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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流实验一微波测量仪器和元件的认识.精品文档.实验一 认识微波测量系统及常用微波元器件【实验目的】1了解三厘米微波测量系统的组成及各部分的作用。2学会正确调整和使用测量线。【实验仪器】 三厘米微波参数测量系统【实验原理】（一）微波与电磁波微波是一种波长较短的电磁波，频率范围处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，约为300MHz-300GHz，波长范围约为1m-1mm，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者，波长较长的分米波（1m至10cm）和无线电波的性能相近，而波长较短的毫米波（1mm至1cm）与光波的性质相似。根据Maxwell方程组导出的波
2、动方程以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有横电波和横磁波两大类波能够在矩形波导中传播。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。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，我们实验用的波就是矩形波导中常用的一种波型。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。波具有如下特点：1 存在一个临界波长，只有波长的电磁
3、波才能在波导管中传播。2 波导波长（自由空间波长）。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，和的分布规律相同，即最大处也最大，为零处也为零，场的这种结构是行波的特点。（二）微波测量系统:微波沿普通的双股导线传输时，会大量向周围空间辐射，同时由于电流的趋肤效应，导线的热损耗也急剧增大，这些都使微波能量无法有效地传输，因此一般不用双导线来传输微波。常用的微波传输线为同轴线、波导管、带状线等。微波在波导中传输具有横电波（TE波）、横磁波（TM
4、波）和横电波与横磁波的混合波三种形式。本实验使用三厘米标准矩形波导，仅能传输TE10波。一个完整的微波测量系统通常由信号源、测量装置和指示器三部分组成。实际测量中可根据具体情况，对测量系统进行简化，实验室所用测量系统如下图所示。1信号源部分。包括微波信号发生器、隔离器以及功率、频率监视单元。信号发生器提供测量所需的微波信号，它具有一定频率和足够的功率电平。功率、频率监视单元是利用定向的耦合器分出一小部分微波能量，经过检测指示来显示信号源的工作情况是否稳定，以便及时调整。隔离器的作用是减少负载对信号源影响，可变衰减器用来根据测量需要改变信号源输出功率电平。2测量装置部分：包括测量线、调配元件、待
5、测元件和辅助元件（如短路器，匹配负载），以及电磁能量检测器（如晶体检波器，功率计探头等）。3指示器部分：指示器是显示测量信号与特性的仪表，常用的有直流电流表、测量放大器、功率计、示波器、光电检流计和数字功率计等。（三）常用微波元件在微波系统中，实现对微波信号的定向传输、衰减、隔离、滤波、相位控制、波型与极化变换、阻抗变换与调配等功能作用的，统称为微波元（器）件。1.同轴波导转换器 同轴线的主模是TEM模，矩形波导的主模是TE10模， 同轴波导转换器使TEM模变成TE10模。2.矩形波导 横截面为矩形的空心导波装置，TE和TM电磁波可在其导体空腔内传播。可以避免外界干扰和辐射损耗。导体损耗低、功
6、率容量大。3.隔离器 隔离器是一种不可逆的衰减器，当微波信号正向通过时衰减器量很小，约0.5-db，反向通过时衰减量很大，达20-40db，两个方向的衰减量之比称为隔离度。隔离器应用于传输系统和测量系统起隔离或消除反射的作用。使用时注意方向性，不能接反。4.衰减器 是一种用来衰减微波功率的微波器件，也可作为负载与信号源之间的去耦元件。衰减器分为固定衰减器和可变衰减器两种。衰减器的衰减量定义为在衰减器终端负载匹配的条件下，其输入微波功率与输出微波功率之比的分贝数。衰减量包含吸收衰减、反射衰减。5.波长计（频率计）6.波导测量线波导测量线是探测三厘米波导中驻波分布情况的仪器，通常用来测量波导元件、
