实验一微波测量仪器和元件的认识共15页文档Word下载.docx
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4．磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线。
5．电磁场在波导的纵方向z上形成行波。
在z方向上，
和
的分布规律相同，即
最大处
也最大，
为零处
也为零，场的这种结构是行波的特点。
（二）微波测量系统:
微波沿普通的双股导线传输时，会大量向周围空间辐射，同时由于电流的趋肤效应，导线的热损耗也急剧增大，这些都使微波能量无法有效地传输，因此一般不用双导线来传输微波。
常用的微波传输线为同轴线、波导管、带状线等。
微波在波导中传输具有横电波（TE波）、横磁波（TM波）和横电波与横磁波的混合波三种形式。
本实验使用三厘米标准矩形波导，仅能传输TE10波。
一个完整的微波测量系统通常由信号源、测量装置和指示器三部分组成。
实际测量中可根据具体情况，对测量系统进行简化，实验室所用测量系统如下图所示。
1．信号源部分。
包括微波信号发生器、隔离器以及功率、频率监视单元。
信号发生器提供测量所需的微波信号，它具有一定频率和足够的功率电平。
功率、频率监视单元是利用定向的耦合器分出一小部分微波能量，经过检测指示来显示信号源的工作情况是否稳定，以便及时调整。
隔离器的作用是减少负载对信号源影响，可变衰减器用来根据测量需要改变信号源输出功率电平。
2．测量装置部分：
包括测量线、调配元件、待测元件和辅助元件（如短路器，匹配负载），以及电磁能量检测器（如晶体检波器，功率计探头等）。
3．指示器部分：
指示器是显示测量信号与特性的仪表，常用的有直流电流表、测量放大器、功率计、示波器、光电检流计和数字功率计等。
（三）常用微波元件
在微波系统中，实现对微波信号的定向传输、衰减、隔离、滤波、相位控制、波型与极化变换、阻抗变换与调配等功能作用的，统称为微波元（器）件。
1.同轴—波导转换器同轴线的主模是TEM模，矩形波导的主模是TE10模，同轴—波导转换器使TEM模变成TE10模。
2.矩形波导横截面为矩形的空心导波装置，TE和TM电磁波可在其导体空腔内传播。
可以避免外界干扰和辐射损耗。
导体损耗低、功率容量大。
3.隔离器隔离器是一种不可逆的衰减器，当微波信号正向通过时衰减器量很小，约0.5-db，反向通过时衰减量很大，达20-40db，两个方向的衰减量之比称为隔离度。
隔离器应用于传输系统和测量系统起隔离或消除反射的作用。
使用时注意方向性，不能接反。
4.衰减器是一种用来衰减微波功率的微波器件，也可作为负载与信号源之间的去耦元件。
衰减器分为固定衰减器和可变衰减器两种。
衰减器的衰减量定义为在衰减器终端负载匹配的条件下，其输入微波功率与输出微波功率之比的分贝数。
衰减量包含吸收衰减、反射衰减。
5.波长计（频率计）
6.波导测量线
波导测量线是探测三厘米波导中驻波分布情况的仪器，通常用来测量波导元件、波导系统的驻波系数、阻抗，还可以测量波导波长、相移等多种参数，是一种通用的微波测量仪器。
7．晶体检波器微波检波系统采用半导体点接触二极管（称微波二极管），外壳为高频铝瓷管，形状象子弹。
晶体检波器就是一段波导和装在其中的微波二极管。
8.匹配负载是终端元件，当需要传输系统工作于行波状态时，需要用到匹配负载，它能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。
匹配负载要求宽频带、小输入驻波比且有一定的功率容量。
9.单螺调配器插入矩形波导中的一个深度可以调节的螺钉，并沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝作纵向移动，通过调节探针的位置使负载与传输线达到匹配状态。
调匹配过程的实质，就是使调配器产生一个反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射而达到匹配。
10.环形器可以控制微波功率的流向。
11.短路负载将电磁波的能量全部反射回去，将波导的终端短路。
实用中短路负载都做成可调的称为可调的短路活塞。
12.微波信号源。
它提供所需微波信号，频率范围在8．6GHz一9．6GHz内可调，其工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。
13．选频放大器主要用于测量微弱低频交流信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，经整流平滑后由输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。
【实验内容及步骤】
注意：
开机前将系统中的全部仪器必须可靠接地，否则，功率头极易烧毁。
1．了解微波测量系统：
（1）观看常用微波元件形状，结构，了解其作用，主要性能和使用方法。
（2）按照系统方框图，把微波测量系统连接好。
