南昌大学微波天线实验报告教材Word文档格式.docx
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未经调制的微波信号经检波后变成直流电流，此时可用直流仪表（如微安表、检流计等）直接指示；
经方波调制的微波信号经检波后变成检波电流，在检波电流中，除了直流分量还有方波分量，此时可用选频放大器进行检测与指示。
选频放大器：
选频放大器是用来放大和测量微弱低频交流信号的低噪声精密测量仪器，一般接收来自检波器检波后的1kHz方波信号。
可对电流或电压进行直读测量，还具有分贝读数、1-4（或3.2-10）驻波刻度线，可以方便地直读小反射器件的驻波比。
通常将输入量程衰减器置于50dB（或60dB）档，用以确保检波器工作于平方律检波。
该仪器的频率微调旋钮是用于调节仪器内选放电路的谐振频率，以使其与信号源调制频率相同，此时可获得输出最大并利用显示。
功率计：
用来测量连续波或调制微波信号的平均功率。
短路板：
在微波测量系统中用于实现终端短路的微波标准器件。
匹配负载：
在微波测量系统中用于实现与系统匹配的微波终端标准器件。
2.常用微波元器件简介
微波元器件的种类很多，下面主要介绍实验室里常见的几种元器件：
（1）E-T接头
（2）H-T接头（3）双T接头
（4）波导弯曲（5）波导开关（6）可变短路器
（7）吸收式衰减器（8）向耦合器（9）隔离器
3.功率测量
按图1-1所示连接微波测量系统，在终端处接上微波小功率计探头，接通电源开关，调整衰减器，观察微波功率计指示并作相应记录，可记入表1-1。
三、实验数据及数据处理
1.实验数据如图表1-1
衰减器
位置（mm）
3.39
4
4.5
5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
功率计
读数（uw）
4.57
3.72
2.95
1.94
0.85
0.52
0.31
0.18
0.1
0.05
2.衰减器指示与功率指示的关系曲线
四、思考：
1、微波小功率计探头的工作原理简述。
微波小功率计功率探头的主体是一个铋、锑热电堆，这是将金属铋和锑用
真空喷镀法镀在介质片上（介质基片可用云母、涤纶、聚烯亚胺等材料）形成热
电堆后，
放在波导或同轴电场最强处，
它即是终端吸收负载，
又是热电转换元件。
所以作为终端负载，它的阻值必须与传输线的等效阻抗相匹配。
当微波功率输出
时，热电耦吸收微波功率使热电堆的热节点温度升高，这就与冷节点产生温差而
形成温差电动势，它产生的直流电动势与输入微波功率是成正比的。
热电堆输出
的直流讯号是很薄弱的，指示器经直流放大后再作功率指示。
微波频率计（PX16）
微波频率计是由传输波导与圆柱形谐振腔和直读显示机构构成。
它利用长方形孔磁耦合来激励，谐振腔的活塞为抗流形式。
此频率计是吸收直读式频率计。
2、微波频率计的工作原理。
当频率计的腔体谐振频率与被测频率一致时，由指示器可明显看出传输功率有一个明显的跌落。
实验二微波波导波长、频率的测量、分析和计算
（1）学会微波测量线的使用；
（2）学会测量微波波导波长和微波信号源频率；
（3）分析和计算波导波长及微波频率。
二、实验原理
图1-1示出了实验室常用的微波测试系统。
进行微波测量时，首先要正确连接与调整微波测量系统。
微波测量系统的调整主要指微波信号源、微波测量线的调整、晶体检波器的校准。
信号源的调整包括振荡频率、功率电平及调制方式等。
本实验主要讨论微波测量线的调整和晶体检波器的校准。
1．微波测量线的调整
微波测量线是微波系统的一种常用测量仪器，它在微波测量中用途很广，可测驻波、反射系数、阻抗、相位和波长等。
测量线通常由一段开槽传输线、探头座（耦合探针、探针的调谐腔体和输出指示）、传动装置三部分组成。
由于耦合探针伸入传输线而引入不均匀性，其作用相当于在线上并联一个导纳，
从而影响系统的工作状态。
