2022年电磁场与电磁波实验指导版本 .pdf

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1、1 目 录实验一、 GUNN 振荡器 . 2 实验二、调制器和晶体检波器. 6 实验三、波导内的波长测量. 12 实验四、 Q值和谐振腔带宽的测量 . 18 实验五、驻波比的测量. 22 实验六、阻抗测量. 25 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 31 页 - - - - - - - - - 2 实验一、 Gunn 振荡器一、实验目的1、掌握微波信号源 Gunn 振荡器的理论和操作方法2、掌握 Gunn 振荡器电压、电流、功率和频率之间的关系二、实验设备AT

2、3000 三厘米波导实训系统、数字万用表、功率计、示波器、SWR 表三、实验原理A、Gunn 效应Gunn效应也称电子迁移效应，是1963 年 Gunn发现的，如图 11，当小的 直流 电压 加 到 硅 材 料薄 片上 时Gunn 在 他的实 验方 法里 使 用 的是GaAs(砷化镓）和 InP（磷化铟） ，在一定的条件下呈现出负阻（negative resistance）特性。一旦产生负阻，就能够很容易地通过连接负阻到调谐电路产生振荡。保持半导体材料的负阻状态的条件是：保持加在半导体上的电压梯度超过 3000V/cm 。半导体微波源的最适当的调谐电路就是谐振腔。图 11 外延 GaAs Gu

3、nn半导体侧视图Gunn 效应只发生在 n 型半导体材料上， 这是半导体自身特性的结果。研究发现有关结或连接点的特性的任何参数和电压、电流都不影响Gunn效应，只有电场是需要高于阈值的，才能保持振荡。Gunn二极管对磁场不敏感，因此，它对任何入射磁场都不响应。振荡器的频率主要取决于电子束穿过材料薄片的时间。B、负阻和转移电子效应名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 31 页 - - - - - - - - - 3 图 12 是 GaAs的能带和能级。注意到这种材

4、料（GaAs ）在能级的顶部具有空能带，部分满的能带在空能带下面，当N型材料参杂入这种材料并有电压加在二极管上时，将有剩余电子产生流动。图 12 GaAs Gunn 二极管的能级流过二极管的电流与电压成正比，电流方向朝着GaAs的正极。电压越高、电流越大的情形等效于正电阻。然而，当电压达到足够高时，电子不会再流动的更快些，而是迁移到更高的能带。此能带空穴多，迁移率低，结果电流减少了，二极管就表现出负阻现象。电子从低能级迁移到高能级叫做转移电子效应。如果电压继续增加，高能带的电子迁移率就会增加，进而导致电流增加。C 、Gunn畴GaAs振荡器的频率与电子束的形成和转移时间有关。负阻效应是理解Gu

5、nn振荡器的重要因素。 然而，仅有负阻效应并不能完全解释振荡器内发生的所有过程，另一个重要的因素就是畴 (domains) 的形成，或 Gunn 畴。 GaAs内自由电子的总数依赖于GaAs内参杂的 N-型材料的密度。因为其参杂密度不是必须一致的，所以参杂密度低的地方自由电子就少一些。由于自由电子少一些意味着导电率也就低一些，因此，这样的区域电势（potential）差比自由电子多的区域大，当施加的电压增加时，足够的电压梯度导致负阻畴，所以电子迁移效应就先发生在这个区域。上述的畴是不稳定的。畴里的电子由于快速迁移而被分离，前面的电子向前移动的速度快，后面的聚成（电子束），这样，整个畴以 107

6、cm/S的速度穿过硅片到达正极。当畴里发生电子迁移效应时，电子移动到低导电高能带，少量电子留在导带，此时降低了此区域的导电率。如前面章节的解释，这导致电势梯度增名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 31 页 - - - - - - - - - 4 加, 使畴可以移动。因此，电子的传输和畴的移动过程自己重复着，这就是所谓的“自我塑造 / 再生” 。当畴到达二极管的阴极，将产生一个脉冲到与之相连的谐振腔电路，形成振荡。实际上，Gunn二极管的振荡是由到达负极的脉冲导

