微波系统中电压驻波比的测量

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近代物理实验报告

指导教师： 得分：

实验时间： 2009 年 10 月 26 日， 第 九 周， 周 一 ， 第 5-8 节

实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜

同组者： 班级 材料0705 学号 2007670 姓名 车宏龙

实验地点： 综合楼 406

实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压

实验题目： 微波系统中电压驻波比的测量

实验仪器：（注明规格和型号）

导波管（BJ-100）、隔离器、衰减器、谐振式频率计、晶体检波器、驻波测量线（DH364A00）、匹配负载

实验目的：

（1） 了解驻波导测量系统，熟悉基本微波原件的作用；

（2） 掌握驻波测量线的正确使用方法；

（3） 掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法。

实验原理简述：

1. 微波的基本知识

1.1 电磁波的基本关系

??D?? ??B?0??E???B

?t??H?j??D

?t （3-1-1）

D??E，B??H，J??E （3-1-2）

如上所示， 方程组（3-1-1）为Maxwell方程组，方程组（3-1-2）描述了介质的性质对场的影响。

1.2 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。 本实验中使用的是矩形波导管， 同时对应使用的是在矩形波导中常用的微波TE10

1.2.1 TE10型波。

一个均匀、无限长和无耗的矩形波导。（图3-1-3）经过计算可以得到波导波长?g??

?(?

2a )2

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特点：

1，存在一个临界波长?c=2a，只有波长???c的电磁波才能在波导管中传播

2，导波波长?g>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，并且始终平行于导波的窄边

4，磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线

5，电磁场的波导的纵方向（z）上形成行波

下图所示， 为TE10型波的电磁场结构

1.2.2导波的工作状态

如果导波终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波的所有能量被

吸收，这时波导中呈现的是行波。当导波终端不匹配时，就是一

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。为了描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射

系数?定义为

??Er/Ei?|?|ej?

Emax

Emin驻波比?定义为??（3-1-6），其中式中，Emax和Emin

分别为波腹和波节点电场E的大小

不难看出：对于行波，??1；对于驻波，???；而当1????，是混合波（如上图所示）

2. 电压驻波比的测量

驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一。在测量时，通常测量电压驻波系数，即波导中电场最大与最小之比

微波系统中电压驻波比的测量

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2.1 直接法

直接法是测量沿线驻波的最大与最小场强，然后根据驻波比定义式（见上页）直接求出电压驻波比。这种方法适用于测量中、小电压驻波比

当驻波比较少时，晶体二极管为平方检波，如果驻波腹点和节点处指示电表读数分别为Imax和Imin，则式（3-1-6）可写成??Imax/Imin

当驻波比分别在1.005???1.5， 以及1.5???6时， 驻波图像分别如下所示

2.2 等指示度法

等指示度法适用于测量大、中电压驻波比（??6）。此时，

波腹振幅与波节振幅的区别很大，此时在测量最大点和最

小点电平时，晶体工作在不同的检波律，如仍按直接法测

量，则产生较大误差，所以采用等指示度法，也就是通过

测量驻波波节附近场的分布规律的间接方法。 大驻波比的

示意图如右所示。

经过计算可以得到当驻波比很大（??6）时，E很小，有???g

?W （这里λg是波导波长）

2.3 功率衰减法

功率衰减法适用于任意驻波比值的测量

功率衰减法是用精密可衰减器测量驻波腹点和节点两个位置上的电平差，因而与晶体的检波律无关，主要取决于衰减器的精密度和系统的匹配情况驻波比可用下式计算

??10^(Amax?Amin

20)

其中Amax和Amin分别为探针在波腹点和波节点处， 指示电表读数相同时， 所对应的精密可变衰减器的读数。

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实验步骤简述：

实验装置示意图如下：

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13. 开启微波信号源，选择频率约为9.37GHz，预热15min。 将测量线探针插入适当深度，选用频率放大器，测量微波的大小，选择较小的微波输出功率并进行微波测量线的协调。 信号源的工作方式选择“等幅”、“点频”，用直读频率计测量波频率，并计算微波波导波长。 微波源工作方式选择“方波”。测量线终端接短路板，用交叉读数法读出两个相邻波节点的位置，计算导波波长并与计算值比较。 关闭微波电源，取小短路器，接上单螺旋调配器和匹配负载。 调节单螺钉穿伸度为3mm，移动测量线探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断是驻波状态，分析此时的驻波比的大小。 移动探针至驻波腹点，调节指示器灵敏度，是电压读数达满偏。 将探针移至测量线的最右端，向左依次测量驻波腹点和节点的幅值，Imax、Imin，记录数据。 反向移动测量线探针，重复测量。 调节螺钉穿伸度为5mm，移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断是驻波状态，分析此时的驻波比的大小。 选择驻波的一个波腹点及其相邻的波节点，测量其电压值，记录数据，重复5次。 调节螺钉穿伸度为7mm移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断驻波状态，分析此时的驻波比的大小。 等指示度法测量电压驻波比，具体方法：

