微波特性测量实验

一、   实验目的

1、了解微波测试系统的组成及各部分的作用，正确使用实验仪器。

2、了解微波信号源的工作方式及信号的检测方法。

3、熟练掌握交叉读数法测量波导波长的方法。

4、了解测量线调整和使用方法。

5、通过测量观察测量线终端接不同负载（短路、开口、匹配负载、晶体检波器）时系统中形成的驻波分布情况。

6、掌握直接法测量负载驻波比。

二、   实验原理

微波测试系统

微波测试系统通常有同轴和波导两种系统。同轴系统频带宽，一般用在较低的微波，频段（2cm波段以下）；波导系统（常用举行波导）损耗低、功率容量大一般用在较高频段（厘米波直至毫米波段）。

微波测试系统通常由三部分组成，如图1－2所示。

 PX-16 频率计

框图中的频率计准确的说是一种谐振式波长表，是利用微波谐振腔体制作而成，可分为吸收式和传输式两大类。在实验中，当吸收式波长表与信号源产生的微波信号频率共振时，将从电路中吸收最大的能量，此时，系统中通过波检波指示最小，在表上可以直接读出其共振0 值。本实验时采用 一种吸收式频率计 ，测量频率范围为8.2GHz~12.4GHz，利用圆柱形谐振腔的工作原理，直接标记频率度，在用它测量频率过程中，只需要缓慢旋动套筒，当在选频放大器上观察到信号大小发生变化或者在示波器上观察到吸收峰时，可以确定此时圆柱形谐振腔的固有频率与系统的工作频率相同，从频率计上读出的频率值即为信号源的工作频率。读取频率值时，在两条水平线之间读取竖向红线处的频率值     

 TC26 测量线

是属于波导型测量线，它是利用波导宽边正中间壁电流分布的特点沿纵向开槽，外加探针通过开槽深入波导系统中提取能量。在测量线上有确定探针位置的刻度尺，进行测量时，旋动旋钮，移动探针，探针从波导中提取的能量通过微波检波器进行检波，从而可以用示波器、选频放大器或者直流电流表进行检测与指示。通常探针的穿伸度及调谐装置均已调整好，不宜轻易变动。

晶体检波器

为了提高对微弱信号检测的灵敏度，需对微波等幅波信号或者方波调制信号进行检波。未经调制的微波信号经检波后变成直流电流，此时可用检流计或微安表直接作为指示器

选频放大器

1KHz 方波调制的微波信号经检波后，得到 1KHz 的方波信号，需用选频放大器作为指示器。选频放大器是用来放大和测量微弱低频交流信号的低噪声精密测量仪器，配合微波测量线使用可测量波导系统的驻波系数。XF-01、YM3892、DH388A0 等选频放大器是目前常用的几种国产选放。除了可对电流或电压进行直读测量，还具有分贝读数以及1-4(或 3-10)驻波比刻度线，因此可以很方便地直读小反射器件的驻比。通常将输入量程衰减器至于 50dB 或 60dB 档处，以确保检波器工作于平方律检波。其频率微调旋钮用于调节选放回路的谐振频率，当其与信号源调制频率相同时输出最大

功率计

用来直接测量连续波或脉冲调制微波信号平均功率大小的仪器

短路板

在微波测试系统中实现终端短路的微波标准器件。

匹配负载

在微波测试系统中实现与系统匹配的微波终端标准器件

驻波分布特性试验测试框图

当波导存在不均匀性或负载不匹配时，波导中存在驻波。驻波比定义为波的最大振幅与波的最小振幅之比，即其中I和I分别是驻波的波腹点的建波和波节点的检波电流值

在实验中测量驻波比的方法是直接法，所使用的一起是选頻放大器。在选頻放大器上，有驻波比指示的刻度线。直接操作的具体步骤如下：

在终端接上被测负载，然后将测量线的探针移到测量线中间部位的某个波腹点；通过调节可变衰减器，将波腹点的电表指示值调整为满刻度，在信号源、衰减器等系统状态都不变的条件下，接着将测量线探针移到波节点的位置，这时读取选頻放大器上驻波比刻度线所对应的值就是终端负载驻波比的值。当驻波比在1.05<S<1.5时，驻波的最大值与最小值相差不大且不尖锐，加上测量线本身机械不平度的影响，因此不易测准，为此，可移动探针到几个波腹点和波节点记录多个数据，然后进行平均。取平均的方法有几种。这里列出两种，可任选一种计算，在平方律检波情况下：

S=或S=

必须指出，在尖锐驻波比测量时，探针导纳的存在将对测量造成较大误差，因此应尽量减小探针插入深度，以保证测量准确度

阻抗测量的基本原理

根据以上实验，传输线驻波分布情况和终端负载主抗直接有关。由传输理论可以证明单口波导元件的归一化阻抗Z与传输系统的波导波长λg，驻波比S和驻波节点距终端距离d有下列单值的对应关系式：

    

而负载归一化导纳为：

易于求得归一化负载阻抗与驻波比S和波节点相位之间更为简洁的关系为：

由此可见，单口元件阻抗测量的问题可以归结为驻波测量的问题，当将测量线的输出端接上待测的单口元件，分别测出沿线的S，波导波长λg和d之后，阻抗测量的问题也就解决了。根据传输的图解法原理，还可以利用阻抗原图或导纳圆图，根据测得的S，d和λg来求解单口元件归一化或.