7、致的，比用二极管的负阻特性来解释更为合适。D 、Gunn振荡器图 13 是 AT3000使用的 Gunn振荡器图 13 AT3000 中的 Gunn振荡器尽管振荡器设计的可以避免副振荡模式振荡，振荡器还是提供了调谐功能以备有必要细调时使用。四、实验过程如图 14 连接实验设备图 14 建立 Gunn 二极管的电流和电压的特性测试A、电流与电压关系的特性。(1) 将电压调到 4V， 将可调衰减器调到10dB ， 这样可以保证隔离Gunn振荡器。电 源耿氏振荡器可变衰减器同轴 / 波导转换器功率计V mA 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -

8、 - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 31 页 - - - - - - - - - 5 (2) 每次将电压调高 0.5V（注意：不可以超过10V） ，测量并将每次的电流记录为：二极管电流与电压关系的特性表。(3) 将电压减到 0V，根据表 11 绘制一个 V-I 曲线。B、振荡器输出功率与输入电压关系的测量。(1) 打开功率表的电源，并校零。(2) 每次将电压调高0.5V（注：不可以超过10V） ，并记录每次功率表的功率读数和衰减值。(3) 将读到的功率值从mW 转换为 dBm ，然后加上衰减值（ dB）到 dBm. 例如：假设功率读数是6.3mW ，

9、电源电压是8.5V ，用dBm 10log6.3=8dBm 加上 3dB的衰减，那么总功率应该是11dBm 。现在转换 Gunn二极管的输出功率11dBm到 mW ：(4) 重复(3) ，并完成表：电源电压和与输出功率的关系表。(5) 画图表示出电源电压与输出功率之间的关系。C、振荡器输出频率与电源电压关系的测量。(1) 如图 17，架设设备。将电源电压调至9V，将衰减器调到最大衰减，将功率表拨到 1.0 量程，减少衰减直到功率表的读数接近刻度的右侧 (大约 0.8 到 1mW) 。慢慢地调整频率表，观察功率表，当功率表的读数有大幅下降时， 频率表的读数就是Gunn 振荡器的频率。(2) 将电

10、源电压从能够发生振荡的最低电压调到最高电压（10V） ，每次增加 1V，完成频率与电压的关系表。注意频率表的每个刻度是10MHz 。图 1 7 连接振荡输出频率与电源电压关系的测量电 源耿氏振荡器可 变 衰 减器频率计同 轴 / 波导功率计V m名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 31 页 - - - - - - - - - 6 实验二、调制器和晶体检波器一、实验目的1、掌握 PIN 二极管调制器的基本原理及操作。2、掌握晶体检波器的基本理论及操作。二、实验设

11、备AT3000 三厘米波导实训系统、数字万用表、功率计、示波器、SWR 表三、实验原理A、PIN二极管如图 21(a) ，PIN二极管由 P材料、N材料以及两者夹心的一个薄绝缘体(Insulator)构成，因此叫做PIN 二极管。 P 和 N的厚度比绝缘体的厚度更重要。 在反向偏压和微波频率下PIN二极管是高阻和电容元件。 它是一个雪崩效应元件， 在正向偏压条件下， 绝缘体里发生雪崩效应， 允许P的空穴和 N的电子流通， 因此，绝缘体成为有效导体。 图 21(b) 表示PIN 二极管的等效电路。图21(c) 和 (d) 是等效电路被修改为偏压后的结果。(a) 构造 (b) 等效电路名师资料总结

12、 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 31 页 - - - - - - - - - 7 (c) 反偏等效电路 (d) 正偏等效电路图 21 PIN二极管的结构和等效电路PIN 二极管调制器有一个与波导交叉连接的二极管，当偏压按足够大的方波（低频）变化，并且波导内有微波时，二极管具有调制器功能。当二极管被反向偏置时， 不影响能量流通， 当其被完全或部分地去除反向偏置时，可以使二极管控制能量流。这种使用绝缘体在P和 N之间的调制器具有优良的调制性能，因为它在调制过程中可以使整流

