《電磁場與微波技術(shù)實驗教程》課件第4章

實驗1波導(dǎo)測量系統(tǒng)認識、晶體定標

實驗2駐波比測量

實驗3單口網(wǎng)絡(luò)阻抗測量

實驗4雙口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測量

實驗5波導(dǎo)衰減器定標

實驗6波導(dǎo)移相器定標

實驗7信號源駐波比、頻率、輸出功率的測量

實驗8矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用——濾波器調(diào)試第4章微波測量一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解測量線及波導(dǎo)測量系統(tǒng)的組成和工作原理，掌握測量線探針調(diào)諧的方法。

(2)掌握測量線晶體定標的工作原理及確定晶體管檢波律的實驗方法。實驗1波導(dǎo)測量系統(tǒng)認識、晶體定標

二、實驗原理

1.測量線組成

測量線按傳輸線結(jié)構(gòu)來分，主要有波導(dǎo)測量線和同軸測量線。波導(dǎo)測量線由三部分組成：波導(dǎo)開槽線、耦合指示機構(gòu)和傳動機構(gòu)。

1)波導(dǎo)開槽線

波導(dǎo)開槽線是在矩形波導(dǎo)寬邊中央開一條嚴格平行于縱向軸線的長條槽縫，它與待測網(wǎng)絡(luò)相連接，但不對待測網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。槽縫兩端加工成漸變形狀或階梯變換段，以減小槽端反射，如圖4.1.1所示。圖4.1.1波導(dǎo)測量線

2)耦合指示機構(gòu)

耦合指示機構(gòu)由探針、調(diào)諧腔體、晶體檢波器和指示設(shè)備構(gòu)成。

探針通過波導(dǎo)的槽縫伸進波導(dǎo)內(nèi)，與傳輸線的電場發(fā)生耦合，在探針上產(chǎn)生與該處電場強度成比例的感應(yīng)電動勢，并經(jīng)過探針的調(diào)諧腔體送至晶體檢波器，由晶體檢波器把這個感應(yīng)電動勢的能量轉(zhuǎn)換成直流電流或低頻電流，用微安計或檢流計或測量放大器來指示。

探針的幾何尺寸要做得足夠細，以使探針對場結(jié)構(gòu)的影響可以忽略不計。探針由磷銅絲鍍銀制成，其直徑通常取0.3mm~0.5mm，伸入波導(dǎo)內(nèi)的長度可調(diào)，一般取波導(dǎo)高度的5%~10%。圖4.1.2所示為雙腔調(diào)諧機構(gòu)，內(nèi)同軸線的調(diào)諧活塞是由一層極薄的氧化物絕緣物質(zhì)構(gòu)成的，形成很大的電容，從而獲得可靠的高頻電路。從探針向同軸線看，內(nèi)、外同軸線是串聯(lián)的，也可制成單調(diào)諧腔體。設(shè)置調(diào)諧活塞的目的是為了調(diào)諧探針。濾波盒用于防止外界干擾。圖4.1.2雙腔調(diào)諧機構(gòu)

3)傳動機構(gòu)

對傳動機構(gòu)的要求是保證探針沿槽縫中心移動時要十分平穩(wěn)，且在整個槽縫內(nèi)穿入深度不變，以保證耦合恒定，使駐波最小點和最大點重復(fù)出現(xiàn)。如厘米波段的測量線，要求探針的平穩(wěn)度和平行度均在0.01mm左右。

2.探針調(diào)諧原理

使用測量線時，需要調(diào)整的部分主要是探針，探針從開槽線提取微波功率，經(jīng)檢波器在電流計上予以顯示。為了準確地進行測量，探針的調(diào)諧非常必要，不僅能得到高靈敏度的指示，而且能使駐波位置的測量誤差最小(諧振時為零)。探針等效為并聯(lián)導(dǎo)納，測量線源匹配且終端接匹配負載時,等效電路如圖4.1.3所示。圖4.1.3波導(dǎo)測量線探針調(diào)配結(jié)構(gòu)及等效電路探針深度的選取和調(diào)諧方法如下：

(1)在應(yīng)用靈敏電流計的條件下，使探針深度h盡量小，從而使gp盡量小，不影響測量線內(nèi)場分布及行駐波波形，一般h<(5%~10%)b。

(2)測量線的輸出端接匹配負載，調(diào)節(jié)腔體活塞，使指示最大，此時bp→0。

3.晶體定標原理

波導(dǎo)測量線的基本原理是通過伸入測量線中的探針檢取內(nèi)部場的電壓信號(正比于場強幅值)，來了解待測負載的駐波場分布情況的。由于探針拾取高頻電壓的大小通常以檢波后輸出的電流表示，所以測出的是檢波電流，并未直接測得高頻電壓，因此需要知道檢波電流與晶體二極管兩端電壓的關(guān)系。晶體二極管的檢波電流與探針拾取的駐波電壓一般在低電壓范圍近似呈平方律關(guān)系，在高電壓范圍近似呈直線關(guān)系。此外，檢波特性還與溫度有關(guān)。在測量之前需要對晶體檢波特性進行定標，即測出電流與電壓關(guān)系曲線或擬合出經(jīng)驗公式。設(shè)檢波電流與拾取電壓的一般關(guān)系式為

I=cUn

(4.1.1)晶體定標曲線的測定方法是：將測量線輸出端短路，則傳輸線內(nèi)的駐波分布如圖4.1.4所示。設(shè)U′為相對于最大值Um的相對值，即

(4.1.2)

將式(4.1.2)代入式(4.1.1)，有

(4.1.3)圖4.1.4晶體二極管檢波特性和測定方法若把測量數(shù)據(jù)繪在雙對數(shù)直角坐標上，就可以直接從圖上求出檢波律，還能判斷有無分段特性。對式(4.1.3)取對數(shù)得

