微波工程特性参数测量实验

实验一 微波测量系统的使用和

信号源波长功率的测量

      

             

            班级：2009211204

          小组成员：

              

       

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。

二实验原理：

本实验接触到的基本仪器室驻波测量线系统，用于驻波中电磁场分布情况的测量。

该系统由以下十一个部分组成：

1.微波信号源

DH1121C型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.喇叭天线

9.匹配负载

波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。

10.短路片

11.失配负载

三 实验方法和过程：

（一）熟悉实验器材操作方法：小组成员共同学习实验器材的使用方法和注意事项。

（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

先将信号源的工作方式选为：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；再将信号源的工作方式选为：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）熟悉选聘放大器的使用；

（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。本实验采用谐振腔法。由于波长和平率直接满足关系，所以频率和波长的测量是等效的。吸收式波长计的谐振腔，其只有一个输入端和能量传输线路相连，调谐过程可以从能量传输线路接收端指示器读数的降低可以判断出来。

本实验采用了吸收式波长计测量信号源频率从，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，将出现波峰。反映在建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。

（二）波长计测量信号波长：小组成员分工协作，有序完成实验数据的测量。

（1）微调单旋调配器，事腔偏离匹配状态（出于匹配状态时，电流会达到一个最小值），检波电流计上有一定示数（大于最小值）

（2）调节波长计使检波电流计再次出现最小值的时候，读出此处波长计的刻度值为：9.68mm

（3）按照波长计的刻度值去查找“波长计-频率刻度对照表”，就可以得到对应的信号源频率值；

（4）改变信号频率，从8.6G开始测到9.6G，每隔0.1G测量一次，记录在数据表格中；

四 实验结果与分析:

表格数据结果如下图所示：

根据以上表格数据可知:本实验的波长表读数对用表中的频率值与真实的频率值误差范围为0.648%—0.927%，误差很小在可控范围内。产生误差的原因为：仪器测量产生的误差。因此，可以采用该方法测波长。

五 心得与体会:

   本次实验为电磁场与微波测量实验的第一个实验，顾名思义，即电磁场和微波测量的实验。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，基本知识倒有但不够深入。在赵老师的带领下我们学习了一些陌生的实验器材，也知道这些庞大的仪器价值不菲，是老师们争取的结果。

实验教室很小，但气氛很好，尤其小组的形式也让我们小组之间多了交流和讨论，刚开始的时候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。

实验期间也遇到一些问题。比如在调整检流计的电流最小值时经常出现电流没有变化或者电流示数太大的情况，经检测发现应调节频带至宽带，并且将衰减调大，若电流偏小，则应将衰减调小。

感谢赵老师的指导，我们小组所有成员将踏实认真的对待每次实验！

第二篇：微波基本参量测量实验报告

浙江师范大学实验报告

实验名称   微波基本参量测量  班级 物理092  姓名 阮柳晖  学号 09180229

同组人 任亚萍  实验日期    11/10/24       室温         /       气温      /   

                                                        

微波基本参量测量

摘要：微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。本实验通过了解电磁波在规则波导内传播的特点，各种常用元器件及仪器的结构原理和使用方法，运用微波测量的基本技术，对微波的频率、驻波比、功率进行测量。

关键词：频率  功率   驻波比  阻抗

引言：微波成为一门技术科学，开始于20世纪30年代。微波技术的形成以波导管的实际应用为其标志。微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。微波的最重要应用是雷达和通信。微波与其他学科互相渗透而形成若干重要的边缘学科，其中如微波天文学、微波气象学、微波波谱学、量子电动力学、微波半导体电子学、微波超导电子学等。其应用及涉及领域仍在不断扩大。

   正是由于微波的重要科技地位，学习其基础知识及工作原理等变得至关重要。

正文：

一、实验原理

微波介绍：

微波及似声似光性

微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热，微波炉就是利用这一特点制成的，而对金属类东西，则会反射微波。

微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减小，使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。

由于微波波长与物体（实验室中无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，即所谓的似声性。

实验内容:

1、微波频率的测量

频率的测量是微波测量技术中的一个重要方面。本实验将采用直接测量法。使用外差式频率计或是数字微波频率计就能直接读出频率的数值。亦可以使用吸收式空腔波长计，利用空腔做为谐振系统，并通过机械装置进行调谐。当吸收式波长计的腔体被调节到谐振点时，输入到指示器的功率最小。此时即可由波长计中的螺旋测微计的读数D，通过D～f曲线查出被测的微波频率。本实验就是使用这种方法作为直接测量的。

2、功率的测量

微波功率是表征微波信号强弱的一个物理量，通常采用替代或比较的方法进行测量。也就是将微波功率借助于能量转换器，转换成易于测量的低频或直流物理量，来实现微波功率的测量。下图为测量功率的电路连接。实验中将波导开关旋至功率计通路，用功率计可测得绝对功率值。