13、和谐波产生的影响最小。B、晶体检波器晶体检波器是一种可以按“平方律”特性检测微波信号的元件，点接触锗或硅晶体的二极管是最常见的晶体检波器。有时，辐射热测量仪也用于微波检测， 此器件主要是用来测量微波功率的。典型的晶体检波器如图22 和图 23(a) 和(b) 。 在图 22 里两个滤波器 (输入高通和输出低通 )是用来分离微波和直流输出的。图 22 典型晶体检波器电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 31 页 - - - - - - - - - 8 图 23

14、 晶体检波器的V-I 特性在图 23 中，我们来关注二极管的电流和电压的关系。一般来说，图23 中的一条曲线可以近似地用电压的幂的泰勒级数来表示。,(2-1) 通常，前三项已经足够近似于整个方程。如果电压表示为V=Acost这里 A 是振幅， 等于 2f将 V代入式 21, 得出i= a0+a1(Acos t)+a2(Acos t)2+, (2-2) 用得出i= a0+a1(Acos t)+a2 A2(1+cos2 t)+ .(2-4) 2 现在，平方律的特性已经明显了，在等式24 里，项已经包含直流分量，二次谐波表达为。因此我们可以说，检波器的电流正比于微波电压的振幅A 的平方。这个概念只在

15、一定的信号电平内有cos2t=1 (1+cos2t), (2-3) 2 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 31 页 - - - - - - - - - 9 效；在信号电平更高时，式24 中更多的项需要考虑，二极管不再被当作平方律器件了。除图 22 的检波电路之外，二极管本身可以表达为等效电路的项。图 24 表示一个完整的等效电路。图 24 检波器的等效电路图 24 中，Ro和 C 代表结的阻抗， r 是二极管的体电阻。检波器的品质因数是检波公式的电压和电流的

16、灵敏度，表达为：为了使输出功率最大化，必须匹配二极管的微波阻抗和波导的特征阻抗。匹配阻抗的另一个好处是使来自检波器的反射最小化，因为反射影响测量的准确度。二极管能够检测到的最小信号电平取决于二极管的噪声。二极管在存在噪声时检测信号的能力叫做检波器的正切灵敏度(TSS)。 图 25 中简要画出了 TSS的概念。电压灵敏度= 开路电压= RoIdc, (2-5) 输入功率Pin电流灵敏度= 短路电流= Ro/(r+ Ro),(2-6) 输入功率Pin名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

17、 - 第 9 页，共 31 页 - - - - - - - - - 10 图 25 二极管的 TSS 在图 25 中，方波调制的微波信号被检波、放大并显示在示波器上。TSS的真正意思是必须使方波的最小微波功率高于噪声。检波器的 TSS主要依靠检波器前的放大器的带宽，因为指定范围内的噪声幅度决定于带宽。微波检波器的典型参数是1MHz 带宽和 -50dBm 的 TSS. 四、 实验过程图 26 方波调制的测试连接图(1) 如图 26 连接实验设备。(2) 给 Gunn 振荡器加 +12V电源。(3) 调节衰减器到 10dB。(4) 调整方波发生器到1kHz和 2Vp-p 输出，连接到 PIN 调制

18、器。(5) 调节示波器，使屏幕上的方波的顶部对齐参考电平线。(6) 调整衰减器使屏幕上的方波的底部对齐参考电平线(7) 调到 1Vp-p 负方波，重复以上的测量。(8) 用以下公式计算 2Vp-p 和 1Vp-p 的两个调制输入的调制深度。AdB=20log( Vmax) (2-7) VminA是 (3) 和 (6) 之间的衰减设置的差值。m= Vmax/ Vmin-1(2-8) Vmax/ Vmin+1电 源耿氏振荡器PIN调制器可变衰减器检波器方波发生器示波器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -

19、- - - - - - 第 10 页，共 31 页 - - - - - - - - - 11 这里， m是调制深度。如图 27 表示方波调制和检波的波形。图 27 方波调制和检波从图 27 中可以看出，衰减设置差值A可以表示为：AdB=10 log Pmax =20 log Vmax (2-9) Pmin Vmin 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 31 页 - - - - - - - - - 12 实验三、波导内的波长测量一、实验目的1、学习波导理论2、