(4.1.4)

一般情況下，當(dāng)信號電平很小時，如主線傳輸功率不大于10mW(10dBm)，探針深度不大于波導(dǎo)高度b的15%(耦合衰減遠大于20dB)，則檢波晶體的電平不大于10μW(－20dBm),可以認為不超過平方律范圍。作為正式測量，若要n=2，必須對晶體檢波器進行調(diào)整，并用定標法核對之后才能使用。另一種較好的方法是把晶體定標數(shù)據(jù)與計算機相結(jié)合，用擬合法求其檢波公式，以提高數(shù)據(jù)處理的速度和精度。三、實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為波導(dǎo)測量線系統(tǒng)。

如圖4.1.5所示，波導(dǎo)測量線系統(tǒng)由微波信號源、測量裝置及指示設(shè)備、待測網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成，其原理框圖如圖4.1.6所示。圖4.1.5波導(dǎo)測量線系統(tǒng)圖4.1.6測量線系統(tǒng)原理框圖

1)微波信號源

微波信號源是為微波測量裝置提供微波測試信號的設(shè)備，有簡易和標準的，點頻和掃頻的，穩(wěn)頻、穩(wěn)幅和非穩(wěn)頻、穩(wěn)幅等之分；從產(chǎn)生微波信號的微波振蕩器上看，微波信號源有反射速調(diào)管、返波管、磁控管、固態(tài)源等；從輸出功率上看，微波信號源有大功率和中小功率之分。微波振蕩器產(chǎn)生的微波信號經(jīng)過隔離器、頻率指示設(shè)備、可變衰減器輸出給測量裝置作為測試之用。幾個元件的作用分述如下：

隔離器：由待測元件產(chǎn)生的反射波回到振蕩器時，將使振蕩器產(chǎn)生“牽引”現(xiàn)象，引起輸出功率和頻率的變動，為減小這種現(xiàn)象，常在微波振蕩器與測量裝置之間接入隔離器。例如，對于接入衰減量為10dB的普通衰減器，當(dāng)終端短路時產(chǎn)生全反射，反射波再回到振蕩器要衰減20dB，相當(dāng)于原來輸出功率的1%。因此隔離器能大大減小牽引現(xiàn)象。頻率指示設(shè)備：一般采用波長計或數(shù)字頻率計等，以監(jiān)測微波信號的頻率。若將反應(yīng)式波長計接在主系統(tǒng)上，測完頻率之后，應(yīng)使其偏離諧振點，以免影響測試信號的穩(wěn)定性。

可變衰減器：用來調(diào)整測試信號幅度的大小。

作為一個測試系統(tǒng)，從振蕩器到測量裝置之前，即在提供測試信號的輸出端之前，稱為信號源部分。從信號源輸出端向源端看的源反射應(yīng)該盡可能的小，即信號源應(yīng)盡可能匹配。一般的簡易信號源至少包括上述幾個部分，有的還設(shè)有頻率指示設(shè)備。至于采用哪種微波信號源、是否要求調(diào)制等，則視具體情況而定。

2)測量裝置及指示設(shè)備

測量裝置：在圖4.1.6中所用測量裝置為測量線。波導(dǎo)測量線按不同精度分為三級，其主要指標是合成電壓駐波比，分別小于1.01、1.03和1.05。

指示設(shè)備：當(dāng)微波信號源提供連續(xù)波信號時，一般使用檢流計、微安表或數(shù)字電壓表等作為指示設(shè)備，還可采用專門的駐波指示器。為提高指示靈敏度，可由微波信號源提供方波調(diào)制信號(調(diào)制頻率一般為1kHz)，這時指示設(shè)備一般采用選頻放大器。在選用指示設(shè)備時，應(yīng)該根據(jù)具體情況盡量選擇靈敏度較高的指示設(shè)備，以減小探針的加載作用，但也要注意不要陷入噪聲電平之內(nèi)。

3)待測網(wǎng)絡(luò)

待測網(wǎng)絡(luò)若為單口元件，則直接接到測量線的輸出端，連接可靠后即可測試。

待測網(wǎng)絡(luò)若為雙口元件，則需要在元件的輸出端接匹配負載，以吸收雙口網(wǎng)絡(luò)的出射波，而不應(yīng)該有任何反射，因為其反射將與待測雙口網(wǎng)絡(luò)的插入反射相疊加，而不能反映待測網(wǎng)絡(luò)的真實特性。四、實驗內(nèi)容

(1)開啟固態(tài)振蕩器電源，在測量線終端接匹配負載，進行探針調(diào)諧。

(2)去掉匹配負載，接短路板，確定參考面DT，采用交叉讀數(shù)法測量波導(dǎo)波長λg，即λg=|(D3+D4)－(D1+D2)|，如圖4.1.7所示。

(3)將探針移動到波腹位置，調(diào)節(jié)可變衰減器,使檢流計指示為滿刻度100。

(4)在波節(jié)點DT至波腹點之間取10點，電表讀數(shù)5,10,15,20,30,…,80。從波節(jié)點開始將探針逐次移動到這些點，記下I1,I2,…，Ik,…，I10所對應(yīng)的探針讀數(shù)D1,D2,…,Dk,…，D10，將數(shù)據(jù)記錄于表4.1.1中。圖4.1.7交叉讀數(shù)法確定波導(dǎo)波長和參考面位置五、實驗結(jié)果

1.實驗數(shù)據(jù)

