實驗一 微波測量儀器和元件的認識

1、實驗一 認識微波測量系統(tǒng)及常用微波元器件【實驗?zāi)康摹?了解三厘米微波測量系統(tǒng)的組成及各部分的作用。2學(xué)會正確調(diào)整和使用測量線。【實驗儀器】三厘米微波參數(shù)測量系統(tǒng)【實驗原理】（一）微波與電磁波微波是一種波長較短的電磁波，頻率范圍處于光波和廣播電視所采用的無線電波之間，約為300MHz-300GHz ，波長范圍約為1m-1mm ，因此它兼有兩者的性質(zhì)，卻又區(qū)別于兩者，波長較長的分米波（1m 至10cm ）和無線電波的性能相近，而波長較短的毫米波（1mm 至1cm ）與光波的性質(zhì)相似。 根據(jù)Maxwell 方程組導(dǎo)出的波動方程以及具體波導(dǎo)的邊界條件，可以嚴(yán)格求解出只有橫電波和橫磁波兩大類波能夠在矩形

2、波導(dǎo)中傳播。橫電波又稱為磁波，簡寫為TE 波或H 波，磁場可以有縱向和橫向的分量，但電場只有橫向分量。橫磁波又稱為電波，簡寫為TM 波或E 波，電場可以有縱向和橫向的分量，但磁場只有橫向分量。在實際應(yīng)用中，一般讓波導(dǎo)中存在一種波型，而且只傳輸一種波型，我們實驗用的10TE 波就是矩形波導(dǎo)中常用的一種波型。如果波導(dǎo)終端負載是匹配的，傳播到終端的電磁波的所有能量全部被吸收，這時波導(dǎo)中呈現(xiàn)的是行波。當(dāng)波導(dǎo)終端不匹配時，就有一部分波被反射，波導(dǎo)中的任何不均勻性也會產(chǎn)生反射，形成所謂混合波。 矩形波導(dǎo)中TE 模的電磁場結(jié)構(gòu)矩形波導(dǎo)10TE 波具有如下特點：1 存在一個臨界波長2a =，只有波長c <

3、;的電磁波才能在波導(dǎo)管中傳播。2 波導(dǎo)波長g >（自由空間波長）。3 電場只存在橫向分量，電力線從一個導(dǎo)體壁出發(fā)，終止在另一個導(dǎo)體壁上，并且始終平行于波導(dǎo)的窄邊。4 磁場既有橫向分量，也有縱向分量，磁力線環(huán)繞電力線。5 電磁場在波導(dǎo)的縱方向z 上形成行波。在z 方向上，y E 和x H 的分布規(guī)律相同，即y E 最大處xH 也最大，y E 為零處x H 也為零，場的這種結(jié)構(gòu)是行波的特點。（二）微波測量系統(tǒng):微波沿普通的雙股導(dǎo)線傳輸時，會大量向周圍空間輻射，同時由于電流的趨膚效應(yīng)，導(dǎo)線的熱損耗也急劇增大，這些都使微波能量無法有效地傳輸，因此一般不用雙導(dǎo)線來傳輸微波。常用的微波傳輸線為同軸線

4、、波導(dǎo)管、帶狀線等。微波在波導(dǎo)中傳輸具有橫電波（TE 波）、橫磁波（TM 波）和橫電波與橫磁波的混合波三種形式。本實驗使用三厘米標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，僅能傳輸TE10波。一個完整的微波測量系統(tǒng)通常由信號源、測量裝置和指示器三部分組成。實際測量中可根據(jù)具體情況，對測量系統(tǒng)進行簡化，實驗室所用測量系統(tǒng)如下圖所示。 1信號源部分。包括微波信號發(fā)生器、隔離器以及功率、頻率監(jiān)視單元。信號發(fā)生器提供測量所需的微波信號，它具有一定頻率和足夠的功率電平。功率、頻率監(jiān)視單元是利用定向的耦合器分出一小部分微波能量，經(jīng)過檢測指示來顯示信號源的工作情況是否穩(wěn)定，以便及時調(diào)整。隔離器的作用是減少負載對信號源影響，可變衰減器用來