7、波导系统的驻波系数、阻抗，还可以测量波导波长、相移等多种参数，是一种通用的微波测量仪器。7晶体检波器 微波检波系统采用半导体点接触二极管（称微波二极管），外壳为高频铝瓷管，形状象子弹。晶体检波器就是一段波导和装在其中的微波二极管。8.匹配负载 是终端元件，当需要传输系统工作于行波状态时，需要用到匹配负载，它能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。匹配负载要求宽频带、小输入驻波比且有一定的功率容量。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。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
8、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.环形器 可以控制微波功率的流向。11.短路负载 将电磁波的能量全部反射回去，将波导的终端短路。实用中短路负载都做成可调的称为可调的短路活塞。12.微波信号源。它提供所需微波信号，频率范围在86GHz一96GHz内可调，其工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。13选频放大器 主要用于测量微弱低频交流信号，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。【实验内容及步骤】注意：开机前将系统中的全部仪器必须可靠接地，否则，功率头极易烧
9、毁。1了解微波测量系统：（1）观看常用微波元件形状，结构，了解其作用，主要性能和使用方法。（2）按照系统方框图，把微波测量系统连接好。2调整信号源：（1）调整标准信号发生器，。（2）选择合适的工作状态和调制信号的频率。（3）选择实验所需信号输出功率。（4）按下电源按键，指示灯亮，预热15分钟。3功率计的调整：（1） 根据测试频率范围和功率选用合适的功率探头。接到功率计输出端。（2） 接通电源，预热。（3） 根据测量功率和选用探头选择合适的量程。（4） 调节零点，“粗调”和“细调”配合调节使表头指示为零，然后把功率探头接入被测信号源输出端，减少信号源衰减量，调到是实验所需信号的功率。（5） 测试
10、完毕，关闭电源，功率探头取下。（6） 用同轴电缆连接信号源与测量系统，把微波信号送到微波测量系统。【思考题】连接隔离器注意什么？为什么？实验二 驻波测量【实验目的】1 掌握谐振式频率计（波长表）测量频率的方法。2 掌握直接法测驻波比及波导波长的方法。【实验仪器】 三厘米微波参数测量系统【实验原理】驻波比（或反射系数）能表征电磁场的分布规律，所以驻波测量是微波测量中最基本的和最总要的内容之一，因负载阻抗和波导特性阻抗不匹配而产生驻波，因此通过驻波比测量，就可以检查系统的匹配情况，进而明确负载的性质。驻波系数测量不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、波长、相位移、衰减、Q值等其它参量，传
11、输线上存在驻波时，能量不能有效地传到负载，这就增加了损耗；驻波测量是将探针在开槽的传输线中移动，探针经过窄槽插入波导内并与电场平行，其感应电动势经同轴探针座送到晶体检波器，被检波后从测量放大器电表读出。当探针座沿波导移动时，放大器读数就间接地表示了波导内电场大小的分布，找出电场的最大值与最小值及其位置，就能求出驻波大小及相位。1驻波比测量当信号电压较小时，检波二极管基本遵守平方律特性，检波电流与信号电压间的关系为，即检波电流与输入功率成正比。考虑到(E为波导内场强)，所以，即。而对于直线律检波有电压驻波系数，故可知的取值范围为1，通常按的大小可分三类：3为小驻波比；310为中驻波比；10为大驻
12、波比。如果不知道检波律，必须用晶体检波特性曲线求出场强和指示器读数的关系再求得。驻波比的测量，应根据驻波比的大小采用不同的方法，以保证测量的精度。测试方法应用条件直接法中小驻波比等指示度法大驻波比功率衰减法任意驻波比节点偏移法源驻波比移动终端法测量线剩余驻波比当驻波比在时，驻波波腹和波节都相对平坦，难以正确测定，为了提高测量精确度，可移动探针多测几个波腹和波节的场强，然后取其平均值。当驻波比很大时，驻波波腹点与波节点的电平相差较大，在一般的指示仪表上，很难将两个电平同时准确读出，晶体检波律在相差较大的两个电平可能也不同，因此不能将它们相比求出驻波系数。功率衰减法测量大驻波系数，应用可变衰减器测
13、量驻波腹点和节点两个位置上的电平差，使得测量精度主要决定于衰减器精度和系统的匹配情况，而与晶体检波律无关。方法是改变测量电路中可变衰减器的衰减量，使探针位于驻波腹点和节点时指示电表读数相同，则驻波系数，式中分别为探针位于驻波腹点和节点时可变衰减器的衰减量，单位为dB 。2微波频率测量通过测量波长推算出频率，在分米波与厘米波段，常用谐振式频率计（波长表）测量波长。电磁波通过耦合孔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，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