2．调整信号源：
（1）调整标准信号发生器，。
（2）选择合适的工作状态和调制信号的频率。
（3）选择实验所需信号输出功率。
（4）按下电源按键，指示灯亮，预热15分钟。
3．功率计的调整：
（1）根据测试频率范围和功率选用合适的功率探头。
接到功率计输出端。
（2）接通电源，预热。
（3）根据测量功率和选用探头选择合适的量程。
（4）调节零点，“粗调”和“细调”配合调节使表头指示为零，然后把功率探头接入被测信号源输出端，减少信号源衰减量，调到是实验所需信号的功率。
（5）测试完毕，关闭电源，功率探头取下。
（6）用同轴电缆连接信号源与测量系统，把微波信号送到微波测量系统。
【思考题】
连接隔离器注意什么？
为什么？
实验二驻波测量
1．掌握谐振式频率计（波长表）测量频率的方法。
2．掌握直接法测驻波比及波导波长的方法。
驻波比（或反射系数）能表征电磁场的分布规律，所以驻波测量是微波测量中最基本的和最总要的内容之一，因负载阻抗和波导特性阻抗不匹配而产生驻波，因此通过驻波比测量，就可以检查系统的匹配情况，进而明确负载的性质。
驻波系数测量不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、波长、相位移、衰减、Q值等其它参量，传输线上存在驻波时，能量不能有效地传到负载，这就增加了损耗；
驻波测量是将探针在开槽的传输线中移动，探针经过窄槽插入波导内并与电场平行，其感应电动势经同轴探针座送到晶体检波器，被检波后从测量放大器电表读出。
当探针座沿波导移动时，放大器读数就间接地表示了波导内电场大小的分布，找出电场的最大值与最小值及其位置，就能求出驻波大小及相位。
1．驻波比测量
当信号电压较小时，检波二极管基本遵守平方律特性，检波电流
与信号电压
间的关系为
，即检波电流
与输入功率成正比。
考虑到
（E为波导内场强），所以
，即
。
而对于直线律检波有电压驻波系数
，故可知
的取值范围为1≤ρ＜∞，通常按ρ的大小可分三类：
ρ＜3为小驻波比；
3≤ρ≤10为中驻波比；
ρ＞10为大驻波比。
如果不知道检波律，必须用晶体检波特性曲线求出场强和指示器读数的关系再求得
驻波比的测量，应根据驻波比的大小采用不同的方法，以保证测量的精度。
测试方法
应用条件
直接法
中小驻波比
等指示度法
大驻波比
功率衰减法
任意驻波比
节点偏移法
源驻波比
移动终端法
测量线剩余驻波比
当驻波比在
时，驻波波腹和波节都相对平坦，难以正确测定，为了提高测量精确度，可移动探针多测几个波腹和波节的场强，然后取其平均值
当驻波比很大时，驻波波腹点与波节点的电平相差较大，在一般的指示仪表上，很难将两个电平同时准确读出，晶体检波律在相差较大的两个电平可能也不同，因此不能将它们相比求出驻波系数。
功率衰减法测量大驻波系数，应用可变衰减器测量驻波腹点和节点两个位置上的电平差，使得测量精度主要决定于衰减器精度和系统的匹配情况，而与晶体检波律无关。
方法是改变测量电路中可变衰减器的衰减量，使探针位于驻波腹点和节点时指示电表读数相同，则驻波系数
，式中
分别为探针位于驻波腹点和节点时可变衰减器的衰减量，单位为dB。
2．微波频率测量
通过测量波长推算出频率，在分米波与厘米波段，常用谐振式频率计（波长表）测量波长。
电磁波通过耦合孔进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，基本上不影响波导中波的传输。
当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可以读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可以得知输入微波谐振频率。
3．波导波长
工作波长λ是微波源发射的电磁波在波导中传播的波长，它是连续的等幅波。
在自由空间或波导中传播时工作波长是相同的。
波导波长
则是工作电磁波在波导中两侧壁来回反射形成电磁场，其场强沿波导传播方向的周期性分布，这种周期就对应于波导波长
，即在波导管中传播的合成波的两个相邻波峰或波谷之间的距离，数值上等于相邻两个驻波极值点（波腹或波节）距离的两倍。
可用λ表示为
，
为截止波长（与传输模式及波导的截面尺寸有关，实验中为2a）。
在测量线中入射波与反射波的叠加为接近纯驻波，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点的位置来求出波导波长。
为提高测量精度，通常采用交叉读数法确定波节点的位置，即在两个相邻波节点附近找出输出幅度相等的两点的位置L1min、L2min，取这两点坐标的平均值作为波节点的坐标。
实验中由于可变电抗的反射系数接近1，测量方法如下图所示，不直接测量最小点的位置，而是在最小点两侧找到两个电流读书相同的点
，则
，同理
由此可得波导波长
4．微波的衰减
将微波元件接在匹配信号源与匹配负载之间，插入元件的输入功率与输出功率之比的分贝数定义为衰减，即
为插入元件前负载吸收功率，