5、根據(jù)測量需要改變信號源輸出功率電平。2測量裝置部分：包括測量線、調(diào)配元件、待測元件和輔助元件（如短路器，匹配負載），以及電磁能量檢測器（如晶體檢波器，功率計探頭等）。3指示器部分：指示器是顯示測量信號與特性的儀表，常用的有直流電流表、測量放大器、功率計、示波器、光電檢流計和數(shù)字功率計等。（三）常用微波元件在微波系統(tǒng)中，實現(xiàn)對微波信號的定向傳輸、衰減、隔離、濾波、相位控制、波型與極化變換、阻抗變換與調(diào)配等功能作用的，統(tǒng)稱為微波元（器）件。1. 同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器 同軸線的主模是TEM 模，矩形波導(dǎo)的主模是TE10模， 同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器使TEM 模變成TE10模。 2. 矩形波導(dǎo) 橫截面為矩形的空心導(dǎo)波

6、裝置，TE 和TM 電磁波可在其導(dǎo)體空腔內(nèi)傳播?？梢员苊馔饨绺蓴_和輻射損耗。導(dǎo)體損耗低、功率容量大。 3. 隔離器 隔離器是一種不可逆的衰減器，當(dāng)微波信號正向通過時衰減器量很小，約0.5-db ，反向通過時衰減量很大，達20-40db ，兩個方向的衰減量之比稱為隔離度。隔離器應(yīng)用于傳輸系統(tǒng)和測量系統(tǒng)起隔離或消除反射的作用。使用時注意方向性，不能接反。 4. 衰減器 是一種用來衰減微波功率的微波器件，也可作為負載與信號源之間的去耦元件。衰減器分為固定衰減器和可變衰減器兩種。衰減器的衰減量定義為在衰減器終端負載匹配的條件下，其輸入微波功率與輸出微波功率之比的分貝數(shù)。衰減量包含吸收衰減、反射衰減。

7、5. 波長計（頻率計） 6. 波導(dǎo)測量線波導(dǎo)測量線是探測三厘米波導(dǎo)中駐波分布情況的儀器，通常用來測量波導(dǎo)元件、波導(dǎo)系統(tǒng)的駐波系數(shù)、阻抗，還可以測量波導(dǎo)波長、相移等多種參數(shù)，是一種通用的微波測量儀器。 7晶體檢波器 微波檢波系統(tǒng)采用半導(dǎo)體點接觸二極管（稱微波二極管），外殼為高頻鋁瓷管，形狀象子彈。晶體檢波器就是一段波導(dǎo)和裝在其中的微波二極管。 8. 匹配負載 是終端元件，當(dāng)需要傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時，需要用到匹配負載，它能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。匹配負載要求寬頻帶、小輸入駐波比且有一定的功率容量。 9. 單螺調(diào)配器 插入矩形波導(dǎo)中的一個深度可以調(diào)節(jié)的螺釘，并沿著矩形波導(dǎo)寬壁中心的無輻

8、射縫作縱向移動，通過調(diào)節(jié)探針的位置使負載與傳輸線達到匹配狀態(tài)。調(diào)匹配過程的實質(zhì)，就是使調(diào)配器產(chǎn)生一個反射波，其幅度和失配元件產(chǎn)生的反射波幅度相等而相位相反，從而抵消失配元件在系統(tǒng)中引起的反射而達到匹配。 10. 環(huán)形器 可以控制微波功率的流向。11. 短路負載 將電磁波的能量全部反射回去，將波導(dǎo)的終端短路。實用中短路負載都做成可調(diào)的稱為可調(diào)的短路活塞。12. 微波信號源。它提供所需微波信號，頻率范圍在86GHz 一96GHz 內(nèi)可調(diào)，其工作方式有等幅、方波、外調(diào)制等，實驗時根據(jù)需要加以選擇。13選頻放大器 主要用于測量微弱低頻交流信號，信號經(jīng)升壓、放大，選出1kHz 附近的信號，經(jīng)整流平滑后由