2.數(shù)據(jù)處理

(1)以U′為橫軸、I′=Ik/100為縱軸，將數(shù)據(jù)標在坐標紙上，連成光滑曲線。

(2)采用最小二乘法確定檢波律n。

設(shè)yi=lgIi′,xi=lgUi′,yi=nxi+εi(i=1,2,…)，εi為隨機誤差，采用最小二乘法有

(4.1.5)一、實驗?zāi)康?/p>

(1)掌握直接法、等指示寬度法、功率衰減法測量負載駐波比的原理和方法。

(2)了解三種駐波比測量方法各自的適用范圍和優(yōu)缺點。實驗2駐波比測量二、實驗原理

1.直接法

直接法是利用探針找到測量線上最大和最小檢波電流，結(jié)合檢波律計算駐波比的方法。當(dāng)測量線調(diào)整好之后，且已知檢波特性或定標曲線時，把待測元件接在測量線輸出端，移動探針，測出Imax和Imin，則駐波比

(4.2.1)

2.等指示寬度法

直接法只適合測量中、小駐波比，在測量ρ>5~6的大駐波比時，受到的主要限制有：

(1)因為最大點和最小點相差懸殊，要正常指示最小點Imin，就不能指示出最大點Imax(已經(jīng)超出量程)，即使勉強讀出數(shù)據(jù)，由于Imin在很低的量程范圍，測量結(jié)果必然有很大誤差。

(2)在相差懸殊范圍內(nèi)，檢波律不恒定。這時可采用等指示寬度法或其他方法。等指示寬度法是在駐波最小點Imin(即波節(jié)點)附近測量數(shù)據(jù)，再根據(jù)駐波分布規(guī)律求其駐波比。圖4.2.1所示為傳輸線的駐波圖形，設(shè)最小點指示度為Imin，D1和D2處的指示度是Imin的k倍。從最小點一側(cè)移動探針經(jīng)過最小點，記錄指示度為kImin的標尺讀數(shù)D1和D2。令W=D2－D1為等指示點的寬度,根據(jù)駐波規(guī)律和檢波律n得到

Imin=c(1－|Γ|)n

(4.2.2)

(4.2.3)式中：c為常數(shù)；|Γ|為反射系數(shù)的模值。利用cos2θ=2cos2θ

－1及變換求出

(4.2.4)

若k=2(二倍最小法)，且n=2，則有

(4.2.5)對于大駐波比ρ≥10，W很小，有

(n=2,k=2)(4.2.6)

綜上可知，W/λg隨駐波比ρ的增大而很快地減小。當(dāng)W/λg值小于0.05時，曲線有陡峭斜率，這時W/λg的測量誤差對ρ影響很大。因此在測量W時，必須使用高精度指示裝置(如百分表等)才能較準確地測量ρ值。圖4.2.1等指示寬度法測負載駐波比原理圖

3.功率衰減法

功率衰減法是利用標準可變衰減器測量駐波最大點和最小點的電平差，由電平差(分貝差)來計算駐波比，原則上可以測量任意駐波比。

功率衰減法測量駐波比的實驗線路如圖4.2.2所示。探針檢波器僅作為等指示裝置，在T1和T2之間接入標準可變衰減器。要求T1和T2兩端匹配，以減小失配誤差。設(shè)T1面入射波電壓為|u+0|，T2面通過波為|u+1|，由待測元件產(chǎn)生的反射波為|Γ||u+1|，兩者合成為駐波。圖4.2.2功率衰減法測量駐波比先將探針移到最小點位置，電壓為umin1=|u+1|(1－|Γ|)，設(shè)指示度為I0，標準衰減器讀數(shù)為Amin，則有

(4.2.7)

再將探針移到最大點位置，并同時增加衰減量，減小入射波幅度到|u+2|，使指示度恢復(fù)為I0，則最大點電壓umax2=|u+2|(1+|Γ|)。此時標準衰減器讀數(shù)為Amax，有

(4.2.8)由于兩次指示度相等，故umax2=umin1，又

因此

(4.2.9)

采用衰減法測量駐波比的優(yōu)點是不依賴晶體定標，測量精度由標準可變衰減器的校準誤差和測量線路的失配誤差決定，與檢波律n無關(guān)；缺點是測量過大的駐波比仍有困難。三、實驗設(shè)備

波導(dǎo)測量線系統(tǒng)(見實驗1)。

四、實驗內(nèi)容

1.直接法測量駐波比的實驗步驟

(1)連接線路，調(diào)整測量線。

(2)移動探針，測出最大點和最小點的電流Imax和Imin。

(3)已知檢波律n，根據(jù)式(4.2.1)計算駐波比ρ。

2.等指示寬度法測量駐波比的實驗步驟

(1)連接線路，調(diào)整測量線；測量波導(dǎo)波長λg和檢波律n。

(2)測量波節(jié)點的電流Imin，在“波節(jié)”兩側(cè)測量等指示點的寬度W和電流指示Ik。

(3)令k=Ik/Imin，根據(jù)式(4.2.4)計算駐波比ρ。

3.功率衰減法測量駐波比的實驗步驟

(1)連接線路，調(diào)整測量線。

(2)移動探針至“波節(jié)”，調(diào)節(jié)標準可變衰減器AS，使I=I0，記下AS=Amin(dB)。

(3)移動探針至“波腹”，調(diào)節(jié)標準可變衰減器AS，使I=I0，記下AS=Amax(dB)。

(4)根據(jù)式(4.2.9)計算駐波比ρ。

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解單口網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗的測量原理。

(2)學(xué)會使用測量線測量單口網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。實驗3單口網(wǎng)絡(luò)阻抗測量

