微波的基本測(cè)量 近代物理實(shí)驗(yàn)

1、深圳大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)：近代物理實(shí)驗(yàn)（一）實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 微波的基本測(cè)量學(xué)院：組號(hào) 指導(dǎo)教師報(bào)告人 學(xué)號(hào) 班級(jí)： 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交時(shí)間：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康腶）要求學(xué)全使用基本微波器件,了解微波振蕩源的基本工作特性和微波的傳輸特性。b）掌握頻率、功率以及駐波比等基本量的測(cè)量，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范與處理能力。c）作圖作表與數(shù)據(jù)處理能力，基本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試能力。二、實(shí)驗(yàn)原理微波的傳輸特性.在微波波段，為了避免導(dǎo)線(xiàn)輻射損耗和趨膚效應(yīng)等的影響，一般采 用波導(dǎo)作為微波傳輸線(xiàn).微波在波導(dǎo)種傳輸具有橫電波（TE波），.橫磁波（TM波）和橫電波 與橫磁波的混合波三種形式.矩形波導(dǎo)是較常用的傳輸線(xiàn)之一，它能傳輸各

2、種波型的橫電波 （TE波），橫磁波（TM波）.微波實(shí)驗(yàn)中使用的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管，通常采用的傳輸波型是TE-1o 波.波尋中存在入射波和反射波，描述波尋管中匹配和反射程度的物理量是駐波比或反射系 數(shù).依據(jù)終端負(fù)載的不同.波導(dǎo)管具有三種工作狀態(tài)：（1）當(dāng)終端接“匹配負(fù)載”時(shí).反射波不存在，波導(dǎo)中呈行波狀態(tài)；（2），當(dāng)終端接”短路片” .開(kāi)路或接純電抗性負(fù)載時(shí)，終端全反射，波導(dǎo)中呈純駐波狀態(tài)；（3）一般情況下，終端是部分反射,波導(dǎo)中傳輸?shù)募炔皇切胁?，也下是純駐波，而是呈行駐波 狀態(tài).微波頻率的測(cè)量.微波的頻率是表征微波館號(hào)的一個(gè)重要物理量.頻率的測(cè)量通常 采用數(shù)字式頻率計(jì)或吸收式頻率計(jì)進(jìn)行測(cè)量.下面主

3、要介紹較常用的吸收式頻率計(jì)計(jì)的工作 原理.當(dāng)調(diào)節(jié)頻率計(jì)，使其目身空腔的固有頻率與微波信號(hào)頻率相同時(shí)，則產(chǎn)生諧振，此時(shí) 通過(guò)連接在微波通路上的微安表或功率計(jì)可觀察到信號(hào)幅度明顯減小的現(xiàn)象.注意，應(yīng)以減 幅最大的位置作為判斷畫(huà)頻率測(cè)量值的依據(jù).微波功率的測(cè)量.微波功率是表征微波信號(hào)強(qiáng)弱的一個(gè)物理量.通常采用替代或比 較的萬(wàn)法進(jìn)行測(cè)量.也就是將微波功率借助于能量轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的低頻或直流物理 量.來(lái)實(shí)現(xiàn)微波功率的測(cè)量.實(shí)驗(yàn)室中通常采用吸收式微瓦功率計(jì)（如GX2A） .在功率計(jì)探 頭表面。用兩種不同金屬?lài)婂冊(cè)诒∧せw上形成熱電堆，放在同軸線(xiàn)的電場(chǎng)中間.它既是終 端吸收的負(fù)載，又是熱電轉(zhuǎn)換元件.在

4、未輸入微波功率時(shí).熱電堆節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有有溫差，因 而沒(méi)有輸出；當(dāng)輸入微波功率時(shí)，熱電元件吸收微波功率使熱電堆的熱節(jié)點(diǎn)溫度升高.這 就與冷節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫差而引起溫差電動(dòng)勢(shì)（微弱的直流電勢(shì)），且該元件產(chǎn)生的直流電勢(shì)是與輸 入微波功率成正比例的.熱電堆輸出的微弱直流訊號(hào)再輸入到一只高靈敏度的直流放大器作 功翠直讀指示.波導(dǎo)波長(zhǎng)和駐波比的測(cè)量.關(guān)于駐波比，定義為波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值p =害,（8.L1）點(diǎn)的電場(chǎng)之比.即 其中Ema和Emin分別表示波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度. 實(shí)臉中通常采用測(cè)量線(xiàn)來(lái)測(cè)定波導(dǎo)波長(zhǎng)和駐波比，其結(jié)構(gòu)如圖8.11所示.使用駐波測(cè)量線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量時(shí).要考慮探針在