20、通过实验学习自由空间与波导内的微波传播的波长二、实验设备AT3000 三厘米波导实训系统、数字万用表、功率计、示波器、SWR 表三、实验原理微波波导是矩形或圆形截面的空金属管。在本实验里使用的是矩形波导。 下面的数学分析是以矩形波导分析的。假设用户具有波动方程的基本知识, 那么原形波导可以用圆柱坐标 , 并用相似的方法分析。我们从波动方程开始分析。A、波动方程简化的波动方程表达如下：2+k2=0 , (3-1) 这里， (x,y,z)是标量波函数k 表示波数 , 定义为：k2=2, (3-2) 在理想电介质里 , 在直角坐标系中 ,(3-1)变成：222 + + +k2=0 , (3-3) x

21、2y2z2直角坐标系被建立了 , 如图 3-1.Z 是传播方向。我们的目的是为了得到一个这样的公式：G(x,y)f(z) , (3-4) 这里,f 只是 z 的函数 ,g 只是 x 和 y 或其他合适的横向坐标的函数。用变数分离法解 (3-3),求：=A1cos(KxX)+A2sin(kxX)B1cos(KyX)+B2sin(KyX) C1e-j gz+C2e+j gz , (3-5) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 31 页 - - - - - - -

22、 - - 13 图 3-1 矩形波导在矩形坐标系里由于电磁波传播只发生在Z轴上, 这里,Kx2+Ky2=K2并且 z=-j g(g=2/波长) 。 电磁波在 z 轴正方向传播可用e 来表示 , 因此, 相应的 e 表示在 z 轴的负方向 . 我们对三种传播模式感兴趣: 一、TEM( 横向电磁波 )模式：在此模式里 , 电场和磁场都是横向传播的, 因此,在传播方向上没有场分量,TEM波不存在于波导 . 二、 TE(横向电波 ) 模式或 H模式: 在次模式里 , 没有电场存在与 z 方向, 然而,有磁场存在于 z 方向, 因此所有的场分量都来自于磁场的轴向分量Hz。三、TM （横向磁波）模式或E模

23、式：在此模式里，没有磁场存在于z 方向，然而，有电场存在于z 方向，因此，所有的场分量都来自于电场的轴分量 Ez。 TE和 TM波是在空的波导内传播的波。我们将尽量用数学方法计算TE模式的场分量。假设波导的内壁是用完美的导体制成的（=） ，并且波导内充满了理想的介质（ =0） ，则场公式就可以简化了。这些是必要条件：(1)TEmn模式如果只考虑 +z方向，公式 3-5 可以写成 Hz的公式：Hz=A1cos(KxX)+A2sin(kxX)B1cos(KyX)+B2sin(KyX)(c1e)=De-j gz,（3-6）x y b a z 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

24、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 31 页 - - - - - - - - - 14 波导的边界条件：横面磁场波的垂直分量（normal component ）在理想导体的波导壁上必须消失： 正切的电场在波导壁上也要消失。所以，如 3-6 中定义的， “D ”的要求是：D/x=0 at x=0,a , (3-7) D/y=0 at y=0,b , (3-8) 将公式（ 3-7） 、(3-8) 代入公式（ 3-6）中，指定特定常数Kx 和 Ky 的值。 Kx=n/a n=0,1,2, Ky=m/a m=0,1,2,

25、通过以上关系，代入AiBi=Anm，得出” D”的表达式：D=Anmcos （nX/a）cos(n Y/b) , （ 3-9）n=0，1，2，, ；m=0,1,2, , ；n=m 0 Hz的最终公式为：Hz=Anmcos （nX/a）cos(n Y/b) e , （ 3-10）由公式 3-10 得出相关的横面 E场和 H场，直角坐标的麦克斯韦方程为：2222cossin.(311)sinco s.(31 2 )sinsin.(31 3 )c o ssin.(31 4)jgZxnmcjgZynmcjgZxnmcjgZynmcjmnXnYEAeKbabjnnXnYEAeKbabjgnnXnYHAe