14、出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可以读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可以得知输入微波谐振频率。3 波导波长工作波长是微波源发射的电磁波在波导中传播的波长，它是连续的等幅波。在自由空间或波导中传播时工作波长是相同的。波导波长则是工作电磁波在波导中两侧壁来回反射形成电磁场，其场强沿波导传播方向的周期性分布，这种周期就对应于波导波长，即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，数值上等于相邻两个驻波极值点（波腹或波节）距离的两倍。可用表示为，为截止波长（与传输模式及波导的截面尺寸有关，实验中为2a）。在测量线中入射波与反射波的叠加为接近纯驻波，由于场强在极大值点附近变化缓慢，峰顶位置
15、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，即在两个相邻波节点附近找出输出幅度相等的两点的位置L1min、L2min，取这两点坐标的平均值作为波节点的坐标。实验中由于可变电抗的反射系数接近1，测量方法如下图所示，不直接测量最小点的位置，而是在最小点两侧找到两个电流读书相同的点，则，同理。由此可得波导波长。4微波的衰减将微波元件接在匹配信号源与匹配负载之间，插入元件的输入功率与输出功率之比的分贝数定义为衰减，即，式中为插入元件前负载吸收功率，为插入元件后负载吸收功率，元件的衰减是唯一的，与外
16、部环境无关。实验中分别直接测量功率比法和替代法测量衰减。功率比法（直接测量法）：接入被测器件前，调整调配器，使测量线上测得得检波部分为匹配状态，并从指示器上读得电流；接入被测器件后，从指示器上读得电流。当检波器为平方律检波时。高频替代法:被测器件接入前，调节精密可变衰减器至A1，使指示器指示为I 。被测器件接入后，调节精密可变衰减器至A2，使指示器指示仍为I 。被测器件的衰减量A=A2-A1，此法比直接测量法精确,其测试精度取决于衰减器的精度。【实验内容与步骤】注意：开机前将系统中的全部仪器必须可靠接地，否则，功率头极易烧毁。1 用频率计（波长表）测量频率（1）关闭所有电源，按上图连接微波实验
17、系统。（2）将可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。（3）打开选频放大器电源，“频率”选择“1KHz”，量程置于“*10”位置，“增益”置于较小位置，“输入电源”细调至中间位置，“输入电压”步进开关置于较大位置。检查此时在没有输入信号的情况下指示是否为零。（4）打开微波信号源，选择“方波”(频率1KHz)调制，调节“频率”至合适值（表头显示和真实频率有误差，约40MHz以内）。预热15分钟左右，以使输出频率更稳定。（5）调节可调衰减器，左右移动测量线探针位置，适当调制增益等，使选频放大器指示值在表头中间偏右位置（即选频放大器既不超出量程，示数又不会太小）
18、。（6）缓慢旋动频率计（波长表）的测微头在10GHz附件，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，(参下图）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，就是所测信号源的频率。由于频率计的测量精度小于0.3%，所以这种测量的精度很高。（7）在读完数后调节频率计使其失谐，以免影响后面的实验内容。实验记录：信号源显示频率（GHz）波长表读数1（mm）波长表读数2（mm）波长表读数3（mm）读数平均值（mm）查表得频率（GHz）误差（MHz）2 小电压驻波比测量（1）关闭所有电源，按上图连接微波实验系统，负载终端不能开路或短路（）。（2）将
19、可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。（3）打开选频放大器电源，“频率”选择“1KHz”，量程置于“10”位置，“增益”置于较小位置，“输入电源”细调至中间位置，“输入电压”步进开关置于较大位置。检查此时在没有输入信号的情况下指示是否为零。（4）打开微波信号源，选择“方波”(频率1KHz)调制，缓慢调节“频率”至合适值（表头显示和真实频率有误差，约40MHz以内）。预热15分钟左右，以使输出频率更稳定。（5）调节可调衰减器，左右移动测量线探针位置，适当调制增益等，使选频放大器指示值在表头中间偏右位置（即选频放大器既不超出量程，示数又不会太小）。（6）移动