为了减少其影响，测试前必须仔细调整测量线。
实验中测量线的调整一般包括的探针深度调整和耦合输出匹配（即调谐装置）。
通常测量线探针深度及调谐装置均已调好，不易轻易变动！
2．晶体检波器的工作原理
在微波测量系统中，送至指示器的微波能量通常是经过晶体二极管检波后的直流或低频电流，指示器的读数是检波电流的有效值。
在测量线中，晶体检波电流与高频电压之间关系是非线性的，因此要准确测出驻波（行波）系数必须知道晶体检波器的检波特性曲线。
晶体二极管的电流I与检波电压U的一般关系为
I=CUn（2-1）
式中，C为常数，n为检波律，U为检波电压。
检波电压U与探针的耦合电场成正比。
晶体管的检波律n随检波电压U改变。
在弱信号工作（检波电流不大于10μA）情况下，近似为平方律检波，即n=2，此时选频放大器的分贝量程一般置于50dB（或60dB）档；
在大信号范围，n近似等于1，即直线律。
测量晶体检波器校准曲线最简便的方法是将测量线输出端短路，此时测量线上为纯驻波，
其相对电压按正弦律分布，即：
ø
（2-2）
式中，d为离波节点的距离，Umax为波腹点电压，λg为传输线上波长。
因此，传输线上晶体检波电流的表达式为
ö
（2-3）
根据式（2-3）就可以用实验的方法得到图2-1所示的晶体检波器的校准曲线。
图2-1校准曲线
3．波导波长的测量原理
方法一：
测量线的基本测量原理是基于无耗均匀传输线理论，当负载与测量线匹配时测量线上是行波；
当负载为短路或开路时，传输线上为纯驻波，能量全部反射。
因此通过测量线上的驻波比，然后换算出反射系数模值，再利用驻波最小点位置dmin便可得到反射系数的幅角以及微波信号特性、网络特性等。
根据这一原理，在测得一组驻波最小点位置d1，d2，d3，d4…后，
由于相邻波节点的距离是波导波长的1/2，这样便可通过下式算出波导波长。
ë
（2-4）
方法二：
根据驻波分布的特性，在波导系统终端短路时，传输系统中会形成纯驻波分布状态，在这种情况下，两个驻波波节点之间的距离为波导波长的1/2，所以只要测量出两个驻波波节点之间的距离，就可以得到信号源工作频率所对应的波导波长，可采用交叉读数法测量波导波长，如图3-1所示。
图2-2交叉读数法测量波节点位置
为了使测量波导波长的精度较高（接近实际的波导波长），采用交叉读数法测量波导波长。
在测试系统调整良好状态下，通过测定一个驻波波节点两侧相等的电流指示值I0（可选取最大值的20%）所对应的两个位置d1、d2，则取d1、d2之和的平均值，得到对应驻波波节点的位置dmin1。
用同样的方法测定另一个相邻波节点的位置dmin2，如图3-1所示，则dmin1、dmin2与系统中波导波长之间的关系为：
+（2-5）
=（2-6）
由教材内容（见习题2-5），工作波长λ与波导波长λg有如下关系：
=（2-7）
式中，λc为截止波长。
一般波导工作在主模状态，其λc=2a。
本实验中波导型号为BJ-100，其宽边为a=22.86mm，代入上式计算出工作波长。
在波导中，还可利用下面公式计算波导波长：
l（2-8）
式中，λ0为真空中自由空间的波长（实验中近似有λ0≈λ）。
4.频率测量
微波频率测量是利用微波圆柱谐振腔体制作而成的一种谐振吸收式波长表。
当吸收式波长表与信号源产生的微波信号频率共振时，将从电路中吸收最大的能量，系统中选频放大器的指示达最小，此时在频率计上圆柱谐振腔的固有频率与系统的工作频率相同，从频率计上直接读出频率f0值即为信号源的工作频率。
该频率计测量频率范围为8.2~12.4GHz、测量精度可达≤0.3%。
另外信号源工作频率f可由工作波长λ求得：
´
（2-9）
三、实验步骤
1.开通测试系统
①按图1-1所示连接微波测量系统，终端接上短路负载。
②打开信号源、选频放大器的电源，将信号源设置在调制（方波）状态，将衰减器调整到合适位置。