26、KbabjgmnXnYHAeKbab注意： Kc 2=(n/a) 2+(n/b) 2=序号为 nm模式的截止波数，且, g=K2-Kc2且 n=m 0。整数 n 和 m的意义在于 n或 m的值表示每个相对X和 Y的场分量半周期变化的个数，换句话说，每个n 和 m的结合代表波导里不同的场位形（或模式）。（1） TM模式：除 Hz必须为 0 以外，获得 TM模式的场分布表达式的步骤和TE的是很相似的。B、矩形波导的特性（1）截止频率和截止波长名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第

27、 14 页，共 31 页 - - - - - - - - - 15 指数形式 e 代表波在 +z方向行进。让我们从新检查下面的关系：g=K2 -Kc 2?) KKc: g 是实数， e 是真正的 +z 的行进方向。?）Kcg 是虚数，传输模式在 +z 方向随距离快速衰减，导致传播截断。介于传播和非传播的频率之间的频率叫做截止频率。因为，c=2fc c=Kc= (n/a) 2+(m/b) 2fc=( (n/a) 2+(m/b) 2)/(2 ) , (3-15) 而且，从 K=c并代入 =2f 和=1（f ）, 结果 K=2。当 K=Kc时令c 为截止波长：2c=(n/a) 2+(m/b) 2c=

28、2【 (n/a) 2+(m/b) 2】（2）矩形波导内的波长 g=K2-Kc2，g=2g,K=2和 Kc=2c 得出令g 为波导波长，从（2g）2= （2）2-（2c）2, （3-17）g=(1-( c) 2) , (3-18) 这里是 空间的波长。为了在波导内传播， 必须c。这就是说在波导内 g 大于。换句话说，波导波长比空间波长大。（2） 相速度波导内的相速度或等相点的速度容易从频率和波导波长得出：p=fg , (3-19) 需要对 3-19 说明的是，波导内的相速度可以超过真空中的光速3*10m/sec。四、实验过程如图 3-2，连接实验器件。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -

29、 - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 31 页 - - - - - - - - - 16 图 3-2 频率、 g 和的测量实验连接图A、频率测量（1） 给 Gum 振荡器加电，给PINk 调制器送 1KHz 、2Vp-p 的方波。（2） 调节可调衰减器到10dB，调节 SWR 表时期指示在中间刻度位置。（3） 调节方波发生器的频率，从而使SWR 的指示最大。（4） 调解频率计直到 SWR 表指示有大幅下降。将频率记录在表3-1 中，再使频率计失谐。B、自由空间波长和波导波长的测量（1） 当反射板放在波导

30、的开口前方，反射板垂直于波导。移动反射板，驻波图形将由于反射板的变化而发生变化。驻波的变化是通过开槽测量线的探头检测的。移动反射板，寻找两个相邻的最小检测值的点，此两点距离对应自由空间的半波长。将距离记录在表3-1 中。（2） 将开槽测量线的出口用短路板盖住，调节开槽测量线并定位出shuchudianyazuidide点，从此点开始寻找相邻的另一个电压最低的点。频率测量的 测量的 g 方 波 发 生生器PIN调 制器可 变 衰 减器频率计测量线选 频 放 大 器（SWR）反射板直导波电源耿氏振荡器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

31、- - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 31 页 - - - - - - - - - 17 计算的 计算的 g 表 3-1 频率、自由空间的波长、波导波长的测量值和计算值得比较名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 31 页 - - - - - - - - - 18 实验四、Q值和谐振腔带宽的测量一、实验目的1、学习谐振腔的理论2、通过实验学习 Q值与带宽之间的关系，学习如何测量谐振腔的Q值。二、实验仪器AT3000 三厘米波

