四川大学电磁场与微波技术实验报告单Word文档格式.docx
《四川大学电磁场与微波技术实验报告单Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四川大学电磁场与微波技术实验报告单Word文档格式.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
该信号源可在等幅波、窄带扫频、内方波调制方式下工作，并具有外调制功能。
在教学方式下，可实时显示体效应管的工作电压和电流的关系。
仪器输出功率不大，以数字形式直接显示工作频率，性能稳定可靠。
2）隔离器
位于磁场中的某些铁氧化材料对于来自不同方向的电磁波有着不同吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性，隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输的作用。
3）衰减器
把一片能吸微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。
衰减器起调节系统中微波功率从以及去耦合的作用。
4）波长计
电磁波通过耦合孔从波导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，它基本不影响波导中波的传输。
当电磁波的频率计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，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。
5）测量线
测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。
由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。
在波导的宽边有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导。
线开槽波导中的场由不调谐探头取样，探头的移动靠滑架上的传动装置，探头的输出送到显示装置，就可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息。
由于探针与电场平行，电场的变化在探针上就感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。
6）检波晶体
微波测量中，为指示波导（或同轴线）中电磁场强度的大小，是将它经过晶体二极管检波变成低频信号或直流电流，用电流电表的电流1来读数的。
从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调节其短路活塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率。
7）选频放大器
用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，经整流平滑后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。
8）喇叭天线
9）匹配负载
波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。
10）短路片
11）失配负载
2、频率测量原理
频率的测量比较简易的方法是测量波长，然后由波长推算出频率。
在分米波与厘米波段，常用谐振式频率计（波长表）。
波长表由传输波导与圆柱形谐振腔构成，连接处用长方形孔作耦合。
电磁波通过耦合孔从波导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，它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，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。
3、波导波长测量原理
波导波长是指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。
它在数值上等于相邻两个驻波极值点（波腹或波节）距离的两倍。
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，即在波节点附近找出指示器上输出幅度
图2.波导波长测量图图3.节点附近场的分布
相等的两点的坐标，取这两点坐标的平均值作为波节点的坐标。
有公式如下，即可求出微波波导中的波长。
𝛌
=𝟐
（𝒙
𝟏
−𝒙
𝟐
）
四、实验内容
1、使用吸收式频率计作频率测量电磁波频率
a）将微波衰减器置于衰减器最大的位置，指示器灵敏度置于灵敏度较低的位置，以防指示器过载损坏。
根据实验室提供的对照表调节信号源的频率至一适当位置。
b）调节匹配负载端的旋钮，使测量放大器指针尽量靠右（使指针到达某一点时，无论此刻旋钮左旋还是右旋指针都会左偏）。
c）此时转动频率计的旋钮，使频率计上的读数接近微波频率的理论值，并在该频率值附近左右不断调制，直至找到一点，使得谐振放大器的读数突然减小的最小值，记录此点对应的频率值即为微波的实际频率。
2、利用测量线和可变短路器来测量波长
接通信号源和选频放大器电源，并预热几分钟。
