实验三 波导波长(导内波长)的测量和驻波测量
一、实验目的和要求
应用所学理论知识,理解和掌握单模矩形波导短路情况下内部电场沿轴线的分布规律。学会利用微波测量系统测量波导内部导行波的相波长(波导波长或称导内波长λg)。
驻波系数的测量是微波测量中最基本的测量。本实验要求学会利用测量线进行驻波测量。
二、实验内容
1.利用微波测量系统测量波导内部的波导波长λg。
2.用直接法测量电容性、电感性膜片和匹配负载(BD20-7)等的驻波系数。
3.用等指示度法测量短路情况下(接上短路板)的大驻波系数。
三、实验原理
当矩形波导(单模传输TE10模)终端(Z=0)短路时,将形成驻波状态。波导内部电场强度(参见图三之坐标系)表达式为:
在波导宽面中线沿轴线方向开缝的剖面上,电场强度的幅度分布如图三所示。
将探针由缝中插入波导并沿轴向移动,即可检测电场强度的幅度沿轴线方向的分布状态(如波节点和波腹点的位置等)。
1. 测量波导波长(λg)
将测量线终端短路后,波导内形成驻波状态。调探针位置旋钮至电压波节点处,选频放大器电流表表头指示值为零,测得两个相邻的电压波节点位置(读得对应的游标卡尺上的刻度值Z1节和Z2节),就可求得波导波长为:
由于在电压波节点附近,电场(及对应的晶体检波电流)非常小,导致测量线探针移动“足够长”的距离,选频放大器表头指针都在零处“不动”(实际上是眼睛未察觉出指针有微小移动或指针因惰性未移动),因而很难准确确定电压波节点位置,具体测法如下:
把小探针位置调至电压波节点附近,尽量加大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(即小探针位置稍有变化,选频放大器表头指示值就有明显变化)。记取同一电压波节点两侧电流值相同(I0)时小探针所处的两个不同位置(Z1左及Z1右)(电流值越小越精确),则其平均值即为理论节点位置:
用相同的方法测得相邻电压波节点(Z2节)处的Z2左及Z2右
最后可得(参见图四)
注意:① 测出一个电压波节点位置之后,将小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!
② 为检验测量的准确性,可以应用理论公式进行验算:
其中:,
2. 测量电压驻波比(ρ)
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,有测量线法、反射计法、电桥法和谐振法等,用测量线进行驻波系数测量的主要方法及应用条件由表Ⅰ列出:
表Ⅰ 用测量线测驻波系数的方法及应用条件
这里我们将介绍用测量线测量驻波比的直接法和等指示度法。
(1)直接法:测试方框如图1。在测量线的端口连接待测的微波元器件。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(3)就可以得到其驻波比。如测量线上的晶体检波律为n,则: 为输出电表指示。
通常在实验室条件下检波功率电平较小,可以认为基本特性为平方律,即n=2,有
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。
本实验中使用的选频放大器已近似按平方律检波的规律,直接标出驻波比小于10的刻度,可读出驻波比值。方法是:测量线滑座调到波腹点,调节选频放大器的衰减旋钮,使表头指示值到满刻度。然后调节测量线滑座至波节点(即指示最小值)。此时选频放大器驻波比刻度的值即为负载的驻波比。如驻波比>4,则“分贝”开关增加10dB,读下刻度3.2~10的刻度值。
(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很大的误差。
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,如图五所示。若最小点处的电表指示为Z,在最小点两边取等指示点,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K=2(二倍最小法),且设n=2,有
………………………… (2)
图五 最小点附近场分布