32、导实训系统、数字万用表、功率计、示波器、SWR 表三、实验原理谐振电路对微波振荡器、调谐放大器和频率测量等是非常重要的。如图41 的谐振电路，当频率不超过100MHz 时，可用 R、L、C来表示。图 41 谐振电路在图 41 里，, (4-1) Ro是并联等效电阻， o是谐振频率， Qo是谐振腔的 Q值。,(4-2) 当 R、C和 L 为已知时，从公式（ 41）中，很容易计算出 o、Qo 和 Ro。然而，在微波电路里， 谐振腔的分析因为Q值太高变得困难。 可导致谐振腔难于分析的其他特性有：1、电路的参数太依赖于传播模式。2、不像低频情况。此时电压和电流的概念变得模糊，导致Ro难以定义。通常微波

33、中 Ro定义为：, (4-3) 这里 E是在腔内两点间的最大的电势，并且W是腔内耗散的功率。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 31 页 - - - - - - - - - 19 o、Qo和 Ro可从腔体的尺寸及壁上的功率耗散来寻找。然而由于腔体结构的复杂性，几乎无法计算 o、Qo和 Ro。实际上腔体的少数参数测量是有可能确定器件的整个特性的。让我们考虑如图42(a) 的腔体系统。图 4 2(a) 传输腔体在图 42(a) 中，Z01是波导的输入阻抗，Z02

34、是波导的输出阻抗， Rg是振荡器的内部电阻， RL是负载电阻。令 Z01=Rg，Z02=RL，图 42(a) 的等效电路可以改为如图42(b) 所示。图 42(b) 图 42(a) 的等效电路在图 42(b) 中， 腔体等效为一个串联谐振电路。 用两个理想变压器耦合，变压比为1:n1 和 n2:1 。此时，输出功率是Po = Ey2 / 4Zo。谐振曲线是频率和谐振腔输出功率的关系图，考虑谐振曲线上的两点，如图 45 中所示。假设这些点比最大输出功率发生时低几dB，结果名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理

35、 - - - - - - - 第 19 页，共 31 页 - - - - - - - - - 20 ,(4-4) 这里 F是曲线上最大功率和这两点处功率的比率。 f 是腔体的带宽 , 是带宽系数。图 42(b) 的腔体部分可表示为图43。图 43 图 42(b) 的腔体部份的等效电路仔细观察图 43 可得出以下关系：，因为= ,(4-5) 这里和等效电路的阻抗是：, (4-6) 到达负载的功率是：,(4-7) 在谐振点上，公式46 中虚部变成 0。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -

36、- - 第 20 页，共 31 页 - - - - - - - - - 21 , (4-8) 谐振电路的带宽定义为：最大功率衰减到一半处的两个频率的差值。发生此情况的条件如下：, (4-9) 这里 f 是半功率带宽。四、实验过程用功率测量技术测量Q值图 44 Q 值测量连接图(1) 如图 44 连接设备。(2) 给 Gunn振荡器加电，调整功率计量程到1mW ，调整衰减器到功率计的最大刻度。将此时的值记为 P0。(3) 慢慢调整频率计，在功率计读数最小处读出功率和频率。此时的功率记为 PB，频率记为 f0 。(4) 慢慢调整频率计，寻找两个功率为P/2 处的频率 (f1 和 f2) 。图 45

37、 谐振腔的谐振曲线电 源耿氏振荡器可变衰减器频率计功率计同 轴 / 波 导转换器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 31 页 - - - - - - - - - 22 实验五、驻波比的测量一、实验目的学习如何用开槽测量线或SWR 表测量 SWRX 。二、实验仪器AT3000 三厘米波导实训系统、数字万用表、功率计、示波器、SWR 表三、实验原理在传输线上任一点，我们可以考虑电磁场是两个波形的总和：一个流向负载( 入射波 )，另一个流向发生器 ( 反射波 )。

38、如前面章节所述，反射的原因是因为阻抗不匹配。线上任何开口都可以认为是阻抗不匹配而且也是产生反射的原因。反射波的幅度和相位依赖于负载阻抗。线的衰减程度也影响反射波的幅度。消除反射的方法就是要么传输线无限长，要么传输线与负载的阻抗匹配。驻波来自两个相对方向的行波。正如前面章节所述，两个波的向量和在驻波图上产生最小、最大点。图61 表示无损失传输线的驻波图形。图 51 无损失传输线的驻波图图62表示具有特性阻抗 Zo和负载阻抗 ZL的传输线里的电压驻波波形。在图 62 中，复反射因数为：- = Er = - Z-Zo,(5-1) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -

39、- - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 31 页 - - - - - - - - - 23 Ei - Z+Zo这里， Er=反射信号， Ei=入射信号，- Z=给定点的复数阻抗 , 用负载表示为：结果，因此图 52 电压驻波四、实验过程(1) 如图 63，连接 SWR 测量实验。- L=ZL-Zo,(5-2)ZL +ZoVSWR = S Emax= | Ei| + | Er| .(5-3)Emin| Ei| - | Er| |- | =S-1 ,(5-4)S+1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -

40、 - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 31 页 - - - - - - - - - 24 图 53 连接 SWR 测量实验(2) 将 Gunn 二极管电源调到 +12V，不要超过此电压。(3) 将衰减器调到 10dB。(4) 将 SWR 显示范围调到 20-40dB。打开 SWR 表。(5) 打开 Gunn 振荡器。(6) 将调制信号输入到PIN二极管调制器。(7) 调整 SWR 显示频率从而获得最大表针偏转。用校正过的衰减器测量高范围SWR 。(1) 将滑动螺旋调谐器的探头深度调到最大。(2) 移动开槽检测线的探头直到读数最

41、小。(3) 调整衰减器到 10dB ( 称此值为 A1) ，调节 SWR 的增益，直到显示3dB。(4) 移动开槽检测线的探头，并调整衰减器，直到出现和上一步相同的最大值。读此 dB值( 称为 A2) 并记录在表 63 中。探头深度A1 dB A2 dB SWR 5 3 用校正过的衰减器测量SWR (5) 用下式计算 SWR 并填入表 6-3。,(5-6) 用不同的探头深度重复以上过程。选频放大器(SWR) 测量线电 源耿氏振荡器PIN 调制器固定衰减器方波发生器可变衰减器滑动螺杆调配器匹配负载名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

42、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 31 页 - - - - - - - - - 25 实验六、阻抗测量一、实验目的1、根据传输线及波导理论，设计测量传输线的阻抗2、根据设计方案，实际测量并计算以上参数，以验证方案的可行性和正确二、实验仪器AT3000 三厘米波导实训系统、数字万用表、功率计、示波器、SWR 表三、实验原理在传输线上任一点， 我们可以考虑电磁场是两个波形的总和：一个流向负载（入射波）另一个流向发生器（反射波） 。如前面章节所述，反射的原因是因为阻抗不匹配，线上任何开口都可以认为是阻抗不匹配而且也是产生反射的原因。反射波的相位和幅度以来于负载

43、阻抗。线的衰减程度也影响反射波的幅度。消除反射的方法就是要么传输线无限长，要么传输线与负载的阻抗相匹配。驻波来自两个相对方向的行波。 正如前面章节所述，两个波的向量和在驻波图上产生最小、最大点。图 6-1 表示无损失传输线的驻波图形。图 6-1 无损失传输线的驻波图图 6-2 表示具有特性阻抗ZO和负载阻抗 ZL的传输线里的电压驻波波形。在图 6-2 中，复反射因为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 31 页 - - - - - - - - - 26 _=

44、Er/Ei=(Z_-Zo)/(Z_+Zo) (6-1)这里， Er=反射信号， Ei=入射信号 ,Z_=给定点的复数阻抗，用负载表示为：_L =(ZL-Zo)/(ZL+Zo) (6-2)结果：VSWR=S*Emax/Emin=(|Ei|+|Er|)/(|Ei|-|Er|) (6-3)因此| _|=(S-1)/(S+1) (6-4)图 6-2 电压驻波特征阻抗为 Zo的传输线，其入射反射信号的反射系数定义为：_ =Z-Zo/Z+Zo , (6-5) 这里， Z=R+JX= 连接传输线的负载阻抗 =_ej= 复数反射系数P（P）的大小是入射和反射信号幅度的比例，角度代表反射点的相位角。传输线上任意

