电磁场与微波测量实验第二章.docx
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电磁场与微波测量实验第二章
电磁场与微波测量实验
班级：
2013211207
成员：
金祎2013210989
张雁楠2013210990
袁华宇2013210991
撰写人：
袁华宇
实验一微波测量系统的使用和
信号源波长功率的测量
一实验目的：
（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。
二实验原理：
测量微波传输系统中电磁场分布状况，测量驻波比、阻抗、调匹配等，是微波测量的重要工作，该实验系统主要工作原理如图1所示：
驻波中电磁场分布情况的测量所用基本仪器是驻波测量线系统，如图2所示：
1.微波信号源
DH1121C型微波信号源由振荡器、可变衰减器、调制器、驱动电路、及电源电路组成。
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体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
三实验内容和实验步骤：
（1）观察测量系统的微波仪器连接装置，衰减器，波长计，波导测量线的结构形式。
（2）熟悉信号源的使用
将信号源的工作方式选为：
等幅位置，将衰减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出；
将信号源的工作方式选为：
方波位置，将衰减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出；
（3）熟悉选频放大器的使用；
（4）熟悉谐振腔波长计的使用方法
微波的频率测量是微波测量的基本内容之一。
其测量方法有两种：
（1）谐振腔法；
（2）频率比较法。
本实验采用谐振腔法。
由于波长和平率直接满足关系，所以频率和波长的测量是等效的。
吸收式波长计的谐振腔，其只有一个输入端和能量传输线路相连，调谐过程可以从能量传输线路接收端指示器读数的降低可以判断出来。
本实验采用了吸收式波长计测量信号源频率从，为了确定谐振频率，用波长表测出微波信号源的频率。
具体做法是：
旋转波长表的测微头，当波长表与被测频率谐振时，将出现波峰。
反映在建波指示器上的指示是一跌落点，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。
波长计测量信号波长：
（1）微调单旋调配器，事腔偏离匹配状态，检波电流计上有一定示数
（2）调节波长计使检波电流计再次出现最小值的时候，读出此处波长计的刻度值
（3）按照波长计的刻度值去查找“波长计-频率刻度对照表”，就可以得到对应的信号源频率值；
（4）改变信号频率，从8.6G开始测到9.6G，每隔0.1G测量一次，记录在数据表格中；
4、实验结果与分析
信号源频路GHz
波长表读数cm
查表得到频率GHz
信号源误差%
8.6
12.733
8.588
0.14
8.7
11.413
8.680
0.23
8.8
10.114
8.782
0.20
8.9
9.001
8.879
0.24
9.0
7.961
8.980
0.22
9.1
7.048
9.075
0.27
9.2
6.164
9.176
0.26
9.3
5.380
9.273
0.29
9.4
4.661
9.369
0.33
9.5
3.915
9.476
0.25
9.6
3.235
9.582
0.19
从表格中可以看出误差处在0.14%~0.33%，误差很小，可能是由于读数所引起的误差。
实验二波导波长的测量
1、实验原理与方法
实验原理如图所示：
按上图所示连接测量系统，可变电抗可以采用短路片，短路片的反射系数接近1，在测量线中入射波与反射波的叠加为接近纯驻波图形，只要测得驻波相邻节点得位置L1、L2，由λg/2=L2-L1，即可求得波导波长λg。
实验方法：
1、两点法确定波节点位置
精确地确定驻波节点的位置，不仅在波长的测量，而且在阻抗测量中是非常重要的。
为了做到朱雀测量通常采用两点发来确定波节点的位置，即测量波节点附近两边指示电表读数相同的两点T1和T2，如下图所示。
波节点的位置Tmin取T1和T2的平均值
最后可得
二、间接法
矩形波导中的H0波，自由波长λ0和波导波长
满足公式：
其中：
，
通过实验测出波长，然后利用仪器提供的对照表确定波的频率，利用公式
确定出，再计算出波导波长
，利用波长表进行波导波长测量要注意，测量信号波长完成后要将波长计从谐振点调开，以免信号衰减后影响后面的测量。
二、实验步骤
（1）观察衰减器、空腔波长计、驻波测量线的结构形式、读数方法。
（2）按图一检查系统的连接装置及连接电缆和电缆头。