2.5.3 膜片介绍

理论分析表明：当膜片厚度 t 满足δ t 时，它的等效电路为一并联的导纳Y = G + jB(δ是金属膜片的趋肤深度)，使传输引起不连续。

（a）膜片有电容作用，故称为容性膜片，

(b)膜片有电感作用，称为感性膜片。由于膜片的损耗极小，通常把它们的电导分量 G忽略，而电纳 B 在一级近似下可以表示为：

容性膜片：

感性膜片：

三、   实验步骤

波导波长的测量

1. 监察系统连接的平稳，工作方式选择为 1KHz 方波调制，使信号源工作与最佳状态；

2. 対实验系统中的元器件的功能做一定的了解，并对各个器件的使用方法作进一步的熟悉和掌握；

3. 通过信号源上的频率调谐旋钮调整信号源的工作频率，并用直读式频率计测定信号频率，使信号源的工作频率

0为 9370MHz；

4. 测量线终端接短路板，使系统处于短路状态，选择合适的驻波波节点，一般选在测量线的有效行程的中间位置，并选择一个合适的检波指示值(0或0)，然后按交叉读数法测量波导波长。测量三组数据，取算术平均值作为波导波长的测量值。

驻波比的测量

保持工作频率不变，按 2.3.2 的步骤，分别测量终端短路，开口，匹配时的驻波比。

阻抗的测量

容性膜片和感性膜片的驻波比按上的方法测量。

元件的测量：

1. 将端口短路，旋动旋钮，找到一个合适的波节点，记录相应位置dT；

2.保持旋钮不动，接上测试元器件，旋动旋钮，远离端口，找到此时的第一个波腹位置dT′，并记录

四、   实验数据及处理

波导波长的测量数据

求得=44.75,波导的理论计算有：m = 1, n = 0则可以得到波导波长的理论值(其中0 = c/f0，a = 22.86mm)=44.78966mm

则相对误差为0.0887%可以看出此次试验还是很理想的，误差不会太大

驻波的测量

1.对于短路情况下，经金属导体L的反射后，将形成出纯驻波，而出现波节为零的情况，于是其驻波比为无穷大；

2. 对于开路情况，信号源发出的微波未被反射，所测到的就是原始波的驻波比。

3. 在匹配情况下，入射波与反射波干涉相消而使驻波比为 1，这时为行波，但实际情况，指针会出现微小的摆动，这可能是由于反射波没有全部被吸收。

膜片归一化电纳的测量

由上表知容性膜片的阻抗和导纳分别为

ZL=0.147-j0.0741

YL=0.1908+j0.0988

感性膜片的阻抗和导纳分别为：

ZL=0.039-j0.1523

YL=0.0742+j0.3173

五、   思考题

 1.测量待测元件驻波极小点位置时，是否必须在“等效截面”的左端？为

什么？

必须得在“等效截面”的左端，我们要找的是端口第一个波节，而短路时，在端口处是此时驻波的波节，当换上膜片时，端口第一个波节肯定在左边，相应的“等效截面”也应该向左移

2. 实验中当测量线终端开口时，驻波比不为，为什么？

答：对于开口波导，其负载阻抗则又根据r 的定义得,则按理论推算开口波导的r应无穷大：但实际无法实现全反射，因此其驻波比不为无穷大。

第二篇：微波技术实验指导书(带封皮版)

微波技术实验报告

                    班级：

                    学号：

                    姓名：

实验一 微波测量系统的了解与使用

实验性质：验证性                     实验级别：选做

开课单位：信息与通信工程学院                 学  时：2学时

一、实验目的：

1．了解微波测量线系统的组成，认识各种微波器件。

2．学会测量设备的使用。

二、实验器材：

1．3厘米固态信号源

2．隔离器

3．可变衰减器

4．测量线

5．选频放大器

6．各种微波器件

三、实验内容：

1．了解微波测试系统

2. 学习使用测量线

四、基本原理：

图1.1 微波测试系统组成

1．信号源

信号源是为电子测量提供符合一定技术要求的电信号的设备，微波信号源是对各种相应测量设备或其它电子设备提供微波信号。常用微波信号源可分为：简易信号发生器、功率信号发生器、标准信号发生器和扫频信号发生器。