二、實驗原理

駐波比的測量是標量反射系數(shù)的測量，不包括反射系數(shù)相位角的測量；而單口網(wǎng)絡(luò)阻抗的測量則是矢量反射系數(shù)的測量。

單口網(wǎng)絡(luò)傳輸端的駐波波形如圖4.3.1所示。由單口微波元件等效電路可知，欲測量單口網(wǎng)絡(luò)輸入端T1的等效阻抗，應(yīng)把T1接到測量線的輸出端，在測量線上只要測出駐波比和駐波最小點Dmin與網(wǎng)絡(luò)輸入端的距離，就可以求出該網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗(或?qū)Ъ{)。圖4.3.1單口網(wǎng)絡(luò)輸入端的駐波波形需要指出的是，由于構(gòu)造上的限制，測量線探針的有效移動范圍有限，它的起點并不是從測量線的輸出端T1開始的，因此需要在測量線上先找出等效于端接面T1的參考面。在測量線的輸出端接短路板，根據(jù)阻抗每隔半波長重復(fù)的原理，在測量線開槽段上找到一個適當(dāng)?shù)牧泓c“波節(jié)”位置DT作為T1的等效參考面T′，如圖4.3.2所示。確定等效參考面位置DT之后，將短路板換成待測的單口網(wǎng)絡(luò)。測出駐波比ρ和新“波節(jié)”點距離參考面的距離，此時的應(yīng)為緊靠DT面左邊的最小點位置Dmin與DT之間的距離。根據(jù)駐波比ρ和，可以分別計算出反射系數(shù)的模值和相位角，也可以計算輸入阻抗的復(fù)數(shù)值。圖4.3.2測量單口網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗的方法

(1)連接線路，調(diào)整測量線，確定參考面DT，測量波導(dǎo)波長λg。

(2)測量線終端接被測單口網(wǎng)絡(luò)，移動探針，測量駐波比ρ和距離參考面DT最近的“波節(jié)”位置Dmin。

(3)計算單口網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)ΓL和輸入阻抗。

接短路板時，波節(jié)點DT距離端口λg/2整數(shù)倍，有

(4.3.1)接單口網(wǎng)絡(luò)負載時，波節(jié)點Dmin處有

而負載處等價于參考面DT，負載反射系數(shù)為

(4.3.2)

單口網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗為

(4.3.3)三、實驗設(shè)備

波導(dǎo)測量線系統(tǒng)。

四、實驗內(nèi)容

(1)開啟微波振蕩器電源，進行探針調(diào)諧，使電流表指示最大。

(2)接短路板，在測量線中間部位找到兩個波節(jié)點，用交叉讀數(shù)法測量λg和DT。

(3)接待測負載，在測量線上等效參考面DT靠近信號源一側(cè)讀出第一個波節(jié)點Dmin，并讀出最小電流值Imin，繼續(xù)移動測量線探針位置，找出最大電流值Imax。

(4)接匹配負載，單螺釘調(diào)配器位置不動，調(diào)節(jié)螺釘深度，使駐波比與(3)中所測駐波比相等。

(5)取下匹配負載，單螺釘調(diào)配器后面接待測負載，保持螺釘深度不變，調(diào)節(jié)螺釘位置，同時跟蹤測量駐波比，直到駐波最小，使之接近匹配，將數(shù)據(jù)填入表4.3.1中。五、實驗結(jié)果

1.實驗數(shù)據(jù)一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解雙口網(wǎng)絡(luò)阻抗參數(shù)和散射參數(shù)的測量原理。

(2)學(xué)會采用“三點法”測量雙口網(wǎng)絡(luò)的阻抗和散射參數(shù)。實驗4雙口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測量二、實驗原理

1.阻抗參數(shù)測量原理

線性雙口阻抗網(wǎng)絡(luò)如圖4.4.1所示，1端口的歸一化電壓、電流分別為和，2端口的歸一化電壓、電流分別為

和，則有

(4.4.1)寫成矩陣形式

(4.4.2)如圖4.4.2所示，當(dāng)2端口接已知負載阻抗時，1端口的輸入阻抗可以表示為

(4.4.3)

同理，當(dāng)1端口接已知負載阻抗時，2端口的輸入阻抗可以表示為

(4.4.4)圖4.4.1雙口阻抗網(wǎng)絡(luò)圖4.4.22端口和1端口接負載時的雙口阻抗網(wǎng)絡(luò)對于互易二端口網(wǎng)絡(luò)，有，則

(4.4.5)

雙口互易網(wǎng)絡(luò)Z只有3個獨立參數(shù)，即、、

，結(jié)合“工作方程”可見，只需用三個已知負載測出三個輸入阻抗，就可以求出待測雙口網(wǎng)絡(luò)的三個未知阻抗參數(shù)。這三個已知負載通常選擇為短路、開路和已知負載。這種通過三次測量確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的測量方法稱為“三點法”。雙口網(wǎng)絡(luò)阻抗參數(shù)的“三點法”步驟如下：

(1)1端口輸入，2端口開路，，測得

(2)1端口輸入，2端口短路，，測得

(3)2端口輸入，1端口開路，，測得

聯(lián)立上述三個方程，可得

(4.4.6)

2.散射參數(shù)測量原理

線性雙口散射網(wǎng)絡(luò)如圖4.4.3所示，1端口的歸一化入射波和反射波電壓分別為a1和b1，2端口的歸一化入射波和反射波電壓分別為a2和b2，則有

(4.4.7)

寫成矩陣形式

(4.4.8)

S網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)如下：

(1)對稱網(wǎng)絡(luò)S11=S22。

(2)互易網(wǎng)絡(luò)S12=S21。

(3)無耗網(wǎng)絡(luò)STS=I。圖4.4.3雙口散射網(wǎng)絡(luò)如圖4.4.4所示，當(dāng)2端口接已知負載阻抗時，1端口的反射系數(shù)可以表示為

(4.4.9)