5、開(kāi)槽波導(dǎo)管內(nèi)有適當(dāng)?shù)拇┥於?，探針穿?度一般取波導(dǎo)窄邊寬度的5%10% .實(shí)驗(yàn)前應(yīng)注意駐波測(cè)量線(xiàn)的調(diào)諧.使其既有最佳靈敏 度，又使探針對(duì)微波通路的影響降至最低.一股是將測(cè)量線(xiàn)終端短接.形成純駐波場(chǎng).移動(dòng)探針置于波腹點(diǎn).調(diào)節(jié)測(cè)量線(xiàn)，使得波腹點(diǎn)位置的檢波電流最 大，反復(fù)進(jìn)行多次.（1）駐波比的測(cè)量.由于終端負(fù)載不同，駐波比P也有大中小之 分，因此，駐波比測(cè)量的首要問(wèn)題是，根據(jù)駐波極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的 檢波電流0，粗略估計(jì)駐波比P的大小.在此基礎(chǔ)上，再作進(jìn)一步的 精確測(cè)定.實(shí)驗(yàn)中微波信號(hào)比較弱，可認(rèn)為檢波晶體（微波二極管） 符合平方律檢波，即I8V2.若不然，需進(jìn)行修正.依據(jù)公式再按依照駐波比的三種情況，

6、進(jìn)一步精確測(cè)定P值.的測(cè)量.在大駐波比的三種情況下，檢波電流Imax與Imin相差太大，求出P的粗略值后a）大駐波比（p 6）在波節(jié)點(diǎn)上檢波電流極微，在波腹上二極管檢波特性遠(yuǎn)離平方律，故不能用（8. 1 .2）式計(jì) 算駐波比p ,可采用“二倍極小功率法” .如圖8.1.2所示，利用駐波測(cè)量線(xiàn)測(cè)量極小點(diǎn)兩旁功率為其二倍的點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而求出d,則 b）中駐波比（1.5WPW6）的測(cè)量.中駐波比的情況可直接根據(jù)式（8.1.2）計(jì)算,封血47、h manc）小駐波比（1.005WPW1.5）的測(cè)量.在小駐波比情況下，駐波極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)的檢波 電流相差細(xì)微，因此采用測(cè)量多個(gè)相鄰波腹與波節(jié)點(diǎn)的檢波電流值

7、，進(jìn)而取平均的方 法.匹心“： + EjnnjCg十 五piErrAN -FniaZ +氏血I:竺.(8.L5)+航（2）波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量.波導(dǎo)波長(zhǎng)在數(shù)值上為相鄰兩個(gè)駐波極值點(diǎn)（波腹或波節(jié)）距離的兩倍.由 于場(chǎng)強(qiáng)在極大值點(diǎn)附近變化緩慢，峰頂位置不易確定，買(mǎi)際采用測(cè)定駐波極小點(diǎn)的位置來(lái)求 出波導(dǎo)波長(zhǎng).考慮到駐波極小點(diǎn)附近變化平緩，因而測(cè)量值不夠準(zhǔn)確.為此，測(cè)量時(shí)通常不 采取直接測(cè)量駐波極小點(diǎn)位置的方式，而是通過(guò)平均值間接測(cè)量.亦即測(cè)極小點(diǎn)附近兩點(diǎn)（此 兩點(diǎn)在指示器上的輸出幅度相等）的坐標(biāo)，然后取這兩點(diǎn)坐標(biāo)的平均值，即得極小點(diǎn)坐標(biāo).如 圖8.1.3所示，兩個(gè)相鄰極小點(diǎn)的距離為半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)A g,測(cè)量

8、計(jì)算公式為虹_易_十； Ml +上；2 =2 一 2 r即七=Gtj +4T；） i （-T； + 4T；h（S. L 6）其中（x 1,x”1）、（x，2,x”2）分別為極小值點(diǎn)兩旁輸出幅度相等得兩點(diǎn)坐標(biāo).三、實(shí)驗(yàn)儀器狡率計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置如圖8 1.4所示 其中微波振蕩源為反射速調(diào)管振蕩器或固態(tài)源 整個(gè)微波 測(cè)量線(xiàn)路由3cm波段波導(dǎo)元件組成其主要元件為隔離器衰減器頻率計(jì)檢流計(jì)（示波 器）、微瓦功率計(jì)和駐波測(cè)量線(xiàn)等四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、微波頻率的測(cè)量.微波的頻率是表征微波管號(hào)的一個(gè)重要物理量，頻率的測(cè)量通常采數(shù)字式頻率計(jì)或吸 收式頻率計(jì)進(jìn)行測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)用的吸收式頻率計(jì)的工作原理。但調(diào)節(jié)頻率計(jì)，使其自身空腔

9、 的固有頻率與微波型號(hào)頻率相同時(shí)，則產(chǎn)生諧振，此時(shí)通過(guò)連接在微波通路上的微安表或功 率計(jì)可觀察到信號(hào)幅度明顯減小的現(xiàn)象。注意，應(yīng)以減幅最大的位置作為判斷頻率測(cè)量值的 依據(jù)。2、駐波比的測(cè)量.關(guān)于駐波比，定義為波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值點(diǎn)的電場(chǎng)之比.即& maxF =廠(chǎng)其中Emax和Emin分別表示波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度.3、波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量.波導(dǎo)波長(zhǎng)在數(shù)值上為相鄰兩個(gè)駐波極值點(diǎn)（波腹或波節(jié)）距離的兩倍.由于場(chǎng)強(qiáng)在極大值點(diǎn) 附近變化緩慢，峰頂位置不易確定，買(mǎi)際采用測(cè)定駐波極小點(diǎn)的位置來(lái)求出波導(dǎo)波長(zhǎng).考慮 到駐波極小點(diǎn)附近變化平緩，因而測(cè)量值不夠準(zhǔn)確.為此，測(cè)量時(shí)通常不采取直