9、輸出級輸出直流電平，由對數(shù)放大器展寬供給指示電路檢測?！緦嶒瀮?nèi)容及步驟】注意：開機前將系統(tǒng)中的全部儀器必須可靠接地，否則，功率頭極易燒毀。1了解微波測量系統(tǒng)：（1）觀看常用微波元件形狀，結(jié)構(gòu)，了解其作用，主要性能和使用方法。（2）按照系統(tǒng)方框圖，把微波測量系統(tǒng)連接好。2調(diào)整信號源：（1）調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，。（2）選擇合適的工作狀態(tài)和調(diào)制信號的頻率。 （3）選擇實驗所需信號輸出功率。（4）按下電源按鍵，指示燈亮，預(yù)熱15分鐘。 3功率計的調(diào)整：（1） 根據(jù)測試頻率范圍和功率選用合適的功率探頭。接到功率計輸出端。 （2） 接通電源，預(yù)熱。（3） 根據(jù)測量功率和選用探頭選擇合適的量程。（4） 調(diào)節(jié)

10、零點，“粗調(diào)”和“細調(diào)”配合調(diào)節(jié)使表頭指示為零，然后把功率探頭接入被測信號源輸出端，減少信號源衰減量，調(diào)到是實驗所需信號的功率。 （5） 測試完畢，關(guān)閉電源，功率探頭取下。（6） 用同軸電纜連接信號源與測量系統(tǒng)，把微波信號送到微波測量系統(tǒng)。 【思考題】連接隔離器注意什么？為什么？實驗二 駐波測量【實驗?zāi)康摹? 掌握諧振式頻率計（波長表）測量頻率的方法。 2 掌握直接法測駐波比及波導(dǎo)波長的方法。 【實驗儀器】三厘米微波參數(shù)測量系統(tǒng) 【實驗原理】駐波比（或反射系數(shù)）能表征電磁場的分布規(guī)律，所以駐波測量是微波測量中最基本的和最總要的內(nèi)容之一，因負載阻抗和波導(dǎo)特性阻抗不匹配而產(chǎn)生駐波，因此通過駐波比測

11、量，就可以檢查系統(tǒng)的匹配情況，進而明確負載的性質(zhì)。駐波系數(shù)測量不僅可以了解傳輸線上的場分布，而且可以測量阻抗、波長、相位移、衰減、Q 值等其它參量，傳輸線上存在駐波時，能量不能有效地傳到負載，這就增加了損耗；駐波測量是將探針在開槽的傳輸線中移動，探針經(jīng)過窄槽插入波導(dǎo)內(nèi)并與電場平行，其感應(yīng)電動勢經(jīng)同軸探針座送到晶體檢波器，被檢波后從測量放大器電表讀出。當(dāng)探針座沿波導(dǎo)移動時，放大器讀數(shù)就間接地表示了波導(dǎo)內(nèi)電場大小的分布，找出電場的最大值與最小值及其位置，就能求出駐波大小及相位。 1駐波比測量當(dāng)信號電壓較小時，檢波二極管基本遵守平方律特性，檢波電流I 與信號電壓U 間的關(guān)系為2I U ，即檢波電流I

12、 與輸入功率成正比。考慮到U E (E為波導(dǎo)內(nèi)場強，所以E ，即 max minE E =maxminI I =，故可知的取值范圍為1，通常按的大小可分三類：3為小駐波比；310為中駐波比；10為大駐波比。如果不知道檢波律，必須用晶體檢波特性曲線求出場強和指示器讀數(shù)的關(guān)系再求得。駐波比的測量，應(yīng)根據(jù)駐波比的大小采用不同的方法，以保證測量的精度。 確度，可移動探針多測幾個波腹和波節(jié)的場強，然后取其平均值max1max 2max min1min 2min . . n nE E E E E E +=+。當(dāng)駐波比很大時，駐波波腹點與波節(jié)點的電平相差較大，在一般的指示儀表上，很難將兩個電平同時準(zhǔn)確讀出，