同理，當(dāng)1端口接已知負載阻抗時，2端口的反射系數(shù)可以表示為

(4.4.10)

上述兩式即為雙口散射網(wǎng)絡(luò)1端口和2端口的工作方程。

圖4.4.42端口和1端口接負載時的雙口散射網(wǎng)絡(luò)若網(wǎng)絡(luò)互易，S12=S21，則

(4.4.11)雙口網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)的“三點法”步驟如下：

(1)1端口輸入，2端口匹配，ΓL=0,測得

Γ1=S11=Γ1M

(2)1端口輸入，2端口短路，ΓL=－1，測得

(3)2端口輸入，1端口匹配，ΓL=0,測得

Γ2=S22=Γ2M

聯(lián)立上述三個方程，可得

(4.4.12)三、實驗設(shè)備

波導(dǎo)測量線系統(tǒng)。

四、實驗內(nèi)容

(1)開啟固態(tài)振蕩器，進行探針調(diào)諧，使系統(tǒng)正常工作。

(2)測量線接短路板，用交叉讀數(shù)法確定λg及波節(jié)點DT即等效參考面。

(3)置探針于DT處，檢波器指示為0，測量線端接滑動短路器，調(diào)節(jié)短路器，使電流指示最大，實現(xiàn)開路負載。

(4)接待測雙口網(wǎng)絡(luò)，依次接短路、開路和匹配負載，在DT處向信號源方向測量新的波節(jié)點位置Dmin和最大電流Imax、最小電流Imin，計算駐波比。

(5)計算短路、開路和匹配負載時的輸入阻抗和反射系數(shù)。

(6)按公式(4.4.6)計算網(wǎng)絡(luò)阻抗參數(shù)Z,按公式(4.4.12)計算散射參數(shù)S。一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解功率比法、駐波波幅比法、高頻替代法測量衰減的原理。

(2)學(xué)會用高頻替代法對波導(dǎo)可變衰減器進行定標。

二、實驗原理

1.功率比法

功率比法利用插入衰減網(wǎng)絡(luò)前后的兩次負載吸收功率比來直接計算衰減，線路連接圖如圖4.5.1所示。實驗5波導(dǎo)衰減器定標圖4.5.1功率比法測量衰減的線路連接圖插入待測衰減器前后的等效電路如圖4.5.2所示，讀出插入待測衰減器前后的功率計讀數(shù)，記為P1和P2。圖4.5.2功率比法插入待測衰減器前后的等效電路計算網(wǎng)絡(luò)衰減的測量值,即

(4.5.1)

測量的最大、最小失配誤差為

(4.5.2)

2.駐波波幅比法

駐波波幅比法利用去掉衰減網(wǎng)絡(luò)后的等指示寬度測量衰減，線路連接圖如圖4.5.3所示。圖4.5.3駐波波幅比法測量衰減的線路連接圖插入待測衰減器前后的等效電路如圖4.5.4所示。圖4.5.4駐波波幅比法插入待測衰減器前后的等效電路采用駐波波幅比法測量衰減的步驟如下(見圖4.5.5)：

(1)在源與負載之間插入被測網(wǎng)絡(luò)，移動探針，記下波腹點的檢波電流Imax′。

(2)去掉被測網(wǎng)絡(luò)，移動探針，測量波導(dǎo)波長λg和波節(jié)兩側(cè)I=Imax′的等指示寬度W。

(3)計算。即

(4.5.3)(4.5.4)(4.5.5)圖4.5.5駐波波幅比法測量衰減的波形曲線

3.高頻替代法

高頻替代法利用插入衰減網(wǎng)絡(luò)前后的兩次標準衰減器的讀數(shù)差，由增量計算衰減。高頻替代法測量衰減是按增量衰減的定義來測量未知衰減量的。增量衰減是始態(tài)網(wǎng)絡(luò)(Initial)和終態(tài)網(wǎng)絡(luò)(Final)的電平差。

替代法測量衰減的線路連接圖如圖4.5.6所示。圖4.5.6替代法測量衰減的線路連接圖當(dāng)Γg=0,ΓL=0時，

用零示法減小檢波器平方律影響，替代網(wǎng)絡(luò)前后電平相等(P1=P2)，則

A增量=0，Af=Ai

測量步驟和方法如下：

(1)始態(tài)：T1與T2對接，調(diào)節(jié)可變衰減器使比較電平相等，比較指示為0，此時可變衰減器指示為A1。

(2)終態(tài)：T1與T2間接入待測網(wǎng)絡(luò)Ax，再次調(diào)節(jié)可變衰減器使比較電平相等，比較指示為0，此時可變衰減器指示為A2。

(3)計算增量衰減，即

(4.5.6)三、實驗設(shè)備

波導(dǎo)測量線系統(tǒng)。

四、實驗內(nèi)容

為了得到波導(dǎo)可變衰減器的衰減值和刻度值之間的關(guān)系，可以采用替代法對波導(dǎo)可變衰減器進行定標，如圖4.5.7所示，實驗步驟如下：

(1)未接入待?？勺兯p器時，調(diào)節(jié)標準可變衰減器AS，使檢波電流I=I0，記下AS=A1dB。

(2)接入待?？勺兯p器，使刻度x=xi，依次調(diào)節(jié)AS，使I=I0，記下AS=Ai′dB(i=1,…,N)。

(3)計算校準值，即

A(xi)=A1－Ai′dB

(4)以橫坐標xi、縱坐標A(xi)繪制校準曲線，如圖4.5.7(b)所示。圖4.5.7波導(dǎo)衰減器橫截面示意圖及波導(dǎo)衰減器校準曲線(a)橫截面示意圖；(b)校準曲線一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解反射波法、傳輸波法、平衡電橋法測量相移的原理。