③在开槽测量线终端接短路负载后，调节探头座（即旋动测量线上的大旋钮）至选频放大器输出指示最大。
④调整输出衰减器，通过选频放大器指示，确定测量线测试系统工作在比较灵敏的最佳状态，即得到测量线探头座处在不同位置时与选频放大器指示刻度之间有比较灵敏对应关系。
2.波导波长测量
①从负载端开始旋转测量线上整个探头座，使选频放大器指示最小，此时即为测量线等效短路面，记录此时的探针初始位置，记作dmin0，并记录数据;
②继续旋转探头座位置，可得到一组指示最小点位置dmin1，dmin2，dmin3，…，反复测3次，记入表2-1；
③将数据代入式（2-4），计算出波导波长。
①测量线终端接短路板，从负载端开始旋转旋钮，移动测量线上探头座，使选频放大器指示最小，此时即为测量线等效短路面，记录此时的探针初始位置，记作dmin0，并记录数据;
②继续旋转移动探头座位置，选择合适的驻波波节点，一般选在测量线的有效行程的中间位置，并选择一个合适的检波指示值（I0），如图2-2中所示，然后按交叉读数法测量波导波长。
测量三组数据，取算术平均值作为波导波长的测量值，记入表2-2；
③将数据代入式（2-6），计算出波导波长。
3.频率测量
信号源工作频率f亦可用吸收式频率计测量。
实验中采用的吸收式频率计连接在信号源与检波器之间。
当吸收式频率计失谐时，微波能量几乎全部通过频率计，此时选频放大器指示最大。
使用时，缓慢旋转频率计套筒，即调节吸收式频率计，当调节频率计至谐振状态时，选频放大器指示表上观察到信号大小发生明显的变化，并达到最小值处，此时读得吸收式频率计上指示频率（频率计上两红线之间的刻度读数）即为信号源工作频率，反复测3次，记入表2-3。
可将测量结果（取其平均值）与用波导波长换算的结果进行比较。
数据记录
探针初始位置dmin0=89.82mm
表2-1方法一的测量波导波长数据记录表
测量次数量次数
位置读数
（mm）
1
112.80
134.60
157.20
2
112.76
134.56
157.16
3
112.78
134.58
157.22
=112.78mm
=134.58mm
=157.19mm
根据式
算出波导长
=45.2mm
再由式
（
）和f=
算出
工作波长
=32.0436mm
工作频率f=9.3624GHZ
表2-3频率测量数据记录表
测量频率
（GHZ）
9.368
9.365
9.369
=9.3673GHZ
由此可见吸收式频率计上指示的频率与计算出工作频率近似相等。
四、思考题
测量线为什么在波导中心线开槽？
微波测量线是测量波导中微波电场分布的精密仪器，她的结构是一段在宽边中心线上开槽的波导管和可沿槽线滑动的探针，它在微博测量中用途很广，可测驻波，阻抗，相位，波长等，测量线通常由一段开槽的传输线，探头，传动装置三部分组成，由于耦合探针深入传输线而引入不均匀性，其作用相当于在线上并联一个导纳，从而影响到系统的工作状态，为了减少其影响，测试前必须仔细调整整测量线，所以只有在波导中心线开槽，才能保证驻波，阻抗，相位，波长等参数的测量准确性，否则会引起误差。
实验三微波驻波比、反射系数及阻抗特性测量、分析和计算
（1）学会驻波比的测量、分析和计算；
（2）学会反射系数的测量、分析和计算；
（3）学会输入阻抗的测量、分析和计算。
在任何的微波传输系统中，为了保证传输效率，减少传输损耗和避免大功率击穿，必须实现阻抗的匹配。
描述系统匹配程度的参数有电压驻波比和反射系数。
驻波比测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一。
在传输线中若存在驻波，将使能量不能有效地传给负载，因而增加损耗。
在大功率情况下由于驻波存在可能发生击穿现象。
因此驻波测量是非常重要的内容。
在测量时，通常是测量电压驻波比，即波导中电场（电压）最大值与最小值之比，即：
（3-1）
测量驻波比的方法与仪器有多种。
驻波比的各种测量方法如表3-1所示。
