點B（或交點C），（圖上B點導納值，C點導納值為）在這個位置改變螺釘插入深度，相當于傳輸系統(tǒng)上并聯(lián)一電納，使與原來的相抵消。此參考面上總的導納值為1。實現(xiàn)匹配。在圓圖上相當于從B或C點點沿的圓移動到原點。此時S=1達到了阻抗匹配的目的。實際上，通常采用逐步減小駐波系數(shù)法進行調(diào)配。即先把測量線探針置于駐波波谷點處，配合調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器的水平位置和螺釘插入深度，使指示器讀數(shù)有所增大，并隨時跟蹤駐波波谷，看其

16、是否增大，如此反復(fù)進行，直到駐波波谷值再不能增大為止?；虬褱y量線探針置于駐波波腹點處，配合調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器的水平位置和螺釘插入深度，使指示器讀數(shù)有所減小，并隨時跟蹤駐波波腹，看其是否減小，如此反復(fù)進行，直到駐波波腹值再不能減小為止。然后測量其駐波系數(shù)，看其是否滿足要求，如不滿足要求繼續(xù)上述方法進行調(diào)配。為了節(jié)約時間，可先用定向耦合器最小指示法進行粗調(diào)，如圖4-8所示，把定向耦合器反接在系統(tǒng)中。定向耦合器的副波導耦合出來自負載的反射波，經(jīng)檢波器檢波，指示器指示，調(diào)節(jié)調(diào)配器直至檢波指示最小。粗調(diào)即告完成。這種方法的調(diào)配精度受定向耦合器方向性的限制，例如對于Ko =20db的定向耦合器，利用此法可能判別出的系統(tǒng)的最小駐波系數(shù)為1.20。圖4-8 用定向耦合器最小指示法粗調(diào)匹配裝置圖三、實驗內(nèi)容1、測量開口波導或任意負載的歸一化阻抗。（1）測量線調(diào)整至最佳輸出狀態(tài)，輸出端接短路片，用諧振式頻率計測量并記錄工作頻率用實驗二方法計算波導波長。（2）在測量線中段取一駐波波節(jié)點位置D1，設(shè)標尺刻度為d1，置探針于位置D1保持不動。（3）取下短路片，使測量