试验二驻波的测量.docx
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试验二驻波的测量
《微波技术与天线》实验指导书
主编赵霞
审核楚栓成
校对杨艺
北方民族大学电气信息工程学院
二○○八年三月
目 录
实验系统介绍……………………………………………………………………3
实验一 微波测量系统…………………………………………………………9
实验二 驻波的测量……………………………………………………………12
实验三 阻抗及匹配……………………………………………………………15
实验四 微波技术应用的研究…………………………………………………18
实验系统简介
微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。
从图1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。
与无线电波相比，微波有下述几个主要特点
图1电磁波的分类
1．波长短（1m—1mm）：
具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。
2．频率高：
微波的电磁振荡周期（10-9一10-12s）很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间（约10-9s）可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件（振荡器、放大器和检波器）中，而必须采用原理完全不同的微波电子管（速调管、磁控管和行波管等）、微波固体器件和量子器件来代替。
另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件（波导管、波导元件、谐振腔等）来代替。
3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。
4．量子特性：
在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。
人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。
（北京大华无线电仪器厂）
5．能穿透电离层：
微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。
综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。
微波实验是近代物理实验的重要组成部分。
实验目的
1.学习微波的基本知识；
2.了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术；
3.学习用微波作为观测手段来研究物理现象。
微波基本知识
一、电磁波的基本关系
描写电磁场的基本方程是：
，
，
⑴
和
，
，
。
⑵
方程组⑴称为Maxwell方程组，方程组⑵描述了介质的性质对场的影响。
对于空气和导体的界面，由上述关系可以得到边界条件（左侧均为空气中场量）
，
，
⑶
，
。
方程组⑶表明，在导体附近电场必须垂直于导体表面，而磁场则应平行于导体表面。
二、矩形波导中波的传播
在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，而必须改用微波传输线。
常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线，本实验用的是矩形波导管，波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线。
根据电磁场的普遍规律——Maxwell方程组或由它导出的波动方程以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有两大类波能够在矩形波导中传播：
①横电波又称为磁波，简写为TE波或H波，磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。
②横磁波又称为电波，简写为TM波或E波，电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。
在实际应用中，一般让波导中存在一种波型，而且只传输一种波型，我们实验用的TE10波就是矩形波导中常用的一种波型。
1．TE10型波
在一个均匀、无限长和无耗的矩形波导中，从电磁场基本方程组⑴和⑵出发，可以解得沿z方向传播的TE10型波的各个场分量为
，
，
，
，
，⑷
其中：
ω为电磁波的角频率，
，
是微波频率；
a为波导截面宽边的长度；
β为微波沿传输方向的相位常数β=2π/λg；
λg为波导波长，
图2和式⑷均表明，TE10波具有如下特点：
①存在一个临界波长
＝2α，只有波长λ<λC的电磁波才能在波导管中传播
②波导波长λg>自由空间波长λ。
③电场只存在横向分量，电力线从一个导体壁出发，终止在另一个导体壁上，并且始终平行于波导的窄边。
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，Ey和Hx的分布规律相同，也就是说Ey最大处Hx也最大，Ey为零处Hx也为零，场的这种结构是行波的特点。
图2TE10波的电磁场结构（a）,（b）,（c）及波导壁电流分布（d）
2．波导管的工作状态
如果波导终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波的所有能量全部被吸收，这时波导中呈现的是行波。
当波导终端不匹配时，就有一部分波被反射，波导中的任何不均匀性也会产生反射，形成所谓混合波。
为描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数
定义为:
图3（a）行波,（b）混合波,（c）驻波
驻波比ρ定义为：
其中：