13、晶體檢波律在相差較大的兩個電平可能也不同，因此不能將它們相比求出駐波系數(shù)。功率衰減法測量大駐波系數(shù)，應(yīng)用可變衰減器測量駐波腹點和節(jié)點兩個位置上的電平差，使得測量精度主要決定于衰減器精度和系統(tǒng)的匹配情況，而與晶體檢波律無關(guān)。方法是改變測量電路中可變衰減器的衰減量，使探針位于駐波腹點和節(jié)點時指示電表讀數(shù)相同，則駐波系數(shù)min min2010A A -=，式中min min A A 、分別為探針位于駐波腹點和節(jié)點時可變衰減器的衰減量，單位為dB 。 2微波頻率測量通過測量波長推算出頻率，在分米波與厘米波段，常用諧振式頻率計（波長表）測量波長。電磁波通過耦合孔進入頻率計的空腔中，當(dāng)頻率計的腔體失諧時，

14、腔里的電磁場極為微弱，此時，基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過波導(dǎo)中的電磁波信號強度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可以讀出輸入微波諧振時的刻度，通過查表可以得知輸入微波諧振頻率。 3 波導(dǎo)波長工作波長是微波源發(fā)射的電磁波在波導(dǎo)中傳播的波長，它是連續(xù)的等幅波。在自由空間或波導(dǎo)中傳播時工作波長是相同的。 波導(dǎo)波長g 則是工作電磁波在波導(dǎo)中兩側(cè)壁來回反射形成電磁場，其場強沿波導(dǎo)傳播方向的周期性分布，這種周期就對應(yīng)于波導(dǎo)波長g ，即在波導(dǎo)管中傳播的合成波的兩個相鄰波峰或波谷之間的距離，數(shù)值上等于相鄰兩個駐

15、波極值點（波腹或波節(jié)）距離的兩倍。g 可用表示為g =，c 為截止波長（與傳輸模式及波導(dǎo)的截面尺寸有關(guān)，實 驗中為2a ）。在測量線中入射波與反射波的疊加為接近純駐波，由于場強在極大值點附近變化緩慢，峰頂位置不易確定，而且探針位于波節(jié)點處對場分布的影響最小，所以實際采用測定駐波極小點的位置來求出波導(dǎo)波長。為提高測量精度，通常采用交叉讀數(shù)法確定波節(jié)點的位置，即在兩個相鄰波節(jié)點附近找出輸出幅度相等的兩點的位置L 1min 、L 2min ，取這兩點坐標(biāo)的平均值作為波節(jié)點的坐標(biāo)。實驗中由于可變電抗的反射系數(shù)接近1，測量方法如下圖所示，不直接測量最小點的位置，而是在最小點兩側(cè)找到兩個電流讀書相同的點&

16、#39; ''11X X、，則' '' 111min2X X L +=，同理' '' 222min 2X X L +=。由此可得波導(dǎo)波長2min 1min 12g L L =-。 電場沿測量線分布圖I ：為選頻放大器的指示值L ：為駐波在波導(dǎo)測量線中的相對位置4微波的衰減將微波元件接在匹配信號源與匹配負載之間，插入元件的輸入功率與輸出功率之比的分貝數(shù)定義為衰減，即10logP A P =入出，式中P 入為插入元件前負載吸收功率，P 出為插入元件后負載吸收功率，元件的衰減是唯一的，與外部環(huán)境無關(guān)。實驗中分別直接測量功率比法和替代法測

17、量衰減。功率比法（直接測量法）：接入被測器件前，調(diào)整調(diào)配器，使測量線上測得得檢波部分為匹配狀態(tài)，并從指示器上讀得電流I 1；接入被測器件后，從指示器上讀得電流2I 。當(dāng)檢波器為平方律檢波時210logI A I =1。 高頻替代法:被測器件接入前，調(diào)節(jié)精密可變衰減器至A 1，使指示器指示為I 。被測器件接入后，調(diào)節(jié)精密可變衰減器至A 2，使指示器指示仍為I 。被測器件的衰減量A=A2-A 1，此法比直接測量法精確, 其測試精度取決于衰減器的精度。 【實驗內(nèi)容與步驟】注意：開機前將系統(tǒng)中的全部儀器必須可靠接地，否則，功率頭極易燒毀。 1 用頻率計（波長表）測量頻率 頻率測量框圖（1）關(guān)閉所有電源