b）将信号源频率调到所需的工作频率（实验器材推荐的频段为8.2GHz—12.4GHz），将信号源工作方式选择为方波调试，根据测试需要调节输出功率。
c）调节匹配负载端的旋钮，使测量放大器指针尽量靠右（使指针到达某一点时，无论此刻旋钮左旋还是右旋指针都会左偏）。
d）由于仪器存在误差，所以输出信号源输出的频率仅仅为一个近似值，因此还需要用频率计测出实际工作频率。
调节频率计，观察测量放大器读数下降并减小到最少为止（不一定为0），此时谐振腔处于谐振，所对应的频率计读数即为工作频率。
e）通过调节衰减器，尽量加大测量放大器的灵敏度，使波节点附近电流变化对位置非常敏感，测量器输出端接到指示表，稍微调节谐振腔和负载，使其不在谐振状态。
f）从最左端开始移动测量线上的游标卡尺使指示表到最小位置（即到波谷的位置），记录此时游标卡尺的读数，接着再往左移，读取下一个波谷点位置，这样记录3组数据，计算波导波长的均值。
g）将实验结果记录于表中，改变频率，重复上述步骤，测量对应三组频率数据，得到实验结果，分析实验数据，得出实验结论。
五、实验数据及结果分析
1、实验结果
（1）频率测量数据
信号源频率
9000MHz
10000MHz
11000MHz
频率计读数
8.86GHz
9.935GHz
11.4GHz
（2）波长测量数据
信号源工作频率
波节点位置
f0
D1
D2
D3
D4
134.02mm
158.03mm
182.03mm
206.02mm
131.12mm
151.10mm
170.12mm
190.11mm
148.05mm
165.06mm
182.05mm
199.04mm
2、数据分析
（1）频率测量数据处理就分析
误差
1.556%
9.94GHz
0.600%
3.636%
（2）波长测量数据处理及分析
=2（D2-D1）,
=2（D3-D2）,
=2（D4-D3）,
48.02mm
48.00mm
47.98mm
39.96mm
38.04mm
39.98mm
39.32mm
34.02mm
33.98mm
33.99mm
，
1）
理论值
=48.69mm，误差为1.417%
2）
=39.76mm，误差为1.157%
3）
=33.98mm，误差为0.059%
波导波长均比工作波长要长，当截止波长一定时，波导波长随着信号源工作频率的增大而减小，工作波长与频率成反比，频率越高，工作波长越短，本实验中11.0GHz波长最短。
3、误差产生及分析
频率测量数据和波长测量数据与理论值均存在一定的误差。
1.多模式混淆导致谐振腔测频率有误差，谐振腔会吸收部分传输微波，此时其他频率的微波会与一定程度上衰减的主波混合带来误差。
2.频率计读数及游标卡尺读数时存在误差。
3.检波计指针在波谷值附近变化不显著，在读数时会产生误差。
4.实验仪器本身存在误差。
六、实验心得
在本次实验中，复习了关于微波相关的知识，怎么计算波导波长的理论值，测量时两个相邻驻波最小点之间的距离为波导波长的一半，学习使用了几种以前没有接触过的新仪器：
隔离器，频率计，可变衰减器，测量线，选频放大器。
在这过程中更加理解了课本上的理论知识，更是在实践中学会了波导波长的测量方法。
实验过程中，一开始我们感觉到无从下手，因为对理论知识的理解不到位和对器材使用的不熟悉，后来经过老师的讲解和指导，逐渐的明白了实验原理和实验仪器的使用方法，便一步一步的将器材安装好，一步一步的调整仪器再进行测量，刚开始测量误差过大，后来耐心的询问助教和老师，仔细思考，发现是仪器调整不到位，读数不够精确，找到问题所在之后重新测量，总算是将误差控制在了允许的范围内。
经过这次实验，我们明白了实验之前一定得先把理论知识理解然后实验的时候一定要想好实验步骤，不能随意的调整实验仪器，否则就造成实验结果的错误。
实验二阻抗匹配实验
1、了解基本的阻抗匹配理论及阻抗变换器的设计方法。
2、利用实验模组实际测量以了解匹配电路的特性。
3、学会使用软件进行相关电路的设计和仿真，分析结果。
4、加深对课本知识网络参量及阻抗匹配的了解。
二、实验内容
1.测量π型网络50欧姆匹配下S11/S21曲线图。
2.测量T型网络50欧姆匹配下S11/S21曲线图。
三、实验仪器
四、实验原理
如图2-1所示：
输入信号经过传输以后，其输出功率与输入功率之间存在以下关系，信号的输出功率直接决定于输入阻抗与输出阻抗之比。
图2-1输出功率与阻抗比例关系图
阻抗匹配电路如图2-2所示：
T型匹配电路
图2-2阻抗匹配电路
五、实验步骤及实验数据
1.首先将RE2000与PC机通过RS232串口进行电气连接，接好RF2000
的电源，开机。
启动SCOPE2000软件；
2.将标号为“RF2KM2-1”的模块按图示的接法接在RF2000的SWEEP/CW1
的OUT端子上。
3.接好模块后，过几秒钟按“band”把频段打到300M-500MHz，软件界面如图所示。
此时是π型网络50Ω匹配状态下300M-500MHz时S11曲线图，按Band可以在各频段间切换，按S11/S21可以切换S11/S21的曲线图。
4.π型网络50欧姆匹配状态下S21参数测量：
模块标号为“RF2KM2-
1A”的P1端接至RF-2KSWEEP端，P2接至RF-2K的RF-IN,接法如下图所示。
5.同样，过几秒后把频段打到300M-500M。
此时是π型网络50欧姆匹配状态下300MHz-500MHz时的S21的曲线图。