（3）开启信号源，预热仪器，并按操作规程调整信号工作频率及幅度，并调整调制频率。
注意：
输出信号功率不能过大，以免信号过大烧坏检测器件及仪器，开启选频放大器电源，预热按说明书操作。
注意：
分贝开关尽量不要放在60db位置，以免工作时因信号过大损坏表头。
（4）利用两点法进行测量，将波导测量线终端短路（同轴测量线终端开路），调测量放大器的衰减量和可变衰减器使探针位于波腹时，放大器指示电表接近满格，用公式1a，1b两点法测量波导波长。
（5）将驻波测量线探针插入适当深度（约1.0mm），将探针转移至两个波节点的中点位置，然后调节其调谐回路，使测量放大器指示最大。
（6）利用间接法来测量波导波长，首先，用波长计测量信号波长。
测三次取平均值，再按照公式二计算，测量完成后要将波长计从谐振点调开，以免信号衰减影响后面的测量。
校准晶体二极管检波器的检波特性
（7）将探针沿测量线由左向右移动，按测量放大器指示每改变最大值刻度的10%，记录一次探针位置，给出u沿线的分布图形。
（8）设计表格，用驻波测量线校准晶体的检波特性。
（9）作出晶体检波器校准曲线图。
令d作为测量点与波节点的距离；do是波节点的实际位置，d0+d就是测量点的实际位置：
10）再移动探针到驻波的波腹点，记录数据，分别找到波腹点相邻两边指示电表读数为波腹点50%对应的值，记录此刻探针位置d1和d2，根据公式
n=log0.5/logcos（πW/λg）
求得晶体检波率n，和（8）所得的数值进行比较。
3、实验结果与分析
两点法：
T11=111.6T12=102.8
T21=133.5T22=124.6
得到λg=43.7mm
所测量的波导波长：
43.7mm
波节点d0的位置：
129.1
相对电场强度
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
d（理论值）
0
0.694
1.396
2.121
2.856
3.642
4.459
5.395
6.426
7.804
10.925
测量值
0
2.1
2.9
3.4
4.1
4.5
5.2
5.9
6.4
7.4
10.9
测量点实际位置
129.1
131.2
132.0
132.5
133.2
133.6
134.3
135.0
135.5
136.5
140.0
U
0
3
5
9
16
27
37
49
65
83
100
（1）作出测量线探针在不同位置下的读数分布曲线
实验结果大致是一个正弦曲线的四分之一
（2）给出检波晶体的校准曲线，求出晶体检波率n
纵轴logU/100，横轴logE，直线部分斜率约为2.1
通过（10）中公式（其中W=11.2mm）得n=1.89
（3）a.两点法测量波导波长为43.70mm
b.间接法测量波导波长
=42.81mm
两种方法所得波长相近
（4）做晶体检波特性的校准时，有哪些主要误差因素？
怎样减少或避免？
答：
探针深入长度放在适当深度，当探针沿线移动时，应避免探针上下左右晃动。
（5）实验所测的晶体校准曲线的应用条件是什么？
答：
晶体二极管是一种非线性元件，亦即检波电流I同场强E之间不是线性关系:
I=k*En，当微波场强较大时呈现直线律，当微波场强较小时（P<1μw）呈现平方律。
4、思考题
（1）、在波导系统终端短路的情况下，插入具有导纳的探针后，波导中真正驻波图形如何改变？
答：
为探针等效电导，
为探针等效电纳，当终端短路时，驻波节点处的输入导纳
?
8趋近于无穷大，驻波最大点A及最小点
=0的圆上。
如果探针放在驻波的波节点B上，由于此点处的输入导纳
?
8，故
的影响很小，驻波节点的位置不会发生偏移。
如果探针放在驻波的波腹点，由于此点处的输入导纳
?
0，故
对驻波腹点的影响就特别明显，探针呈容性电纳将使驻波腹点向负载方向偏移。
（2）、用波长表测量自由空间中的信号振荡频率后，为什么还要失谐频率计？
答：
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。
如果不失谐频率计，波导中传播的电磁波会十分微弱
（3）、平方律检波特性，只有在小信号时才适用，在测试过程中需要采取哪些措施来实现小信号？
答：
使用衰减器：
衰减器是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，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的作用。
（4）、为什么要测量晶体检波率，指示电表读数和微波场强E之间成什么关系？
答：
当微波功率变化较大时a和k就不是常数,且和外界条件有关,所以在精密测量中必须对晶体检波器进行定标。
电表读数和场强的成指数关系。
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