(2)學(xué)會用反射波法對波導(dǎo)可變移相器進行定標。實驗6波導(dǎo)移相器定標二、實驗原理

1.反射波法

反射波法利用終端短路或開路下插入相移網(wǎng)絡(luò)前后的輸入反射系數(shù)關(guān)系來計算網(wǎng)絡(luò)相移，測量電路如圖4.6.1所示。假設(shè)源匹配即Γg→0，短路板為理想導(dǎo)體，待測相移網(wǎng)絡(luò)滿足S11=S22=0，

。圖4.6.1反射波法測量相移的電路在未接入待測相移網(wǎng)絡(luò)時，先將測量線輸出端短路，并在測量線上用交叉讀數(shù)法確定T1的等效參考面DT。只要測出T1面(即DT面)的反射系數(shù)相角，就可以求出ψ21。即

(4.6.1)接入待測相移網(wǎng)絡(luò)，并在測量線上用交叉讀數(shù)法確定D2(或D2′),則D2處的反射系數(shù)為(波節(jié)點相位為±π)

(4.6.2)

向負載方向(若取D2′，應(yīng)向電源方向，并注意史密斯圓圖的旋轉(zhuǎn)方向，向電源為負角，取e－jπ；向負載為正角，取e+jπ)轉(zhuǎn)換到DT，則有

(4.6.3)由于Γ(DT)=Γ(T1),所以由式(4.6.1)和式(4.6.2)相等求得

(4.6.4)

若取D2′，則有

(4.6.5)例如測得DT=23.93mm,D2=40.39mm,D2′=18.09mm,λg=44.60mm,則由式(4.6.4)求得

(4.6.6)

或由式(4.6.5)求得

(4.6.7)

若|S21|<1，由式（4.6.4）知，還可以通過駐波比ρ的測量求出|S21|，即|Γ(DT)|=(ρ－1)/(ρ+1),，則衰減

(4.6.8)

2.傳輸波法

傳輸波法把a1和b2經(jīng)過耦合器取樣之后，輸入到測量線的兩個端口干涉為駐波分布，移動探針到波節(jié)位置計算差分相移，如圖4.6.2所示。該電路相當(dāng)于把雙向定向耦合器反射計的反射耦合器調(diào)轉(zhuǎn)180°而成。a1和b2經(jīng)過耦合器取樣之后輸入到測量線的兩個端口，在測量線內(nèi)干涉為駐波分布。設(shè)l1為從端口T1到測量線標尺左端起點的距離，l2為從端口T2到標尺右端起點的距離，則在測量線內(nèi)的駐波分布為(D=L－D′)

(4.6.9)當(dāng)ψ21+β(l1－l2－L+2D′)=π時，為波節(jié)點，即

|U|=|Umin|=1－|S21|

(4.6.10)

設(shè)待測相移網(wǎng)絡(luò)為可變相移器，以零刻度(最小相移量)為起始狀態(tài)，即I態(tài)，以所測刻度為終態(tài)，即F態(tài),則有

(4.6.11)

(4.6.12)圖4.6.2用傳輸波法測量相移的電路由式(4.6.11)和式(4.6.12)可求得相對零刻度的差分相移為

(4.6.13)

3.平衡電橋法測量相移

平衡電橋法用標準可變相移器作為參考，把標準相移器與待測元件分別接入比較電橋的兩個支臂中，通過待測元件與標準可變相移器進行比較來測量相移量。常用反射波法對波導(dǎo)可變相移器進行定標。平衡電橋法測量相移的連接線路如圖4.6.3所示(實際上它是高頻并聯(lián)替代法測量衰減電路)。圖4.6.3平衡電橋法測量相移的連接線路圖測量方法如下：

(1)相位初平衡狀態(tài)。

將信號源輸出的微波信號饋入左邊的魔T臂“3”，等分為兩路信號，由臂“1”和臂“2”分別進入相互隔離的參考通道和測試通道，再由右邊的魔T將這兩路信號合成在一起，經(jīng)臂“4”送入晶體檢波器。

相位初平衡的調(diào)整方法是：在端面T1和T2之間接入替代直波導(dǎo)，調(diào)整平衡衰減器和標準可變相移器使臂“4”的檢測輸出為零，這就是相位初平衡狀態(tài)，即Ⅰ態(tài)。設(shè)替代直波導(dǎo)的相移ψ直為已知(用其他方法測定，或計算得出ψ直=360°(L/λg))，兩通道行程差相移為Δψ，則相位初平衡狀態(tài)時有

(4.6.14)

(2)相位再平衡狀態(tài)。

將替代直波導(dǎo)去掉，換上待測相移網(wǎng)絡(luò)。再調(diào)節(jié)平衡衰減器和標準可變相移器，使檢測輸出為零，得到第二次平衡狀態(tài)。設(shè)此時標準可變相移器讀數(shù)為ψf標準，則有

ψf標準=Δψ+ψ21(4.6.15)

由式(4.6.15)減去式(4.6.14)得到待測相移量為

ψ21=(ψf標準－ψi標準)+ψ直(4.6.16)如果待測相移網(wǎng)絡(luò)是可變相移器，只要求知道可變相移量，就可以直接把待測的可變相移器接入測試通道中，以待測相移器規(guī)定的起始相移量為初始狀態(tài)，以中值相移量為再平衡狀態(tài)，按下式計算差分相移量，即