Umax和Umin分别为波腹和波节点电压的大小。
不难看出：
对于行波，ρ=1；对于驻波，ρ=∞；而当1<ρ<∞,是混合波。
图3为行波、混合波和驻波的振幅分布波示意图。
常用微波元件及设备简介
1．波导管：
本实验所使用的波导管型号为BJ—100，其内腔尺寸为α＝22.86mm，b＝10.16mm。
其主模频率范围为8.20～12.50GHz，截止频率为6．557GHz。
2．隔离器：
位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性（见图4）。
隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。
3．衰减器：
把一片能吸收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（见图5），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以及去耦合的作用。
图4隔离器结构示意图图5衰减其结构示意图
4．谐振式频率计（波长表）：
图6a谐振式频率计结构原理图一图6b谐振式频率计结构原理图二
1.谐振腔腔体1.螺旋测微机构
2.耦合孔2.可调短路活塞
3.矩形波导3.圆柱谐振腔
4.可调短路活塞4.耦合孔
5.计数器5.矩形波导
6.刻度
7.刻度套筒
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。
（图6a）或从刻度套筒直接读出输入微波的频率（图6b）。
两种结构方式都是以活塞在腔体中位移距离来确定电磁波的频率的，不同的是，图6a读取刻度的方法测试精度较高，通常可做到5×10－4，价格较低。
而见图6b直读频率刻度，由于在频率刻度套筒加工受到限制，频率读取精度较低，一般只能做到3×10－3左右且价格较高。
5．驻波测量线：
驻波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。
在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。
由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。
6．晶体检波器：
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．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。
8．环行器：
它是使微波能量按一定顺序传输的铁氧体器件。
主要结构为波导Y形接头，在接头中心放一铁氧体圆柱（或三角形铁氧体块），在接头外面有“U”形永磁铁，它提供恒定磁场H0。
当能量从1-端口输入时，只能从2端口输出，3端口隔离，同样，当能量从2端口输入时只有3端口输出，1端口无输出，以此类推即得能量传输方向为1→2→3→1的单向环行（见图7）。
图7Y行环形器图8单螺调配器示意图
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（见图8）。
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．微波源：
提供所需微波信号，频率范围在8．6～9．6GHz内可调，工作方式有等
幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。
11．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。
实验一微波测量系统
（验证性实验）
一、实验目的
l.熟悉基本微波测量仪器。
2.了解各种常用微波器件。
3.学会调整微波测量线。
4.学会测量微波波导波长和信号源工作频率。
二、实验仪器与器材
1.微波信号源1个
2.隔离器1个
3.衰减器1个
4.波长计1个
5.测量线1副
6.短路片1个
7.晶体检波器1台
8.选频放大器1台
三、实验基本原理及电路
1—微波信号源2—隔离器3—衰减器4—波长计5—测量线
6—检波晶体7—选频放大器8—晶体检波器9—短路片
图1－1微波测量系统的组成
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的频率。
四、实验内容及步骤
内容：
1.调谐微波测量线。
2.测量波导波长。
3.测量信号源工作频率。
（1）用吸收式波长计,直接读出;
（2）利用波导波长,计算得出。
步骤：
1.按图1-1连接测量系统,终端接检波指示器。
2.信号源“等幅”,晶体检波器灵敏度调到最大。
3.调节信号源,使晶体检波器有指示。
然后旋转波长计,当晶体检波器下降到最小值时,读取波长计数值,对照参考表,查出信号源工作频率。
4.信号源“方波”,终端接短路片，此时不可改变信号源的其它设置。
5.调谐测量线。
6.从负载开始,旋转测量线上的探针位置,使选频放大器的指示最小,此时即为测量线的等效短路面,记录此时探针位置为zmin0;继续旋转探针,可得到一组指示最小点位置z1,z2,z3,z4,根据相邻波节点的距离是波导波长的1/2,可用下式计算出波导波长:
根据工作波长与波导波长的关系:
式中,
为截止波长。
一般波导工作在主模状态,其截止波长为
。
本实验所使用的波导管型号为BJ—100，其内腔尺寸为α＝22.86mm，b＝10．16mm,代入上式算得工作波长,于是信号源的工作频率为:
7.将测量结果与公式计算结果进行比较。
实验提示：
信号源的频率一旦确定，不可再更改。
五、实验结果
1.吸收式波长计的测量结果
2.利用波导波长,计算的结果
Zmin0=
参数
测量次数
1
2
3
测量频率（GHz）
f1
f2
f3
六、实验要求
1.预习均匀传输线理论和矩形波导的内容。
2.对实验过程，记录波节点位置。
3.依据实验结果分析偏差原因。
七、实验思考题
1.为何在微波测量系统中,在信号源之后首先要连接隔离器?
2.使用测量线时，为什么在波导中心开缝?
