北邮电磁场与电磁波测量实验报告信号源 波导波长.docx
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北邮电磁场与电磁波测量实验报告信号源波导波长
北京邮电大学
电磁场与电磁波测量实验
实验报告
实验内容：
微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量
波导波长的测量
学院：
电子工程学院
班级：
2010211203班
组员：
崔宇鹏张俊鹏章翀
2013年5月9日
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、实验仪器
1.微波信号源
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.匹配负载
9.短路片
三、实验原理
测量微波传输系统中电磁场分布情况，测量驻波比、阻抗、调匹配等，是微波测量的重要工作，该实验系统主要的工作原理如图所示：
图1实验原理框图
四、实验内容和实验步骤
1.微波测量系统的使用
（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择为：
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择为：
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。
本实验采用了吸收式波长计测量信号源频率，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，将出现吸收峰。
反映在检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。
2.信号源波长的测量
（1）微调单螺调配器，使腔偏离匹配状态，检波电流计上一定有示数；
（2）调节波长计是检波电流计再次出现最小值的时刻，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”，就可以得到相应的信号源频率值；
（4）改变信号频率，从8.6G开始测到9.6G，0.1G测一次，记录在数据表格中。
五、实验结果
信号源频率（GHz）
波长表读数（mm）
查表的频率（GHz）
信号源误差（GHz）
8.6
13.116
8.632
0.032
8.7
11.784
8.730
0.030
8.8
10.786
8.814
0.014
8.9
9.675
8.913
0.014
9.0
8.687
9.011
0.011
9.1
7.949
9.089
0.011
9.2
7.287
9.164
0.036
9.3
6.396
9.274
0.026
9.4
5.625
9.377
0.023
9.5
4.919
9.480
0.020
9.6
4.265
9.581
0.019
平均误差：
0.021GHz
表1信号源波长测量表
实验二波导波长的测量
一．实验内容
波导波长的测量
【方法一】两点法
实验原理如下图所示：
按上图连接测量系统，可变电抗可以采用短路片。
当矩形波导（单模传输TE10模）终端（Z＝0）短路时，将形成驻波状态。
波导内部电场强度（参见图三之坐标系）表达式为：
在波导宽面中线沿轴线方向开缝的剖面上，电场强度的幅度分布如图三所示。
将探针由缝中插入波导并沿轴向移动，即可检测电场强度的幅度沿轴线方向的分布状态（如波节点和波腹点的位置等）。
两点法确定波节点位置
将测量线终端短路后，波导内形成驻波状态。
调探针位置旋钮至电压波节点处，选频放大器电流表表头指示值为零，测得两个相邻的电压波节点位置（读得对应的游标卡尺上的刻度值
和
），就可求得波导波长为：
由于在电压波节点附近，电场（及对应的晶体检波电流）非常小，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”（实际上是眼睛未察觉出指针有微小移动或指针因惰性未移动），因而很难准确确定电压波节点位置，具体测法如下：
把小探针位置调至电压波节点附近，尽量加大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（即小探针位置稍有变化，选频放大器表头指示值就有明显变化）。
记取同一电压波节点两侧电流值相同时小探针所处的两个不同位置，则其平均值即为理论节点位置：
最后可得
（参见图四）
【方法二】间接法
矩形波导中的
波，自由波长
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
。
校准晶体二极管检波器的检波特性
由于微波晶体检波二极管的非线性,在不同信号幅度时具有不同的检波律。
在一般测量精度要求的场合,可认为在小信号时为平方律检波,大信号时为直线律检波,或在系统信号幅度范围内做平均检波律定标。
晶体检波二极管的定标准确与否,直接影响微波相关参数的测量精度。
微波频率很高,通常用检波晶体（微波晶体二极管）将微波信号转换成直流信号检测出来。
微波晶体二极管是一种非线性元件,检波电流I同微波场强E之间不是线性关系,在一定范围内,两者关系为:
晶体检波二极管的检波电流随其微波电场而变化,当微波场强较大时近似为线性检波律,当微波场强较小时近似为平方检波律。
因此,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。
本实验中采用两种定标方法
第一种定标方法
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。
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，此时测量线上载纯驻波，其相对电压按正弦律分布，即：
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
根据上式就可以用实验的方法得到图所示的晶体检波器的校准曲线。
将上两式联立,并取对数得到：
作出曲线,若呈现为近似一条直线,则直线的斜率即是微波晶体检波器的检波律。
第二种定标方法
测量线终端短路，测出半峰值读数间的距离W，晶体检波率可以根据下式计算：
二．实验步骤
（1）、按照图示连接好测量系统
（2）、利用两点法测量，将波导测量线终端短路，调测量放大器的衰减量和可变衰减器使当探针位于波腹时，放大器指示电表接近满格，用公式两点法测量波导波长
（3）、利用间接法测量波导波长。
（4）、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沿线分布的图形
（5）、设计表格，用驻波测量线校准晶体的检波特性
三．实验结果分析
（1）波导波长
第一点（mm）
第二点（mm）
第三点（mm）
左
104.6
129.7
156.2
右
107.8
133.7
159.1
平均
第一，二点测得：
Λg=51mm
第二，三点测得：
Λg=51.9mm
平均：
Λg=51.45mm
间接法测量波导波长
=52.098mm
（2）、给出检波晶体的校准曲线，求出晶体检波率。
波导波长Λg=51.45mm
波节点位置：
158.3mm
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
理论值
0
0.817
1.644
2.498
3.363
4.288
5.25
6.352
7.567
9.188
12.863
测量值
0
1.9
2.5
2.9
3.5
4.3
4.7
5.4
6.1
6.9
8.4
实际位置
158.3
156.4
155.8
155.4
154.8
154
153.6
152.9
152.2
151.4
149.9
U
0
8
16
24
32
40
48
56
64
72
80
E'（绝对）
0
18.7251984
24.47052
28.22703
33.72805
40.76569
44.13756
49.77078
55.02716
60.52211
69.17401
E（相对）'
0
0.23406498
0.305881
0.352838
0.421601
0.509571
0.55172
0.622135
0.68784
0.756526
0.864675
相对场强与U的曲线
Log（u）与log（e’）的曲线
利用线性拟合法拟合出一条直线。
拟合后直线的斜率为N=1.7141，所以晶体检波率为1.7141
（3）、第二种定标法
=1.687
四．思考题
（1）、波导系统终端短路的情况下，插入具有导纳的指针后，驻波图形如何改变？
答：
驻波比会减小，即波腹点的电压值会减小。
但是，因为指针的导纳十分微小，故不会有显著的变化。
（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，即如果不失谐频率计，波导中传播的电磁波会十分微弱
（3）、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。
五、实验总结
本次实验是微波测量实验的第一个实验，实验对应的理论知识就是电磁场和微波，一直贯穿着大二和大三的学习，我们有一定的基本知识但没有实践经验。
实验开始时对实验器材和原理很茫然，不知从何下手。
后来慢慢对仪器熟悉和了解后，在老师耐心的讲解以及组员之间的积极配合协作下，很快我们就得到了正确的结果。
今后，我们小组所有成员将踏实认真的对待后续实验。
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