Δψ21=ψf標準－ψi標準

(4.6.17)三、實驗設(shè)備

波導(dǎo)測量線系統(tǒng)、可變相移器。

四、實驗內(nèi)容

波導(dǎo)可變相移器校準定標實驗步驟如下：

(1)將短路器接入測量線，用交叉讀數(shù)法確定λg及波節(jié)點DT即等效參考面。

(2)取下短路板，把可變相移器接入測量線，再接短路板。

(3)將待測相移器刻度置于0位，移動測量線探針到波節(jié)點處，并在測量線讀出波節(jié)點位置D2，按式(4.6.4)計算出0位相移ψ0。

(4)將可變相移器移到xi(i=1,2,…)位置，測量D2i，按式(4.6.4)計算出xi位相移ψi。

(5)計算校準值，即ψ(xi)=ψi－ψ0。以橫坐標xi、縱坐標ψ(xi)繪制校準曲線。一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解信號源駐波比、頻率、輸出功率的測量原理。

(2)學(xué)會基于測量線的源駐波比、頻率和輸出功率的測量方法。實驗7信號源駐波比、頻率、輸出功率的測量二、實驗原理

1.源駐波比測量原理

源駐波比測量把滑動短路器接在測量線輸出端，把探針移到駐波最大點,同步地移動探針和短路活塞，由探針指示器測出最大點的最大值和最小值，再結(jié)合檢波率計算源駐波比。源駐波比的測量電路如圖4.7.1(a)所示，把滑動短路器接在測量線輸出端，把探針移到駐波最大點，同步地移動探針和短路活塞(相當(dāng)于用探針和短路器組成一個“滑動終端器”)。由探針指示器測出最大點的最大值Imax和最小值Imin。設(shè)檢波率為平方律，“滑動終端器”的反射系數(shù)為ΓL(|ΓL|≈1，探針充分短，其反射忽略不計)，則源駐波比為

(4.7.1)圖4.7.1源駐波比的測量電路及其信號流圖在探針處的合成電壓為

(4.7.2)

設(shè)x1(θ1)和x2(θ)2處的電壓分別為uL(θ1)和uL(θ2)，則有

(4.7.3)當(dāng)2θ1+ArgΓL+ArgΓg=2kπ和2θ2+ArgΓL+ArgΓg=(2k+1)π(k=0,1,2，…)時,式(4.7.3)出現(xiàn)最大比值，即

(4.7.4)

(4.7.5)最大值與最小值在位置上相差λg／4。對式(4.7.4)取絕對值，并設(shè)檢波率n=2,則檢波指示值若為Imax和Imin，就有駐波比

(4.7.6)

2.頻率測量原理

頻率是表征微波信號特性的主要參數(shù)之一，定義為物體每秒振動的周期數(shù)，單位是赫茲(Hz)。設(shè)周期為T秒，則頻率f=1/T(Hz)。頻率與波長之間的關(guān)系為f=v/λ。

頻率測量的最基本方法是比較法。頻率與時間在概念上是統(tǒng)一的，所定義的時間標準是比較的原始基準。比較法分為有源比較法和無源比較法兩類。有源比較法以標準頻率源作為未知頻率的比較標準。無源比較法用已知頻率特性的無源電路作為比較標準，使未知頻率的信號通過無源電路，與無源電路的已知特性相比較，通過已知頻率特性求出未知頻率，即

fx=F(A,B,C,…)

(4.7.7)式中,A、B、C等是無源電路的已知常數(shù)。如利用波導(dǎo)的傳輸特性

就屬于無源比較法,其中λg具有已知的頻率特性。

采用有源比較法需要解決兩個問題：一是比較的基準；二是比較的方法。前者提供標準頻率源，后者提供未知頻率與標準頻率比較的技術(shù)。常用的頻率標準有晶體頻標和原子頻標兩種。采用外差式、頻率轉(zhuǎn)換式或同步分頻式可構(gòu)成各種數(shù)字頻率計。諧振式波長計按結(jié)構(gòu)分為同軸式和空腔式兩種。根據(jù)諧振腔的耦合裝置和指示方法的不同，可以把它們的連接電路分為兩種：

(1)反應(yīng)式波長計：諧振腔與傳輸線并聯(lián)，諧振時，諧振回路巨大的輸入阻抗變換到吸收諧振腔處呈現(xiàn)很低的阻抗，因而在指示器中出現(xiàn)指示最小點，即空腔的諧振點。

(2)通過式波長計：諧振腔與傳輸線串聯(lián)，諧振時，有最大微波功率通過，因而在指示器中出現(xiàn)指示最大點，即空腔的諧振點。

3.輸出功率測量原理

功率計一般包括功率探頭和指示器兩部分。這兩部分根據(jù)靈敏度、精確度的不同，而使探頭的結(jié)構(gòu)和指示電路的繁簡程度也不相同，但概括起來可歸納為如圖4.7.2所示的基本方框。圖4.7.2功率計基本方框圖

1)微波晶體超小功率計

眾所周知，檢波器是檢測載波幅度的一種裝置，因此，用微波檢波器檢測微波功率是很自然的選擇。

晶體檢波器在微波測量與微波工程設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用。其主要原因是它的檢波效率高，靈敏度高，響應(yīng)時間快，使用方便等。但是，長期以來，晶體檢波器沒有作為功率計使用，主要是因為不穩(wěn)定。目前，由于寬帶集成式低勢壘二極管的出現(xiàn)，使寬帶匹配檢波器不但成為可能，而且穩(wěn)定性大大提高，所以在此基礎(chǔ)上進一步改進其性能就可以制成超小功率計。如HP公司已經(jīng)研制出的超小功率探頭7474A，使最低量程下限達到100pW(－70dBm)的量級。

晶體檢波器一般包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、檢波二極管和低通匹配網(wǎng)絡(luò)，其原理電路如圖4.7.3所示。