本实验采用DH1121A型3cm固态信号源。

2．选频放大器

    当信号源加有1000Hz左右的方波调幅时，用得最多的检波放大指示方案是“选频放大器”法。它是将检波输出的方波经选频放大器选出1000Hz基波进行高倍数放大，然后再整为直流，用直流电表指示。它具有极高的灵敏度和极低的噪声电平。表头一般具有等刻度及分贝刻度。要求有良好的接地和屏蔽。选频放大器也叫测量放大器。

3．测量线

3厘米波导测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。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的变化信息。

4．可变衰减器

为了固定传输系统内传输功率的功率电平，传输系统内必须接入衰减器，对微波产生一定的衰减，衰减量固定不变的称为固定衰减器，可在一定范围内调节的称为可变衰减器。衰减器有吸收衰减器、截止衰减器和极化衰减器三种型式。实验中采用的吸收式衰减器，是利用置入其中的吸收片所引起的通过波的损耗而得到衰减的。一般可调吸收式衰减器的衰减量可在0到30-50分贝之间连续调节，其相应的衰减量可在调节机构的度盘上读出（直读式），或者从所附的校正曲线上查得。

五、实验步骤：

1．了解微波测试系统

1．1观看如图装置的的微波测试系统。

1．2观看常用微波元件的形状、结构，并了解其作用、主要性能及使用方法。常用元件如：铁氧体隔离器、衰减器、直读式频率计、定向耦合器、晶体检波架、全匹配负载、波导同轴转换器等。

2．了解测量线结构，掌握各部分功能及使用方法。

2．1按图检查本实验仪器及装置。

2．2将微波衰减器置于衰减量较大的位置（约20至30dB），指示器灵敏度置于较低位置，以防止指示电表偶然过载而损坏。

2．3调节信号源频率，观察指示器的变化。

2．4调节衰减器，观察指示器的变化。

2．5调节滑动架，观察指示器的变化。

六、预习与思考：

总体复习微波系统的知识，熟悉各种微波元器件的构造及原理特点。

实验二 驻波系数的测量

实验性质：综合性                     实验级别：必做

开课单位：信息与通信工程学院                学时：2学时

一、实验目的：

1．理解测量大、中电压驻波比的原理和常用方法。

2．掌握用直接法测量小驻波比的方法。

二、实验器材：

1．3厘米固态信号源

2．隔离器

3．可变衰减器

4．测量线

5．选频放大器

6．各种微波器件

三、实验内容：

测量无耗小驻波比微波元件的电压驻波比。

四、基本原理：

图2.1   直接法测电压驻波比方框图

微波元件的电压驻波比是传输线中电场最大值与最小值之比，表示为

                                 （2.1）                                    

1． 直接法

该方法适用于测量中小电压驻波比。当驻波系数不大于6时，可直接沿测量线测量驻波最大点和最小点的场强得到，故称为直接法。直接法测电压驻波比方框图如图2.1所示。被测器件接在测量线的终端，这时测量线中电场的纵向分布如图2.2所示。

 

    图2.2   测量线电场分布图

当测量线的探针沿纵向移动时，波腹点和节点指示电表读数分别为Umax和Umin。

晶体二极管为平方律检波时，则有：

                                                                            （2．2）

当驻波比1.05<<1.5时，Umax和Umin相差不大，且波腹和波节平坦，难以准确测定。为了提高测量精度，可移动探针测出几个波腹和波节的数据，然后取平均值。

                       （2.3）

当驻波比1.5 <<6时可直接读出场强最大值和最小值。

表2。1 波腹波节处的电压值

六、预习与思考：

1．复习均匀传输线理论，了解传输线上电压电流的分布情况

2．熟悉各实验步骤，以加快测量速度。

3．驻波的节点与腹点如何选取？

实验三 阻抗的测量

实验性质：综合性                     实验级别：必做

开课单位：信息与通信工程学院                学时：2学时

一、实验目的：

1．掌握用测量线测量阻抗的原理和方法。

2．进一步掌握阻抗圆图的用法。

二、实验器材：

1．3厘米固态信号源

2．隔离器

3．可变衰减器

4．测量线

5．选频放大器

6．各种微波器件

三、实验内容：

1．调整微波测试系统

2．测量阻抗

四、基本原理：

微波元器件或天线系统的输入阻抗是微波工程中的重要参数，因而阻抗测量也是重要内容之一，本实验学习用测量线测量单端口微波元件输入阻抗的方法。 根据传输理论，传输系统中驻波分布与终端负载阻抗直接有关，表征驻波特性的两个参量，驻波比及相位与负载阻抗的关系：

 (3.1)             

图3.1   电压与相位的关系

 