实验二驻波的测量
（验证性实验）
一、实验目的
l.建立大小驻波比的概念。
2.掌握驻波系数的测量原理和方法。
二、实验仪器与器材
1.微波信号源1个
2.隔离器1个
3.衰减器1个
4.波长计1个
5.测量线1副
6.短路片1个
7.晶体检波器1台
8.选频放大器1台
三、实验基本原理及电路
1—微波信号源2—隔离器3—衰减器4—波长计5—测量线
6—检波晶体7—选频放大器8—晶体检波器9—短路片10—失配负载
图2－1实验装置示意图
微波频率很高，通常用检波晶体（微波二极管）将微波信号转换成直流信号来检测的。
在测量线中,晶体二极管是一种非线性元件，亦即检波电流I同检波电压之间不是线性关系，在一定范围内，大致有如下关系：
其中：
C为常数,n为检波律。
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；在大信号范围，n近似等于1，即直线律。
所以在精密测量中必须对晶体检波器进行校准。
校准方法：
将测量线终端短路，其相对电压按正弦规律分布，即：
式中,d为离波节点的距离,Umax为波腹点电压,
为波导波长。
因此，传输线上晶体电流的表达式为：
驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和Q值等其他参量。
在测量时，通常测量电压驻波系数，即波导中电场最大值与最小值之比，即：
测量驻波比的方法与仪器种类很多，本实验着重熟悉用驻波测量线测驻波系数的几种方法。
l．小驻波比（1．05<ρ<1．5）
这时，驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据，然后取平均值再进行计算。
若驻波腹点和节点处电表读数分别为Imax，Imin，则电压驻波系数为
2．中驻波比（1．5<ρ<5）
此时，只须测一个驻波波腹和一个驻波波节，即直接读出ImaxImin。
3．大驻波比（ρ≥5）
此时，波腹振幅与波节振幅的区别很大，因此在测量最大点和最小点电平时，使晶体工作在不同的检波律，故可采用等指示度法，
也就是通过测量驻波图形中波节点附近场的
分布规律的间接方法（见图2-2）。
我们测量驻波节点的值、节点两旁等指示
度的值及它们之间的距离：
图2-2节点附近场的分布
I为驻波节点相邻两旁的等指示值，W为等指示度之间的距离。
当k=2时（若n=2），
称为“二倍最小值”法。
当驻波比很大（ρ≥10）时，W很小，有
必须指出：
W与入g的测量精度对测量结果影响很大，因此必须用高精度的探针位置指示装置（如百分表）进行读数。
四、实验内容及步骤
内容：
1.理解驻波的概念。
2.测量驻波比。
步骤：
1.按图2-1连接测量系统,终端接检波指示器。
2.调节信号源,使晶体检波器有指示。
3．调谐测量线。
4.终端接上待测负载,旋转测量线上的探针位置，使选频放大器指示最小，此时即为测量线等效短路面。
探针从Zmin0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,记录相应读数,由此可得驻波比为：
实验提示：
试验过程中，不可改变信号源的工作频率。
五、实验结果
1.驻波比的测量：
参数
测量次数
1
2
3
六、实验要求
1.预习矩形波导的内容。
2.掌握驻波的概念，学会驻波的测量。
3.试验数据及处理：
根据测得数据求驻波比。
七、实验思考题
1.驻波比如何划分？
2．为何可通过测量电流求驻波比？
实验三阻抗及匹配
（验证性实验）
一、实验目的
l.学会测量终端负载阻抗。
2.掌握匹配的方法。
二、实验仪器与器材
1.微波信号源1个
2.隔离器1个
3.衰减器1个
4.波长计1个
5.测量线1副
6.短路片1个
7.晶体检波器1台
8.选频放大器1台
9.单螺调配器1台
三、实验基本原理及电路
1—微波信号源2—隔离器3—衰减器4—波长计5—测量线6—检波晶体
7—选频放大器8—晶体检波器9—短路片10—失配负载11—匹配负载
图3－1实验装置示意图
对一个由信源、传输线和负载阻抗组成的传输系统，希望信号源在输出最大功率的同时，负载全部吸收,以实现高效稳定的传输。
因此一方面应用阻抗匹配器使信源输出端达到共轭匹配,另一方面应用阻抗匹配器使负载与传输线特性阻抗相匹配,如图3－2所示。
阻抗匹配具有三种不同的含义,分别是负载阻抗匹配、源阻抗匹配和共轭阻抗匹配,它们反映了传输线上三种不同的状态。
图3－2传输线匹配原理图
负载阻抗匹配是负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形,此时传输线上只有从信源到负载的入射波,而无反射波。
匹配负载完全吸收了由信源入射来的微波功率;而不匹配负载则将一部分功率反射回去,在传输线上出现驻波。