圖4.7.3晶體檢波器的原理電路

2)熱敏電阻小功率計

熱敏電阻是由負溫度系數(shù)很大的固體多晶半導(dǎo)體制成的。它的電阻率與溫度有強烈的依賴關(guān)系，一般可以察覺百萬分之一度的溫度變化。熱敏電阻的這種可貴特性，使得它在微波功率測量中扮演著十分重要的角色。

用熱敏電阻構(gòu)成功率探頭，通常是將其接入惠斯登電橋作為其中一個臂，如圖4.7.4所示。圖4.7.4測熱電阻功率計示意圖測量微波功率的基本原理是替代法，分為平衡電橋法和失衡電橋法兩種。

(1)平衡電橋法。

當(dāng)未輸入微波功率時，由電池E饋送直流功率，調(diào)整電阻R0使電橋平衡(指示器指示為零)；當(dāng)輸入微波功率時，測熱電阻由于吸收微波功率而受額外加熱，阻值改變，致使電橋失衡。這時，如果減少電池E饋送的直流功率，再使電橋恢復(fù)平衡，則減少的直流功率等于輸入的微波功率。這種通過直流功率來替代微波功率的方法稱為平衡電橋法。設(shè)微波功率輸入之前電橋初平衡時的電流為I1，熱敏電阻吸收的直流功率為P1=I21R/4，而在微波功率輸入之后，電橋再平衡時的電流為I2，則熱敏電阻吸收的功率為直流功率P2=I22R/4與輸入微波功率Pin之和，即P1=Pin+P2，于是有

(4.7.8)

(2)失衡電橋法。當(dāng)電橋失衡時，指示器中的檢流計電流Ig≠0，設(shè)此時Rb=R－δ，則由電路理論可得

(4.7.9)

設(shè)熱敏電阻的靈敏度為S(Ω/W)，則δ=PinS,代入式(4.7.9)得

(4.7.10)在功率測量過程中，由于電橋功率座的損耗和替代效應(yīng)，測定的微波功率Pm小于功率探頭吸收的凈功率PL，更小于功率探頭端接面的入射功率Pi。常用校準系數(shù)Kb或有效功率ηe表示功率探頭的效率，兩者定義分別為

(4.7.11)

(4.7.12)考慮到功率探頭本身的反射系數(shù)ΓL，吸收的凈功率和入射功率之間的關(guān)系為

PL=Pi(1－|ΓL|2)

(4.7.13)

三、實驗設(shè)備

波導(dǎo)測量線系統(tǒng)。

四、實驗內(nèi)容

1.源駐波比測量實驗步驟

(1)滑動短路器接在測量線輸出端。

(2)對測量線進行探針調(diào)諧，使電流表指示最大。調(diào)整可變衰減器使選頻放大器指示在三分之二量程范圍內(nèi)。

(3)同步移動滑動短路器和測量線探針，使滑動短路器和探針移動半個波長行程以上。

(4)在選頻放大器上讀出最大點的最大電流Imax和最大點的最小電流Imin。

(5)按式(4.7.1)計算出源駐波比ρg。

2.頻率測量實驗步驟

(1)滑動探針，找到相鄰兩個波節(jié)點位置Dmin1和Dmin2，則波導(dǎo)波長λg=2|Dmin1－Dmin2|。

(2)測量波導(dǎo)寬邊長度a，計算截止波長λc=2a。

(3)根據(jù)頻率和波長的關(guān)系計算f,即

3.輸出功率測量實驗步驟

(1)將功率計接入測試系統(tǒng)并開機，用直接法測量功率探頭的駐波比ρL,計算|ΓL|。

(2)把測量線檢波器電纜從選頻放大器取下或關(guān)掉選頻放大器，調(diào)整測量系統(tǒng)的兩只可變衰減器將信號源功率輸出到最大，讀出功率計上的功率讀數(shù)Pb，取PL≈Pb。

(3)根據(jù)式(4.7.13)計算信號源功率Pi。一、實驗?zāi)康?/p>

(1)通過對二端口器件的測試，熟悉現(xiàn)代微波測量儀器的使用方法。

(2)通過對帶通濾波器的測試，掌握其各項技術(shù)指標的定義及測試方法。

二、實驗設(shè)備

實驗設(shè)備包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和帶通腔體濾波器。圖4.8.1所示為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀DS7631和帶通腔體濾波器實驗系統(tǒng)。實驗8矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用——濾波器調(diào)試圖4.8.1網(wǎng)絡(luò)分析儀測試帶通腔體濾波器

1.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀DS7631

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀DS7631是集網(wǎng)絡(luò)分析、掃頻測量、點頻信號源等多種測量模式為一體的現(xiàn)代測量儀器，其測量范圍為300kHz~1300MHz，頻率分辨率為1Hz，動態(tài)測量范圍大于100dB。

2.帶通腔體濾波器

帶通腔體濾波器是由諧振腔、調(diào)諧螺釘?shù)冉M成的濾波器。與其他性質(zhì)的濾波器比較，帶通腔體濾波器的結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定、可靠，體積小，Q值適中，高端寄生銅帶較遠而且散熱性能好，可用于較大功率和頻率，濾除帶外強干擾信號。三、實驗內(nèi)容

(1)設(shè)置頻率范圍。

連接測試電纜，選擇測量參數(shù)?？梢苑謩e選擇“START”、“STOP”或“CENTER”、“SPAN”鍵進行頻率范圍設(shè)置。

(2)選擇通道。

①“CH1”邏輯通道1操作鍵：用來激活邏輯通道1?！癈H2”邏輯通道2操作鍵：用來激活邏輯通道2。

②“MEAS”測量鍵:按下此鍵后有三個功能選項。

·傳輸測量功能選項：設(shè)置當(dāng)前邏輯通道為傳輸測量通道，此時屏