为插入元件后负载吸收功率，元件的衰减是唯一的，与外部环境无关。
实验中分别直接测量功率比法和替代法测量衰减。
功率比法（直接测量法）：
接入被测器件前，调整调配器，使测量线上测得得检波部分为匹配状态，并从指示器上读得电流
；
接入被测器件后，从指示器上读得电流
当检波器为平方律检波时
高频替代法:
被测器件接入前，调节精密可变衰减器至A1，使指示器指示为I。
被测器件接入后，调节精密可变衰减器至A2，使指示器指示仍为I。
被测器件的衰减量A=A2-A1，此法比直接测量法精确,其测试精度取决于衰减器的精度。
【实验内容与步骤】
1．用频率计（波长表）测量频率
（1）关闭所有电源，按上图连接微波实验系统。
（2）将可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。
（3）打开选频放大器电源，“频率”选择“1KHz”，量程置于“*10”位置，“增益”置于较小位置，“输入电源”细调至中间位置，“输入电压”步进开关置于较大位置。
检查此时在没有输入信号的情况下指示是否为零。
（4）打开微波信号源，选择“方波”（频率1KHz）调制，调节“频率”至合适值（表头显示和真实频率有误差，约40MHz以内）。
预热15分钟左右，以使输出频率更稳定。
（5）调节可调衰减器，左右移动测量线探针位置，适当调制增益等，使选频放大器指示值在表头中间偏右位置（即选频放大器既不超出量程，示数又不会太小）。
（6）缓慢旋动频率计（波长表）的测微头在10GHz附件，当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰。
反映在检波指示器上的指示是一跌落点，（参下图）此时读出波长表测微头的读数，再从波长表频率与刻度曲线上查出对应的频率，就是所测信号源的频率。
由于频率计的测量精度小于0.3%，所以这种测量的精度很高。
（7）在读完数后调节频率计使其失谐，以免影响后面的实验内容。
实验记录：
信号源显示频率（GHz）
波长表
读数1（mm）
读数2（mm）
读数3（mm）
读数平均值（mm）
查表得频率（GHz）
误差
（MHz）
2．小电压驻波比测量
（1）关闭所有电源，按上图连接微波实验系统，负载终端不能开路或短路（
）。
（3）打开选频放大器电源，“频率”选择“1KHz”，量程置于“×
10”位置，“增益”置于较小位置，“输入电源”细调至中间位置，“输入电压”步进开关置于较大位置。
（4）打开微波信号源，选择“方波”（频率1KHz）调制，缓慢调节“频率”至合适值（表头显示和真实频率有误差，约40MHz以内）。
（6）移动测量线探针位置，用选频放大器测出波导测量线位于相邻波腹和波节点上的
，利用平方律检波计算驻波比
序号
1
2
3．大驻波系数的测量
（5）精密衰减器置于“零”衰减刻度。
（6）将测量线的探针调到驻波波节点，调节精密可变衰减器，使电表指示在80刻度附近，并记下该指示值。
（7）将测量线的探针调到驻波波腹点，并增加精密衰减器的衰减量，使电表指示恢复到上述指示值，读取精密衰减器刻度并换算出衰减量的分贝值A。
（8）计算被测驻波系数。
4．波导波长的测量（驻波测量线法）
（6）移动测量线滑动装置，记录相邻波节点位置，分别记录同一波节点两侧电流值相同时（电流值越小越精确）探针所处的两个不同位置
，则其平均值即为理论节点位置：
在波节点附近，电场非常小对应的晶体检波电流很小，导致测量线探针移动“足够长”的距离，选频放大器表头指针都在零处“不动”，因而很难准确确定电压波节点位置时，可把探针位置调至电压波节点附近，调节选频放大器的灵敏度（减小衰减量），使波节点附近电流变化对位置非常敏感）。
测出一个电压波节点位置之后，将探针向相邻波节点移动时，要随时加大选频放大器的衰减量，以防选频放大器电流表过载损坏！
（7）根据波导波长与工作波长的公式，验证上述波导波长
结果的正确性。
5．功率测量
（5）相对功率测量：
波导开关旋至检波器通路，当检波器工作在平方率检波时，电表上的读数I与微波功率成正比：
电流表的指示I∝P，即表示为相对功率。
（6）绝对功率测量：
波导开关旋至功率计通路，用功率计可测得绝对功率值。
6．衰减的测量
进行衰减量测量时，被测器件应与测试系统匹配。
（5）直接测量法：
接入被测器件前，调整调配器，使测量线上测得得检波部分为匹配状态，并从指示器上读得电流I1；
接入被测器件后，从指示器上读得电流I2。
当检波器为平方律检波时，计算衰减量。
（6）高频替代法：
被测器件的衰减量A=A2-A1，计算衰减量。
（7）比较以上两种方法的测量精度。
参考书目：
《微波检测技术》周在杞周克印许会编著
林根金等．近代物理实验讲义[M]．浙江师范大学数理信息学院近代物理实验室，2009
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积书于子孙，子孙未必能读。
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