图3.2   等效截面法

上式左端为归一化负载阻抗，即单端口微波元件的输入阻抗，为驻波比。

? 是终端负载至相邻驻波节点的距离，参照图3.1。因而只需在测量线的输出端接上待测元件，分别测定驻波比，波导波长及距离，即可用上式或阻抗(或导纳)圆图计算待测元件的输入阻抗(或输入导纳)。

实际测量中常用“等效截面法”。首先让测量线终端短路，沿线驻波分布如图3.2(a)所示，因而移动测量线探针可测得某一驻波节点位置，它与终端距离为半波长的整数倍n λg/2(n=1,2,3…)，此位置即为待测元件输入端面在测量线上的等效位置T。当测量线终端换接待测负载时，系统的驻波分布如图3.2(b)所示，由测量线测得左边(向波源方向)的相邻驻波节点位置即为终端相邻驻波节点的等效位置。所以

?                          (3.2)

由公式

                                                             (3.3)

可以计算待测元件的输入阻抗Z_L，下图为导纳圆，A点的读数即为待测元件的归一化导纳，B点的读数即为归一化阻抗,如图3.3所示。

 

                             图3。3 归一化阻抗圆图

图5.3    归一化阻抗圆图

                              图3。4  实验装置图

五、实验步骤：

1． 调整微波测量系统

? （1）测量线输出端接匹配负载，调整测量系统。

? （2）测量线终端换接短路板，用交叉读数法测量波导波长并确定位于测量线中间的一个波节点位置，记录测量数据。

2．测量电感(或电容)膜片及晶体检波器输入阻抗

?  （1）取下短路板，测量线输出端接“电感（或电容）膜片+负载匹配”测出，左边相邻驻波节点的位置，计算，记录测量数据。                 

（2）用微波衰减器调整功率电平，使测量线探头晶体处于平方律检波范围。用直接法测量驻波比，记录数据。

（3）根据， ，，应用导纳圆图计算“电感(或电容)膜片+负载匹配”的归一化导纳。

六、预习与思考：

1、复习均匀传输线理论，了解传输线上电压电流的分布情况。

2、了解传输线不同终端负载的接入情况。

3、如果终端负载是感性的，则滑动螺钉与负载的距离必须满足什么条件？为什么？

实验四 波长和频率的测量

实验性质：综合性                     实验级别：必做

开课单位：信息与通信工程学院                学时：2学时

一、实验目的：

1．了解几种常用的测量频率和波长的仪器。

2．掌握测量频率和波长的基本原理和方法。

二、实验器材：

1．3厘米固态信号源

2．隔离器

3．可变衰减器

4．测量线

5．选频放大器

6．各种微波器件

三、实验内容：

1．测量微波信号的频率

2．测量微波信号的波长

四、基本原理：

 

                          图4.1  实验装置图

     频率是微波测量的基本参量之一。从原理上说，波长的测量与频率的测量是有区别的，前者归结为长度的测量，后者归结为时间的测量。根据谐振腔的谐振选频原理可知，单模谐振腔的谐振频率决定于腔体尺寸，得用调谐机构的位置对谐振腔进行调谐，使之与待测微波信号发生谐振，就可以根据谐振时调谐机构的位置，判断腔内谐振的电磁波的频率。这就是谐振式频率计的基本原理。本实验将频率计采用吸收式接法。当产生谐振时，谐振腔最大程度的获取功率，使得输出几乎为0，这样从指示器上可以观察其谐振或失谐的情况，从而读出频率计上指示的读数。

    根据传输线原理，邻近两个腹点或两个节点之间的距离为半波长，这样可根据选频放大器上显示的相邻腹点，从测量线上直接读出波长。

五、实验步骤：

1．微波频率的测量

（1）按图4.1所示的框图连接实验系统。

（2）将检波器及检波指示器接到被测件位置上。

（3）用频率计测出微波信号源的频率。旋转频率计的测微头，当频率计与被测频率谐振时，将出现吸收峰。反映在检波指示器上的指示是一跌落点(参见图4.2），此时，读出频率计测微头的读数，再从频率计频率与刻度曲线上查出对应的频率。

检波指示器指示I

                   

谐振点                 频率计测微头刻度

                           图4.2频率计的谐振点曲线 

2． 波导波长的测量：

（1）接开路阻抗，其可变电抗的反射系数接近1，在测量线中入射波与反射波的叠加为接近纯驻波的图形，如图4.3所示，只要测得驻波相邻节点的位置L₁、L₂，由

，即可求得波导波长λg。

表4.1 相邻节点位置数据表

（2）接短路阻抗。测量驻波相邻腹点的位置L₁、L₂，由

，即可求得波导波长λg。

表4.2 相邻腹点位置数据表

六、预习与思考：

1．复习均匀传输线理论，了解传输线上电压电流的分布情况。

2．用传输线理论分析测量波长与频率的原理。