18、，按上圖連接微波實驗系統(tǒng)。（2）將可變衰減器調(diào)到最大衰減，以免造成開機后選頻放大器指針超出量程，使表頭機械損壞。 （3）打開選頻放大器電源，“頻率”選擇“1KHz ”，量程置于“*10”位置，“增益”置于較小位置，“輸入電源”細調(diào)至中間位置，“輸入電壓”步進開關(guān)置于較大位置。檢查此時在沒有輸入信號的情況下指示是否為零。（4）打開微波信號源，選擇“方波”(頻率1KHz 調(diào)制，調(diào)節(jié)“頻率”至合適值（表頭顯示和真實頻率有誤差，約40MHz 以內(nèi)）。預(yù)熱15分鐘左右，以使輸出頻率更穩(wěn)定。（5）調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器，左右移動測量線探針位置，適當(dāng)調(diào)制增益等，使選頻放大器指示值在表頭中間偏右位置（即選頻放大器既不

19、超出量程，示數(shù)又不會太?。?。（6）緩慢旋動頻率計（波長表）的測微頭在10GHz 附件，當(dāng)波長表與被測頻率諧振時，將出現(xiàn)吸收峰。反映在檢波指示器上的指示是一跌落點，(參下圖）此時讀出波長表測微頭的讀數(shù)，再從波長表頻率與刻度曲線上查出對應(yīng)的頻率，就是所測信號源的頻率。由于頻率計的測量精度小于0.3%，所以這種測量的精度很高。檢波電流I波長表測微頭位置波長表諧振點曲線（7）在讀完數(shù)后調(diào)節(jié)頻率計使其失諧，以免影響后面的實驗內(nèi)容。 實驗記錄： 2 小電壓駐波比測量 信號源 選頻放大器 隔離器 波長表 可變衰減器 測量線 單螺調(diào)配器 匹配負載 小駐波比測量框圖 （1）關(guān)閉所有電源，按上圖連接微波實驗系統(tǒng)，

20、負載終端不能開路或短路（ r = ¥ ） 。 （2）將可變衰減器調(diào)到最大衰減，以免造成開機后選頻放大器指針超出量程，使表頭機械損壞。 （3）打開選頻放大器電源， “頻率”選擇“1KHz” ，量程置于“×10”位置， “增益”置于較小位置， “輸入電源”細調(diào)至中間位置， “輸入電壓”步進開關(guān)置于較大位置。檢查此時在沒有輸入信號的 情況下指示是否為零。 （4）打開微波信號源，選擇“方波”(頻率 1KHz調(diào)制，緩慢調(diào)節(jié)“頻率”至合適值（表頭顯示和 真實頻率有誤差，約 40MHz 以內(nèi)） 。預(yù)熱 15 分鐘左右，以使輸出頻率更穩(wěn)定。 （5）調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器，左右移動測量線探針位置，適

21、當(dāng)調(diào)制增益等，使選頻放大器指示值在表頭 中間偏右位置（即選頻放大器既不超出量程，示數(shù)又不會太?。?。 （6）移動測量線探針位置，用選頻放大器測出波導(dǎo)測量線位于相鄰波腹和波節(jié)點上的 Im ax 和 Im in ， 利用平方律檢波計算駐波比 r 。 序號 1 2 Im ax Im in r r 3 大駐波系數(shù)的測量 選頻放大器 信號源 隔離器 波長表 可變衰減器 精密衰減器 測量線 被測元件 匹配負載 功率衰減法連接框圖 （1）關(guān)閉所有電源，按上圖連接微波實驗系統(tǒng)。 （2）將可變衰減器調(diào)到最大衰減，以免造成開機后選頻放大器指針超出量程，使表頭機械損壞。 （3）打開選頻放大器電源， “頻率”選擇“1