如图所示。
6.T型网络50欧姆匹配状态下的S11参数测量，模块标号为“RF2KM2-
1A”，P3端接至RF-2KSWEEP端，P4接50欧姆匹配电阻，接法如下图所示：
7.过几秒钟后把频段打到300M-500M，此时是T型网络50欧姆匹配状态下300-500MHz时的S11曲线图。
实验截屏与参考波形如下所示：
8.去掉50欧姆匹配负载，将P4段接到RF-IN端子。
接法如下图。
9.同样，过了几秒后把频段打到300M-500MHz,此时是T型网络50欧姆匹配状态下300M-500MHz时的S21的曲线图。
六、实验结果分析
通过对比本次阻抗匹配实验所得的波形与参考的波形我们可以得到，本实验所得的曲线图和参考波形差别不大，我们的实验曲线在误差范围内是正确的。
本实验误差产生的可能是因为我们在连接标号为“RF2KM2-1A”的P1端和RF-2KSWEEP端时，没有接牢固。
本实验中，负载和传输系统的匹配，目的就是要消除负载的反射，通过对比π型网络50欧姆匹配状态下300MHz-500MHz时的S21的曲线图与T型网络50欧姆匹配状态下300M-500MHz时的S21的曲线图可以得到，这两个图的波形几乎一致，说明信号通过T型、π型阻抗转换时衰减几乎为零，而通过50欧电阻时信号发生衰减。
于是，我们可以得到：
在传输系统与负载连接时，其间接一个阻抗转换器，可以消除负载的反射，而且阻抗匹配反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系，当电路阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。
七、实验心得体会
通过对本次阻抗匹配实验的实践和结果分析，我们四个人对课本上关于阻抗匹配的知识有了更深刻的理解，同时也提升了我们的动手能力。
我们认识到：
电磁波传输电路必须考虑其阻抗匹配问题，只有实现了输出阻抗与负载阻抗“完美”的匹配，才能实现电磁波信号的无反射传输，实现最大功率化利用。
如果电磁波传输电路中出现不匹配就会引起严重的反射，这样传输线上将形成驻波，大量的功率浪费在反射功率上，同时因反射功率过大将造成元器件的损坏，使得发射机故障率上升，也使得能量利用率降低，严重时无法实现调谐，发射机无法正常工作。
实验三分支线型耦合器
1、了解定向耦合器的原理及基本设计方法。
2、利用实验模组实际测量以了解方向耦合器的特性。
3、学会使用微波软件对方向耦合器进行设计和仿真，并分析结果。
1.观测分支线型定向耦合器在300MHz-500MHz时的S11/S21曲线图。
2.测量分支线型定向耦合器在300MHz-500MHz时S11/S21的参数。
方向耦合器是一个四端口网络结构，如图所示:
其信号输入端1功率为P1，信号传输段功率为P2，信号耦合端功率为P3，信号隔离端功率为P4。
定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度、定向性等。
下面介绍上述各指标：
1、耦合度
耦合度C定义为输入端口的输入功率P1和耦合端二P之比的分贝数，耦合度C表示为:
耦合受的分贝数越大耦合越弱，通常把耦合度为0dB-10dB的定间耦合器称为强耦合定向耦合器，把耦含度为10dB-20dB的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器，把耦合度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。
2、隔离度
隔离度I定义为输入端口的输入功率P1和隔离窗口的输出功率P4之比的分贝数，隔离度I表示为:
理想状态下，隔离度为无穷大。
3、定向性
在理想情况下，隔离端口应没有输出功率，但比于设计公式及制作精度的限制，使隔离端口有一些功率输出。
通常采用耦合端口与隔离端口输出功率之比的分贝数来表示定向耦合器的定向性，定向性表示为:
隔离端口输出越小，定向性越好，在理想情况下，=0,定向性D无穷大，实际使用中常对定向性提出一个最小量。
1.将RE2000与PC机通过RS232连接，接好RF2000的电源，开机。
启动SCOPE2000软件。
2.模块标号“RF2KM5-1A”,模块P1端接至RF-2KSWEEP端，P2、P3、P4接50Ω负载。
接法如下所示：
3.接好模块后，过几秒钟后按“band”把频段打到300M-500MHz时的S11曲线，按Band可以在各频段之间切换，按S11/S21可切换S11/S21的曲线图。
波形截图如下：
4.下面我们做分支线型定向耦合器的S21参数测量。
模块标号为“RF2KM5-1A”,模块P1端接至RF-2KSWEEP端，P2接至RF-2K的RF-IN，P3、P4接50Ω负载。
5.同样，过几秒钟后把频段打到300M-500M软件界面，按Band可以在各频段之间切换，按S11/S21可切换S11/S21的曲线图。
波形如下：
6.下面我们接着做分支线型定向耦合器的S21参数测量。
模块标号“RF2KM5-1A”,模块P1端接至RF-2KSWEEP端，P3接至RF-2K的RF-IN，P2、P4接50Ω负载。
接法和波形如下：
7.下面我们接着做分支线型定向耦合器的S21参数测量。
模块标号“RF2KM5-1A”,模块P1端接至RF-2KSWEEP端，P4接至RF-2K的RF-IN，P2、P3接50Ω负载。