表3-1驻波比的各种测量方法
本实验仅介绍直接法和等指示度法。
1.直接法
直接测量沿线驻波的最大点和最小点场强，由式（3-1）直接求出电压驻波比的方法称为直接法。
此方法适用于中小电压驻波比（ρ<
6）的测量。
若驻波波腹点和波节点处电表指示读数分别为Imax、Imin，对于小驻波比，晶体二极管为平方律（n=2）检波时，则上式驻波比为：
r==（3-2）
当电压驻波比在1.05<
ρ<
1.5时，驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测量准。
为了提高测量准确度，可移动探针座到几个波腹点和波节点，实际测量多个数据，并记录数据，然后取平均值。
按下式计算驻波比（n=2）：
+++L（3-3）
若检波律n≠2时，则采用下式计算驻波比：
é
（3-4）
在选频放大器的指示刻度上，有两条驻波比的刻度线：
其中一条的驻波比范围是≤4，另一条的驻波比范围是≤10。
由此，利用选频放大器可以测量出驻波比≤10的负载驻波比。
这两条驻波比刻度线都是按平方检波律标准标注的。
当驻波比超出第一条驻波刻度线所标的范围值时，可以试着将选频放大器的增益增大一档，然后读取第二条驻波刻度线上的数值，但换挡时会引入较大的测量误差。
一般选频放大器的分贝量程置于50dB（或60dB）档。
2.等指示度法
等指示度法适用于测量大、中电压驻波（ρ>
6）。
如果被测元器件驻波比较大，驻波波节点和波腹点电平相差悬殊，因而在测量最大点和最小点电平时，会使晶体检波二极管工作在不的检波律，若仍按直接法测量大驻波比将引起较大误差，此时常采用等指示度法。
等指示度法是测量驻波图形波节点两侧附近的场分布规律，从而求得驻波比的方法，因此该方法能克服直接法测量的缺点。
已知传输线上沿线驻波分布的相对场强
=E/Emax与终端反射系数的关系为：
b（3-5）
式中，z为离终端的距离，φL为终端反射系数ΓL的幅角，β=2π/λg为传输线的相移常数，λg为波导波长。
根据微波晶体检波特性，在等指示度点获得的电流指示值为：
-G（3-6）
而在波节点（在波节点有cos（2πw/λg）z=cosnπ）获得的电流指示值为：
==
+G-G（3-7）
式中的C为比例常数，n为检波律，w=2d为两等指示度对应点之间的距离。
引入比值K
=（3-8）
则得：
l（3-9）
引入三角公式cos2θ=
及关系式|Γ|=（ρ-1）/（ρ+1），经变换得：
p
（3-10）
图3-1示出了驻波节点附件的电场分布曲线和需要测量的有关量。
通常测量i左或右=2imin的两个等指示度点（即取K=2）所对应的探针位置间的距离为
w=|d2-d1|（3-11）
当探针晶体为平方律（n=2）检波时，传输线中的驻波比为：
（3-12）
该方法也可称为“二倍最小值法或三分贝法”。
当ρ>
10时，sin（πw/λg）很小，则上式可简化为
l（3-13）
可见，用等指示度法测量驻波比实际上是测量等指示宽度w和波导波长λg。
等指示度法测量驻波比的精度主要取决于w测量精度，因此一般在测量线上要加装用百分表来测量w。
根据终端反射系数的模值|Γl|与驻波比有如下关系：
（3-14）
和终端反射系数的相位φl与节点位置zminn的以下关系：
p（3-15）
可以计算得到反射系数。
根据波导主模特性阻抗
及测得的驻波比ρ和第一波节点位置zmin1可得终端负载阻抗为（参见教材中习题1.3）：
（3-16）
其中，
。
根据以上各公式及测得的驻波比、反射系数，进而计算出输入阻抗或终端负载阻抗。
三、实验步骤（根据负载情况选用直接法或等指示度法测量驻波比）
1．等效参考面的选取与波导波长的测量
（1）将测量线测试系统调至最佳工作状态；
（2）终端接短路片，从负载端开始，旋转测量线上的探针座位置，使选频放大器指示最小，此时即为测量线等效短路面，记录此时的探针初始位置，记作dmin0，并记录数据；