当反射波较大时,波腹电场要比行波电场大得多,容易发生击穿,这就限制了传输线能最大传输的功率,因此要采取措施进行负载阻抗匹配。
负载阻抗匹配一般采用阻抗匹配器。
单螺匹配是其中的一种。
图3－3单螺匹配原理图
四、实验内容及步骤
内容：
1.测量波导波长。
2.测量驻波比。
3.测量终端负载阻抗。
步骤：
1.按图2-1连接测量系统,终端接检波指示器。
2.信号源“等幅”,晶体检波器灵敏度调到最大，使晶体检波器有指示。
3.信号源“方波”,终端接短路片。
4.调谐测量线。
5.测出波导波长
。
6.测量电压驻波比。
7.根据波导主模特性阻抗
和测得的驻波比，
8.波节点位置
。
可得终端负载阻抗为：
（3-1）
（3-2）
其中，
，
，
8.利用单螺调配器，使用逐步逼近的方法使主传输线匹配。
实验提示：
利用单螺调配器，反复调节，才能达到调配的目的。
五、实验结果
1.波导波长的测量结果
2.驻波比
3.波节点位置
参数
测量次数
DB
DT
ld
1
2
3
4.终端负载阻抗
5.最终匹配时的驻波比
六、实验要求
1.预习阻抗计算及匹配的内容。
2.试验数据及处理：
根据测得数据算出波导波长、驻波比，终端负载阻抗。
七、实验思考题
1.简述单螺调配器的工作原理。
2.试推导公式（3-1）。
实验四微波技术应用的研究
（综合性实验）
一、实验目的
l.熟悉微波技术应用的领域。
2.学会天线的测量方法。
。
二、实验仪器与器材
1.三厘米固态信号源1台
2.喇叭天线1副
3.分度转台及支柱1副
4.微安表1台
三、实验基本原理及电路
图4－1实验装置示意图
三厘米固态振荡器发出的信号具有单一的波长，信号调在λ=32.02mm上。
喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：
H面是200，E面是160。
喇叭天线作为面天线，面天线辐射场的求解可以分为两步：
首先求出口径场，然后，根据口径场再求解空间场。
口径场的求解称为面天线的内部问题，空间场的求解称为外部问题。
首先，根据下式可计算惠更斯元的远区辐射场为：
式中S0为z=0处的惠更斯元。
任意平面口径场可以归结为很多振幅不等，相位不同的惠更斯元的辐射场的合成。
若以S0代表口径场的某一直角坐标分量，由于口径为平面，因此，各面元产生的远区场强方向一致，直接积分求得：
对于边长为2a及2b的均匀同相矩形口径场的辐射场强，具体计算方式为：
口径场的某一直角坐标分量为
式中与坐标无关，则
对于远区，
，
，可取
而且可以认为观察点P对于各个面元
均处于同一方位，即
，故
，且可取
。
因此可求得：
四、实验内容及步骤
内容：
1.了解天线辐射的计算思路。
2.测量天线在xoz平面上的方向性。
步骤：
1.基座（即喷漆的大圆盘）的安装：
将Φ40.5的孔向上，将四个支脚按图安置在基座上。
2.固定臂的安装：
在包装箱中有固定臂取出，将固定臂头部的4个M5螺钉通过基座（即喷漆的大圆盘）。
四个沉孔拧入固定臂上并将指针摆正。
3.活动臂的安装：
将喷漆的大圆盘上的两个M3螺钉松开后，将活动臂上的三个M4螺钉拧紧，再把两个M3螺钉拧紧，使活动臂能自由旋转。
拧紧大头螺钉即可使活动臂固紧，松开大头螺钉即可使活动臂自由旋转。
4.铝制支柱的安装：
包装箱内有四根不同长度的铝制支柱，将其中最长的一根旋入固定臂螺孔中。
次长的一根旋入活动臂（即可水平摆动的臂）螺孔中。
次短的和最短的暂不使用。
5.发射和接收喇叭天线的安装：
将发射喇叭天线通过上面的Ф10钢柱插入旋在固定臂上的铝制支柱的Φ10孔中，并大致使喇叭天线口对正工作平台中心（既刻有00～1800～00的圆盘）然后将铝制支柱上的大头螺钉拧紧。
6.将固态信号源的振荡器（带隔离器）用M4×8的螺钉固定在喇叭天线的短波导段上。
7.接收喇叭天线用4个M4×8的螺钉将检波器固定在一个可旋绕天线轴线旋转的波导段上。
（可变衰减器的安装可根据用户的使用习惯，将其接在发射喇叭天线和振荡器之间或接收喇叭天线与检波器之间。
）连接好后，通过波导段上的Φ10钢柱插入活动臂上铝制支柱的Φ10孔中，并大致使喇叭口对正工作平台中心，拧紧大头螺钉。
8.将微安表用它支架上的大头螺钉装在活动臂M4螺孔中，视频电缆的两端分别接在检波器插座上，和微安表背面的接线柱上。
9.整机机械调整：
首先旋转工作平台使00刻线与固定臂上指针对正，再转动活动臂使活动臂上的指针对正在工作平台1800刻线上，然后将安装在基座上的滚花螺钉拧紧，使活动臂不易自动摆动（即锁紧）。
然后，用一根细线绳，拉紧在发射，接收两个喇叭天线之间，先使喇叭天线上刻的短刻线（每个喇叭上和法兰上都有刻线）成一直线。
这可以细绳为准绳，通过水平转动两个天线的角度来实现。
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