45、给出的电压是入射和反射电压波形的向量和。合成电压波形叫做驻波图形。实际上，当两个波形同相相加时，在某点形成一个峰。同样，当两个波形异相相加时，此点会出现一个谷底或最低电压。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 31 页 - - - - - - - - - 27 电压驻波比 VSWR 定义为：VSWR=Emax/Emin=1+Er/Er /1- Er/Ei =1+_/1- _,(6-6) 在距离负载“ d”处的反射系数的相位角决定于：可由以下 3 个步骤来确定负

46、载阻抗：通过正确设计的测量获得波导的数据；确定反射系数的大小和相位；计算负载阻抗。在第 3 步时应用史密斯圆图，从已知反射系数在波导（或传输线）上的任意给定点确定阻抗。史密斯圆图是表示传输线长度的阻抗转换工具图。表的坐标表示归一化电阻和电抗，波导的特征阻抗被归一化为Zo,VSWR 圆并为包含在图中， 但是可以在需要时以图中心为圆心用圆规来画出。 注意， 图外圈距离比例被归一化到波导波长。通常， 最好的学习史密斯圆图的方法就是试着解决实际问题。我们来看一个例题。例题：一个波导链接到0.6+J1.2 的归一化负载，波导波长是42 毫米。a. 寻找距离负载 10mm 处的阻抗。b. 寻找第一次出现

47、VSWR 最小值时距离负载的距离。解题：a.参考史密斯。 寻找点 A，阻抗为 0.6+J1.2. 从 O画直线到 A，此线相交于发生器方向距离圆0.15 处。从负载处传播10mm ，相当于从负载传播10mm/42mm=0.238g 。 在距离圆上，在 0.15+0.238=0.338 处定位一个点，从O处画一直线。 以 O点为圆心 OA为半径画圆，B点的阻抗表示距离负载10mm 处一点的阻抗。B点的归一化阻抗是0.38-J0.78. b. C 点的 VSWR=4.3 ，它是 VSWR 的图上出现的最大值处。第一个最小值出现处在 D点，A点和 D点的距离是 0.5 -0.15 =0.35 。当解

48、决未知阻抗时，必须建立一个阻抗可以关系到的参考平面。例如，未知阻名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 31 页 - - - - - - - - - 28 抗的输入端可以当做一个参考面，一旦参考面建立后，未知阻抗就可以被测量了。a. 连接未知阻抗到开槽测量线，测试VSWR 和它的最小值位置。 b. 用短路版代替未知阻抗，测量两个相邻的最小值的距离。此距离应该等于波导波长的 0.5 倍。 c. 选择一个最小点作为参考。在史密斯圆图上画VSWR 圆。阻抗在电压最低处

49、是1/SWR. 当负载被短路，最小VSWR 向负载移动。因此，通过从距离最外圆0 点为 d/ g 的点到 VSWR 圆中衷心画一条直线，从而获得负载处的阻抗。圆和直线的交点就是负载的阻抗。注意在距离负载 /2 3 /2 , 处，线阻抗等于负载阻抗。到目前为止，我们分析史密斯圆图都是假设波导是无损失的。在波导有损失的时，圆图上任何轨迹不再是圆而是螺旋线。在有损失的线里，SWR 随观察点移向负载而增加，移向向发生器而减少。注意在距离负载g /2 。3g /2 , 处，在波导有损失时，圆圈上任何轨迹不再是圆儿时螺旋线。在有损失的线里，SWR 随观察点移向负载而增加，移向发生器而减少。四、实验过程1、

50、根据所设计的阻抗测量方案，画出详细的测量系统框图；2、根据电路已知参数和待测参数，选定测量仪器、列出测量方法和步骤，以验证设计方案的可行性和正确性；3、完成测量，并记录测量数据和图形曲线等；4、根据测量结果，分析讨论方案的优缺点；5、完成实验报告。 参考方案A. 基本测量(1) 如图 63， 连接实验设备。(2) 卸下探头螺丝。(3) 打开 Gunn 振荡器。(4) 给 PIN 二极管调制器加入1KHz 调制信号。(5) 测量 SWR 表的最大值和最小值，并测量振荡器频率。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心