3、驻波比的测量

关于驻波比，定义为波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场之比。

其中Emax和Emin分别表示波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场强度。

　　使用驻波测量线进行测量时，要考虑探针在开槽波导管内有适当的穿伸度，探针穿伸度一般取波导窄边宽度的5%~10%。实验前应注意驻波测量线的调谐，使其既有最佳灵敏度，又使探针对微波通路的影响降至最低。一般是将测量线终端短接，形成纯驻波场。移动探针置于波节点，调节测量线，使得波节点位置的检波电流最大，反复进行多次。

由于终端负载不同，驻波比s也有大中小之分。因此驻波比测量的首要问题是，根据驻

                                 

矩形波导测量线

波极值点所对应的检波电流，粗略估计驻波比s的大小。在此基础上，再作进一步的精确测定：

（1）小驻波比的测量

在这种情况下，驻波波腹和波节都不尖锐，因此要多测几个驻波波节和波腹，按下式计算S的平均值：

当检波晶体管满足平方检波律时，则

                  

（2）中驻波比的测量

此时只需测一个驻波腹和一个驻波节，按下式计算即可：

                                                

（3）大驻波比的测量

波腹振幅与波节振幅的差别很大，测量线不能同时测量波腹和波节，此时可以用二倍极小功率法进行测量。利用探针测量极小点两旁，功率为极小功率二倍的两点的距离W，波导波长λ_g，可按下式计算驻波比：

二、实验仪器

DH1121C型三厘米固态信号源、DH364A00型三厘米波导测量线、隔离器、DH4861B型厘米波功率计、DH388A0型选频放大器、DH406A0型微波实验系统、衰减器、频率计、检流计(示波器)

几种仪器介绍：

1、波导管

波导管是一种空心的、内壁十分光洁的金属导管或内敷金属的管子。波导管用来传送超高频电磁波，通过它脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地，波导管内径的大小因所传输信号的波长而异，多用于厘米波及毫米波的无线电通讯、雷达、导航等无线电领域。

波导管的功率容量大，损耗小，特别适用于大功率微波系统，常见的有矩形波导和圆波导两种，本实验室用矩形波导管。

2、谐振腔

用于微波波段的谐振电路，通常是在波导的两端用导电板短路而构成的封闭腔体。电磁场被限制在腔内，没有辐射损耗，谐振腔的品质因数Q值较高。但是由于要与不同频率的微波发生谐振，即需要改变频率，那么必须改变谐振腔的尺寸，进而影响到谐振腔的品质因数Q。

在理想的无耗谐振腔内，任何电磁扰动一旦发生就永不停歇。当扰动频率恰使腔内的平均电能和平均磁能相等时便发生谐振，这个频率称为谐振频率。而谐振腔的主要参数就是谐振频率f和品质因数Q。

3、功率计

功率计由功率探头和指示器两部分组成，功率探头是一个依据能量守恒定律，将微波功率线性地装换成直流电压的换能器。指示器是一台高增益、低噪音的直流电压放大器，放大功率探头提供的微弱信号，用数字电压显示功率值。

功率探头是利用热电效应将射频功率线性地装换成热电势输出。其中的射频直流转换部分：主要是由热元件及匹配的散元件组成，热电元件采用真空镀膜技术，在介质薄膜上形成热电偶堆，在同轴结构的电磁场中，它既是终端的吸收负载，又是热电转换元件，电磁波从同轴传输线部分输出，消耗在热元件上使热电堆上两个热点节的温度上升，产生与所加射频能量成正比的热电动势，该电势送入指示器进行放大，做读数指示。

三、实验数据及处理

1、频率测量

2、功率测量

。

3、驻波比的测量

各端反射点

1端：据实验观察，为大驻波比。

可得：ρ₁=λg/πd=88.331

2端：据实验观察，为小驻波比。

参数： 1、输入电压： ×1    2、频率（HZ）： 5K   3、量程：×10

=30.13uv                  =22.83uv

可得：ρ₂=（U_MAX/U_MIN ）^1/2 =1.148

3端：据实验观察，为小驻波比。

可得：ρ₃=（U_MAX/U_MIN ）^1/2 =3.693

4端：据实验观察，为大驻波比。

参数： 1、输入电压：×1    2、频率（HZ）： 5K   3、量程： ×10

可得：ρ₄=λg/πd=15.816

四、实验总结

本实验使我了解微波的相关特性，测量微波基本参量的重要性以及测量参量的相关方法。本实验有诸多不合理之处尚待改进：（一）测频率时，谐振腔读数对应的微波频率经由查表获得，既不方便，又难以消除客观存在的误差，不能完全显示其真实性。（二）测功率，在此实验中有重要意义，但是，实验结果中难以体现，有一个问题就是难以体现其准确性，没有标准值对照。（三）驻波比测量，其中碰到大驻波比的时候，测d，由于其值很小，微调难度很大，表现为人为误差非常大，并会对实验仪器产生负面影响，应当改进。

斯老师的指导对我而言受益匪浅，测大驻波比及讲解功率探头工作原理都非常到位，甚为感谢。