（3）按实验二的方法测出波导波长λg（或直接使用实验二的结果）。
记录测量数据。
2．直接法测量驻波比（方法一）
终端接上待测负载（可将调配器调至某一位置作为待测负载），探针从dmin0开始向信号源方向旋转，依次得到指示最大值和最小值三次，记录相应的读数，即得相应的Imin和Imax，数据记入表3-1（注：
指示表的刻度是电流，用微安μA单位）。
再根据式（3-3）或式（3-4）计算驻波比。
3．等指示度法测量驻波比（方法二）
终端接上待测负载（可将调配器调至某一位置作为待测负载），缓慢移动探针座，在驻波节点两旁找到指示表中读数为2imin的两个指示度点（即图3-1中所示K=2的d1、d2位置），应用测量线标尺刻度及指针式百分表读取该两个等指示度点所对应的探针位置刻度值d1和d2，重复测量3次（计算时取平均值），数据列表记录于表3-1。
根据式（3-11）、式（3-12）或式（3-13）计算驻波比。
4．反射系数的测量与计算：
终端接上待测负载，探针从dmin0开始向信号源方向旋转，记录波节点的位置dminn，数据记入表3-2。
按式（3-13）和式（3-14）计算反射系数。
5.按式（3-16）计算终端负载阻抗。
实验数据
探针初始位置dmin0=89.82mm；
波导波长λg=45.2mm。
表3-1驻波比测量数据记录表（注明所选用的测量方法）
指示表读数
方法一
方法二
（mA）
w
81
562
11.6
83
564
11.64
85
567
11.61
83mA
=564.33mA
=2.6075
表3-2计算反射系数测量数据记录表
终端反射系数的模值
=
=0.4456
实验步骤1对后续测量有何意义？
实验步骤1是对等效参考面的选取及波导波长的测量，用实验2的方法测出波导波长，这样就等于是验证了参考波长，用测量出的参数与实验2对比，以防相差太大，造成误差，保证实验的准确性。
实验四微波二端口网络参数的测量、分析和计算
（1）理解可变短路器实现开路的原理；
（2）学会不同负载下的反射系数的测量、分析和计算；
（3）学会利用三点法测量、分析和计算微波网络的[S]参数。
[S]参数是微波网络中重要的物理量，其中[S]参数的三点测量法是基本测量方法，其测量原理如下：
对于互易双口网络有S12=S21，故只要测量求得S11、S12及S21三个量就可以了。
被
测网络连接如图4-1所示。
图4-1[S]参数的测量
设终端接负载阻抗Zl，令终端反射系数为Γl，则有:
a2=Γlb2,代入[S]参数定义式得：
（4-1）
于是输入端（参考面T1）处的反射系数为
（4-2）
在待测网络（即负载Zl）依次换接终端短路负载（既有Γl=-1）、终端开路负载（即Γl=1）和终端匹配负载（即Γl=0）时，测得的输入端反射系数分别为Γs、Γo和Γm，代入式（4-1）并解出：
（4-3）
由此得到[S]参数，这就是三点测量法原理。
在实际测量中，由于波导开口并不是真正的开路，故一般用精密可移动短路器实现终端等效开路
位置，如图4-2所示。
图4-2用可变短路器测量[S]参数
（1）将匹配负载接在测量线终端，并将测量线测试系统调整到最佳工作状态；
（2）将短路片接在测量线终端，从测量线终端向信源方向旋转探针座位置，使选频放大器指示为零（或最小），此时的位置即为等效短路面，记作dmin0；
（3）在终端换接可变短路器，在探针座位置dmin0处，调节可变短路器使选频放大器指示为零（或最小），记下可变短路器的位置
；
（4）继续调节可变短路器使选频放大器指示再为零（或最小），记下可变短路器的位置
（5）换接上待测二端口网络（可将调配器调至某一位置作为待测二端口网络），并在待测网络的终端再接上匹配负载，按照实验三的方法测量和计算得此时的反射系数Γm；
（6）在待测网络
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