22、KHz” ，量程置于“×10”位置， “增益”置于較小位置， “輸入電源”細調(diào)至中間位置， “輸入電壓”步進開關(guān)置于較大位置。檢查此時在沒有輸入信號的 情況下指示是否為零。 （4）打開微波信號源，選擇“方波”(頻率 1KHz調(diào)制，緩慢調(diào)節(jié)“頻率”至合適值（表頭顯示和 真實頻率有誤差，約 40MHz 以內(nèi)） 。預(yù)熱 15 分鐘左右，以使輸出頻率更穩(wěn)定。 （5）精密衰減器置于“零”衰減刻度。 （6）將測量線的探針調(diào)到駐波波節(jié)點，調(diào)節(jié)精密可變衰減器，使電表指示在 80 刻度附近，并記下 該指示值。 （7）將測量線的探針調(diào)到駐波波腹點，并增加精密衰減器的衰減量，使電表指示恢復(fù)到上述指示 值，

23、讀取精密衰減器刻度并換算出衰減量的分貝值 A。 （8）計算被測駐波系數(shù)。 4 波導(dǎo)波長的測量（駐波測量線法） 信號源 選頻放大器 隔離器 波長表 可變衰減器 測量線 可變電抗 波導(dǎo)波長測量框圖 （1）關(guān)閉所有電源，按上圖連接微波實驗系統(tǒng)。 （2）將可變衰減器調(diào)到最大衰減，以免造成開機后選頻放大器指針超出量程，使表頭機械損壞。 （3）打開選頻放大器電源， “頻率”選擇“1KHz” ，量程置于“*10”位置， “增益”置于較小位置， “輸入電源”細調(diào)至中間位置， “輸入電壓”步進開關(guān)置于較大位置。檢查此時在沒有輸入信號的 情況下指示是否為零。 （4）打開微波信號源，選擇“方波”(頻率 1KHz調(diào)制

24、，調(diào)節(jié)“頻率”至合適值（表頭顯示和真實 頻率有誤差，約 40MHz 以內(nèi)） 。預(yù)熱 15 分鐘左右，以使輸出頻率更穩(wěn)定。 （5）調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器，左右移動測量線探針位置，適當(dāng)調(diào)制增益等，使選頻放大器指示值在表頭 中間偏右位置（即選頻放大器既不超出量程，示數(shù)又不會太?。?。 （6）移動測量線滑動裝置，記錄相鄰波節(jié)點位置，分別記錄同一波節(jié)點兩側(cè)電流值相同時（電流 值越小越精確）探針?biāo)幍膬蓚€不同位置 X 1、X 1 和 X 2、X ' '' ' '' 2 ，則其平均值即為理論節(jié)點位置： 在波節(jié)點附近， 電場非常小對應(yīng)的晶體檢波電流很小， 導(dǎo)致測量線探針

25、移動 “足夠長” 的距離， 選頻放大器表頭指針都在零處“不動” ，因而很難準(zhǔn)確確定電壓波節(jié)點位置時，可把探針位置調(diào)至 電壓波節(jié)點附近，調(diào)節(jié)選頻放大器的靈敏度（減小衰減量） ，使波節(jié)點附近電流變化對位置非常 敏感） 。 注 意 ： 測出一個電壓波節(jié)點位置之后，將探針向相鄰波節(jié)點移動時，要隨 時 加 大 選 頻 放大器的衰減量，以防選頻放大器電流表過載損壞！ 序號 1 2 X '1 X ''1 L1min X '2 X ''2 L2 min lg lg （7）根據(jù)波導(dǎo)波長與工作波長的公式，驗證上述波導(dǎo)波長 l g 結(jié)果的正確性。 5 功率測量 信號源 檢波指示器 隔離器 選頻放大器 波長表 功率計 檢波器 功率頭 隔離器 可變衰減器 測量線 波導(dǎo)開關(guān) 調(diào)配器 功率測量微波系統(tǒng)框圖 （1）關(guān)閉所有電源，按上圖連接微波實驗系統(tǒng)。 （2）將可變衰減器調(diào)到最大衰減，以免造成開機后選頻放大器指針超出量程，使表頭機械損壞。 （3）打開選頻放大器電源， “頻率”選擇“1KHz” ，量程置于“×10”位置， “增益”置于較小位置， “輸入電源”細調(diào)至中間位置， “輸入電壓”步進開關(guān)置于較大位置。檢查此時在沒有輸入信號的 情況下指