1.1 测量线探针移至驻波节点。调整微波可变衰减器、指示器的灵敏度，使指示器电表指针为满

度的一般，读取驻波节点幅度值Imin。

1.2 缓慢移动探针，在驻波点两旁找到电表指示读数为2Imin的两个指示度点，应用测量线标尺

或百分表读取两个等指示点对应的探针位置的读数值d1、d2，重复5次。

1.3 记录数据，并计算驻波比。

微波系统中电压驻波比的测量

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原始数据、 数据处理及误差计算： 微波波长的精确测定

L1=4.315mm

跌落点 L2=4.320mm Li=4.318mm → 精确的波导波长是f=9.389GHz L3=4.321mm

波导波长的测量。 小电压驻波比:（已计入比率=0.1）

中电压驻波比：（已计入比率=0.1）

微波系统中电压驻波比的测量

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大电压驻波比：

已知了W的值， 先使用近似式进行试算：

r=

l

g

pW

=

44.76mmp×2.27mm

=6.276454

可见， 驻波比大于6， 这个近似式的计算结果是可靠的

思考题， 实验感想， 疑问与建议：

1. 驻波节点的位置在实验中精确测准不容易， 如何比较准确地测量？

实验中， 为了能够较为准确地测得驻波节点的位置， 使用的是“交叉法”， 具体如下： 先根据仪表的示数， 找到波节的大约位置， 然后再波节点两端读取两个读数相等的点的d1和d2， 记录数据； 则二者的平均值代表波节点的位置d0。

2. 如何比较准确地测出波导波长？

方法与上述的确定驻波节点的“交叉法”类似， 在使用交叉法测得了波节点的位置后， 两个相邻波节点的距离的两倍即为波导波长。

3. 在对测量线进行调谐后， 进行驻波比的测量时， 能否改变微波的输出功率或衰减大小？

不可以， 如果在调谐完成后， 对这些数值进行调节的话， 就会使调谐失效， 导致测量的结果不准确

4. 关于实验的一些体会与建议

实验中发现， 测量线的抗干扰能力较差， 在测量过程中对测量线的压迫， 触碰都会导致选频放大器上的显示结果偏离真实值。 建议更换抗干扰能力较强的测量线， 或者在外部包裹同轴电缆以防干扰。

另外， 选频放大器的指针式仪表不易于读数， 而且指针晃动也会影响到读数的结果， 建议改进为与微波源相同的数显式仪表， 方便读数。

原始记录及图表粘贴处：（见附页）

第二篇：反射系数(电压驻波比)的测量

实验二  反射系数（电压驻波比）的测量

驻波系数测量是微波测量中最基本的测量，通过驻波测量，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；大功率传输时，由于驻波的存在，驻波电场的最大点处可能产生击穿打火，因而驻波的测量以及调配是十分重要的。

根据驻波系数定义，可知ρ的取值范围为1≤ρ＜∞，通常按ρ的大小可分三类：ρ＜3为小驻波比；3≤ρ≤10为中驻波比；ρ＞10为大驻波比。

驻波系数的测量方法很多，用测量线进行测量的主要方法及应用条件如下：

表Ⅰ 用测量线测驻波系数的方法及应用条件

（1）直接法：测试方框如图1。将测量线探头沿线移动，测出相应各点的驻波场强分布，找到驻波电场的最大点与最小点，直接代入公式就可以得到驻波比，如测量线上的晶体检波律为n，则：

   为输出电表指示。

通常实验室条件下检波功率电平较小，可认为基本特性为平方律，即n＝2。

为提高测量精度，必须尽量使电表指针偏在满刻度以上。当驻波系数在1.05＜ρ＜1.5时，由于驻波场的最大与最小值相差不大，且变化不尖锐，不易测准。为提高测量准确度，可移动探针到几个波腹与波节点，记录数据，然后取其平均值。直接法的测试范围受限于晶体的噪声电平及平方律检波范围。

（2）等指示度法（二倍最小法）：当被测器件的驻波系数大于10时，由于驻波最大与最小处的电压相差很大，若在驻波最小点处使晶体输出的指示电表上得到明显的偏转，那么在驻波最大点时由于电压较大，往往使晶体的检波特性偏离平方律，这样用直接法测量就会引入较大的误差。

等指示度法是通过测量驻波图形在最小点附近场强的分布规律，从而计算出驻波系数，如图三所示。若最小点处的电表指示为，在最小电两边取等指示点，两等指示度点之间的距离为W，有，设晶体检波律为n，由驻波场的分布公式可以推出：

 ………（1）

通常取（二倍最小法），且设：

   ………… （2）

当ρ＞10时，上式可简化为

只要测出波导波长及相应于两倍最小点读数的两点D₁、D₂之间的距离W，代入（2）式，即可求出驻波比ρ。

可以看到，宽度W和波导波长的测量精度对测量结果的影响很大，测量线探针移动时应尽可能朝一个方向，不要来回晃动，以免测量线齿轮间隙的“回差”影响精度，在测量驻波最小点位置时，为减小误差，须采用“交叉读数法”。 

对很大驻波系数，由于测量仪器的限制，有时不易测出，可以采用加深探针穿伸度的方法提高测量最小点的灵敏度。

（1）小驻波比：测量线输出端接上BD20-7匹配负载  

（2）中驻波比：测量线输出端接上① N8探头（功率计附件，关闭功率计）

② 容性膜片＋匹配负载    

③ 感性膜片＋匹配负载   

（3）大驻波比：测量线输出端接短路板，移动位置顶上千分表，用交叉读数法求出W。 

公式：，已知、、，即可算出大驻波比。

附：电压驻波比，

腹点上电压的幅值；节点上电压的幅值；负载端电压反射系数