10、接測(cè)量駐波極小點(diǎn)位置的方式，而是通過(guò)平均值間接測(cè)量.亦即測(cè)極小點(diǎn)附近兩點(diǎn)（此兩點(diǎn)在指示器上的 輸出幅度相等）的坐標(biāo)，然后取這兩點(diǎn)坐標(biāo)的平均值，即得極小點(diǎn)坐標(biāo)。五、數(shù)據(jù)處理1、測(cè)量功率（用電流表示）與頻率（用電壓表示）特性通過(guò)使用微波測(cè)量?jī)x器，測(cè)量出下面數(shù)據(jù)，其中用電流來(lái)表征功率，用電壓 來(lái)表征功率：表1.功率與頻率特性表U/VI/p AU/VI/p AU/VI/p A1001103.32100200.91201.982200301.271301.22300401.31400.12400502.231500.42500602.31601.952600701.251702.922700801.35

11、1803.352800902.421902.4529001003.22000.33000圖1、功率與頻率特性曲線(xiàn)圖用圖可知，在電壓為60V、110V、180V所對(duì)應(yīng)的頻率有峰值。2、共振頻率調(diào)節(jié)頻率計(jì)，使得電流計(jì)的減幅最大，此時(shí)達(dá)到共振，其共振頻率為9.47GHz。3、駐波測(cè)量表2、駐波測(cè)量線(xiàn)測(cè)量位置與功率（用電流表示）的關(guān)系X/mmi/m aX/mmi/m aX/mmi/m aX/mmi/m aX/mmi/m a15.6214.52414.15614.15815.736.7235.45434.48634.4857.8256.68455.4655.478.8277.75476.55676.55

12、99298.58497.7697.7118.5318.8518.5718.5137.5338.4538.75738.75155.9357.2558.35758.35174.75375.74577.25777.25194.2394.6595.75795.75、波導(dǎo)波長(zhǎng)取 X1=16mm，同時(shí)取它附近 I=5p A 的兩個(gè)點(diǎn)：X1 =16.5mm，X1”=22.0mm取 X2=41mm，同時(shí)取它附近 I=5p A 的兩個(gè)點(diǎn)：X2 =38.3mm，X2” =44.1mm入 g=( X2 +X2”)+ (X1 +X1”)= ( 38.3mm+44.1mm ) ( 16.5mm+22.0mm ) =43

13、.9mm所以波導(dǎo)波長(zhǎng)為43.9mm、駐波比本次實(shí)驗(yàn)的駐波比為中駐波比 _ _p = Emax / V Emin = Imax / V Imin = 9 / V 4.15 =1.473駐波比為1.473六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)較為簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)前需了解實(shí)驗(yàn)儀器的作用，并盡可能自己根據(jù)教材 來(lái)操作。而實(shí)驗(yàn)過(guò)程較為順利，數(shù)據(jù)也很快的測(cè)試出來(lái)。雖然圖1并不像理想中 曲線(xiàn)，可能是系統(tǒng)誤差和人為讀書(shū)時(shí)產(chǎn)生的誤差，但是大概的輪廓和趨勢(shì)還是有 的。而圖2與理想曲線(xiàn)較為接近，且計(jì)算出的波導(dǎo)波長(zhǎng)為43.9mm，駐波比為 7.473,?？偠灾?，這次的實(shí)驗(yàn)完成的不錯(cuò)。七、思考題1、駐波測(cè)量線(xiàn)的調(diào)節(jié)應(yīng)注意哪些問(wèn)題？答:使用駐波測(cè)量線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要考慮探針在開(kāi)槽波導(dǎo)管內(nèi)有適當(dāng)?shù)拇┥於龋?探針伸度一般取波導(dǎo)管窄邊寬度的5%-10%。實(shí)驗(yàn)前，注意博導(dǎo)現(xiàn)的調(diào)節(jié)，使其 有最佳的靈敏度，又使探針對(duì)微波通路的影響降至最低。一般是將測(cè)量線(xiàn)終端短 接，形成駐波場(chǎng)，一下哦那個(gè)探針置于波腹點(diǎn)，調(diào)節(jié)測(cè)量線(xiàn)，使波腹點(diǎn)的位置的 檢波電流最大，反復(fù)多次。2、駐波測(cè)量線(xiàn)測(cè)定波導(dǎo)波長(zhǎng)的方法，波導(dǎo)波長(zhǎng)入g與自由空間波長(zhǎng)入的大小關(guān) 系如何？答：駐波測(cè)量線(xiàn)測(cè)定波導(dǎo)波長(zhǎng)的方法：入g=（X2 +X2”）-