20、测量线探针位置，用选频放大器测出波导测量线位于相邻波腹和波节点上的和，利用平方律检波计算驻波比。序号123 大驻波系数的测量（1）关闭所有电源，按上图连接微波实验系统。（2）将可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。（3）打开选频放大器电源，“频率”选择“1KHz”，量程置于“10”位置，“增益”置于较小位置，“输入电源”细调至中间位置，“输入电压”步进开关置于较大位置。检查此时在没有输入信号的情况下指示是否为零。（4）打开微波信号源，选择“方波”(频率1KHz)调制，缓慢调节“频率”至合适值（表头显示和真实频率有误差，约40MHz以内）。预热15分钟左右
21、，以使输出频率更稳定。（5）精密衰减器置于“零”衰减刻度。（6）将测量线的探针调到驻波波节点，调节精密可变衰减器，使电表指示在80刻度附近，并记下该指示值。（7）将测量线的探针调到驻波波腹点，并增加精密衰减器的衰减量，使电表指示恢复到上述指示值，读取精密衰减器刻度并换算出衰减量的分贝值A。（8）计算被测驻波系数。4 波导波长的测量（驻波测量线法）（1）关闭所有电源，按上图连接微波实验系统。（2）将可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。（3）打开选频放大器电源，“频率”选择“1KHz”，量程置于“*10”位置，“增益”置于较小位置，“输入电源”细调至中间位
22、置，“输入电压”步进开关置于较大位置。检查此时在没有输入信号的情况下指示是否为零。（4）打开微波信号源，选择“方波”(频率1KHz)调制，调节“频率”至合适值（表头显示和真实频率有误差，约40MHz以内）。预热15分钟左右，以使输出频率更稳定。（5）调节可调衰减器，左右移动测量线探针位置，适当调制增益等，使选频放大器指示值在表头中间偏右位置（即选频放大器既不超出量程，示数又不会太小）。（6）移动测量线滑动装置，记录相邻波节点位置，分别记录同一波节点两侧电流值相同时（电流值越小越精确）探针所处的两个不同位置和，则其平均值即为理论节点位置：在波节点附近，电场非常小对应的晶体检波电流很小，导致测量线
23、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”，因而很难准确确定电压波节点位置时，可把探针位置调至电压波节点附近，调节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）。注意：测出一个电压波节点位置之后，将探针向相邻波节点移动时，要随时加大选频放大器的衰减量，以防选频放大器电流表过载损坏！序号12（7）根据波导波长与工作波长的公式，验证上述波导波长结果的正确性。5 功率测量（1）关闭所有电源，按上图连接微波实验系统。（2）将可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。（3）打开选频放大器电源，“频率”选择“1KHz”，量程置于
24、“10”位置，“增益”置于较小位置，“输入电源”细调至中间位置，“输入电压”步进开关置于较大位置。检查此时在没有输入信号的情况下指示是否为零。（4）打开微波信号源，选择“方波”(频率1KHz)调制，缓慢调节“频率”至合适值（表头显示和真实频率有误差，约40MHz以内）。预热15分钟左右，以使输出频率更稳定。（5）相对功率测量： 波导开关旋至检波器通路，当检波器工作在平方率检波时，电表上的读数I与微波功率成正比：电流表的指示IP，即表示为相对功率。（6）绝对功率测量：波导开关旋至功率计通路，用功率计可测得绝对功率值。6 衰减的测量注意：进行衰减量测量时，被测器件应与测试系统匹配。（1）关闭所有电
25、源，按上图连接微波实验系统。（2）将可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。（3）打开选频放大器电源，“频率”选择“1KHz”，量程置于“10”位置，“增益”置于较小位置，“输入电源”细调至中间位置，“输入电压”步进开关置于较大位置。检查此时在没有输入信号的情况下指示是否为零。（4）打开微波信号源，选择“方波”(频率1KHz)调制，缓慢调节“频率”至合适值（表头显示和真实频率有误差，约40MHz以内）。预热15分钟左右，以使输出频率更稳定。 (5)直接测量法：接入被测器件前，调整调配器，使测量线上测得得检波部分为匹配状态，并从指示器上读得电流I1；接入被测器件后，从指示器上读得电流I2。当检波器为平方律检波时，计算衰减量。（6）高频替代法：被测器件接入前，调节精密可变衰减器至A1，使指示器指示为I 。被测器件接入后，调节精密可变衰减器至A2，使指示器指示仍为I 。被测器件的衰减量A=A2-A1，计算衰减量。（7）比较以上两种方法的测量精度。参考书目：微波检测技术周在杞 周克印 许会编著林根金等近代物理实验讲义M浙江师范大学数理信息学院近代物理实验室，2009