通过对比实验所得波形与指导软件上波形可知，所的曲线图基本正确，误差较小，产生一定误差可能是因为波形尚未完全稳定就截图，或是实验仪器本身存在一定误差。
由试验数据可知该分支线型定向耦合器耦合度良好。
通过本次实验，了解了分支线型定向耦合器的特点，工作特性以及工程应用等。
我们熟悉了微波元件的测量软件和测量方法，对定向耦合器有了基本了解，对电磁场与微波技术这门课程有了更深入的了解，为我们学习微博其他领域的相关内容打下了基础。
实验四滤波器实验
1.了解低通滤波器及带通滤波器对信号幅频特性的影响。
2.加深理解低通滤波器及带通滤波器的工作原理。
3.学会使用软件进行相关电路的设计和仿真，分析结果。
1.测量低通滤波网络50Ω匹配下S11/S21曲线图。
2.测量带通滤波网络50Ω匹配下S11/S21曲线图。
设备名称
数量
备注
MOTECHRF2000测量仪
1
亦可用网络分析仪
滤波器器模块组
RF2KM6-1A
50ΩBNC连接线
2
CA-1、CA-2
MICROWAVE软件
微波设计软件
50Ω匹配电阻
用于与端口连接，达到阻抗匹配
滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中的无用频率，即抑制无用信号的电子装置。
根据是否含有有源元件，可分为有源滤波器和无源滤波器，有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。
低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件，带通滤波器允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。
理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值线性相移，而在阻带内其幅值应为零。
但实际滤波器不能达到理想要求。
滤波器的一般结构如下：
其中|A（jω）|为滤波器传递函数的模，ф（ω）为相位角。
截止频率（归一化幅频特性在幅度为0.707时对应的频率，该频率的点位半功率点）。
通过幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围不同，滤波器可分为：
a）低通滤波器（LPF）、b）高通滤波器（HPF）、c）带通滤波器（BPF）、d）带阻滤波器（BEF），幅频特性分别如下所示：
1.首先将RF2000与PC机通过RS232连接，接好RF2000的电源，开机，启动SCOPE2000软件。
2.、将标号为“EF2KM6-1A”的模块图按图示的接法，P1端接在RF200的SWEEP/CW1OUT端口上，P2接上50欧姆匹配负载。
3.接好模块后，等待几秒钟后按“BAND”把频段打到49M-110M，软件界面如图。
此时是低通滤波器在49M-110MHz时的S11的曲线图。
按“BAND”可以在各频段之间切换，按S11/S21可以切换S11/S21的曲线图。
实验所得波形与参考波形如下：
4.下面我们做低通滤波器的S21参数测量，模块标号为“RF2KM6-1A”，P1端接在RF200的SWEEP/CW1OUT端口上，P2接至RF-2K的RF-IN。
接法如下图所示：
5.同样，等待几秒钟后按“BAND”把频段打到49M-110M，软件界面如图。
此时是低通滤波器在49M-110MHz时的S21的曲线图。
按“BAND”可以在各频段之间切换，按S11/S21可以切换S11/S21的曲线图：
6.下面我们接着做带通滤波器的S参数测量。
模块标号“RF2KM6-1A”的P3端接至RF-2KSWEEP端，P4端接50欧姆匹配负载，接法如下图所示：
7、同样，等待几分钟后按“BAND”把频段打到140M-300MHz，软件界面如图。
此时是带通滤波器在140M-300MHz时S11的曲线图。
按“BAND”可以在各频段间切换，按S11/S21可以切换S11/S21的曲线图。
8、下面我们接着做带通滤波器S21的参数测量。
模块标号“RF2KM6-1A”的P3端接至RF-2KSWEEP端，P4端接至RF-2K的RF-IN，接法如下图所示：
9.同样，等待几秒钟后等待几分钟后按“BAND”把频段打到140M-300MHz，软件界面如图。
此时是带通滤波器在140M-300MHz时S21的曲线图。
按“BAND”可以在各频段间切换，按S11/S21可以切换S11/S21的曲线图。
六、实验数据分析
通过对比本次滤波器实验所得实验波形和参考波形可以得到，我们实验所得的曲线图误差较小，在误差允许范围内可以得出，我们本次的实验是正确的。
S11是在接50Ω匹配阻抗时测得的波形图，S21是在通过滤波器后测得的波形，故S11反映反射系数，S21反映滤波器传输参数，滤波器通带，阻带的位置及衰减、起伏全都在表现在S21随频率变化的曲线的形状上。
因此，S11在通带处反射系数低，而S21在通带处传输系数大。
我们对实验产生误差的可能原因进行了分析，产生误差可能原因之一是因为波形尚未完全稳定就截图，其二可能是模块之间的连接不牢固。
通过对本次滤波器实验，我们四个人了解了滤波器的特性，对实验结果进行了定性分析：
低通滤波器对高频率信号抑制，以及带通滤波器只允许一定频率信号通过。
我们对课本上关于滤波器的知识有了更深刻的理解，同时也提升了我们的动手能力和团队协作能力。
升级会员 