当ρ>10时,上式可简化为 ………………………… (3)
只要测出波导波长及相应于两倍最小点读数的两点Z1节、Z2节之间的距离W,代入(3)式,即可求出驻波比ρ。
可以看到,驻波系数ρ越大,的值就愈小,因而,宽度W和波导波长的测量精度对测量结果的影响很大,特别是在大驻波比时,须要用高精度的位置指示装置如千分表,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,亦必须采用“交叉读数法”。
3.BD20-7匹配负载 S≤1.05
BD20-7匹配负载在一个终端短路的波导中沿电场方向,即波导的轴线位置有一劈形的镀镍铬的玻璃吸收片。吸收片相对于法兰的距离是固定的。
四、实验步骤
1.用直接法测量驻波比小于10的负载的驻波比。
在测量线的输出端分别接上 ① 容性膜片+匹配负载 S≈1.3
② 感性膜片+匹配负载 S≈1.9
③ N8探头(功率计附件) S≤1.6
④ 匹配负载 S≤1.05
1.1按实验一连接微波测试系统。在测量线的输出端接上容性膜片+匹配负载。
1.2接通信号源电源,工作状态置“”方波工作方式。选频放大器的输入电缆接测量线Q9插座,接通选频放大器电源。按实验一要求调整微波测试系统。
1.3调节测量线调谐活塞,使选频放大器指示最大。调节“衰减”旋钮,使指针位于满度(1000)处。移动测量线滑座,找到波节点。在选频放大器的第二根曲线上直读出电容膜片插入的驻波比。例:S=1.35。
实验者可移动测量滑座找不同的波腹点、波节点,并读出驻波比。
1.4用上述方法分别测出感性膜片、N8探头和匹配负载等的驻波比。
注:在拆负载前,请将信号源工作状态置于“外整步”,装好后再置“”方波状态。
2.波导波长(λg)的测量
2.1在测量线的输出端接上短路板。
2.2信号源置于“”方波状态,并记下此时信号源工作频率。例ƒ=10.00GHz。
2.3由于测量线终端接短路片,波导内形成驻波状态。移动测量线到波节点附近。
注意:再按实验原理中的有关讲解,用“平均值法“测得有关数据(或经计算)填入下表:
3.大驻波比的测量(等指示度法)
3.1在测量线输出端,接上短路板,移动位置,顶上千分表。
3.2再按实验原理中的有关介绍。通过千分表,用交叉读数法,求得W值。根据上步实验得出的λg。
通过公式:可算求大驻波比。
例:波节点时选频放大器指示为100,则。测得W。
提示:可通过增大选频放大器的灵敏度(减小衰减量),同时可适当增大信号源的输出功率(“衰减调节“旋钮逆时针转动),使波节点指示增大。
注:先从一个方向移动测量线滑座到选频放大器指示在200,记下千分表刻度,例千分表外环指针指在49。同一方向移动测量线滑座到选频放大器指示减小到100,再同方向移动测量线滑座到选频放大器指示又在200时,记下千分表刻度。例千分表外环指针指在56,则。工作频率=10.00GHz,测得λg=39.8mm,计算
思考题:
1.驻波比的定义是什么?
2.表达反射系数、驻波比和行波系数三者之间的关系。
3.反射系数、驻波比和行波系数反映负载与传输线的什么关系?
第二篇:波导波长的测量
波导波长的测量
一.实验目的:
测量波导管内的电磁波波长
二.实验内容:
方法 : 两点法
实验原理如下图所示:
按上图连接测量系统,可变电抗可以采用短路片。
当矩形波导(单模传输TE10模)终端(Z=0)短路时,将形成驻波状态。波导内部电场强度(参见图三之坐标系)表达式为:
在波导宽面中线沿轴线方向开缝的剖面上,电场强度的幅度分布如图三所示。
将探针由缝中插入波导并沿轴向移动,即可检测电场强度的幅度沿轴线方向的分布状态(如波节点和波腹点的位置等)。
两点法确定波节点位置
将测量线终端短路后,波导内形成驻波状态。调探针位置旋钮至电压波节点处,选频放大器电流表表头指示值为零,测得两个相邻的电压波节点位置(读得对应的游标卡尺上的刻度值和),就可求得波导波长为:
由于在电压波节点附近,电场(及对应的晶体检波电流)非常小,导致测量线探针移动“足够长”的距离,选频放大器表头指针都在零处“不动”(实际上是眼睛未察觉出指针有微小移动或指针因惰性未移动),因而很难准确确定电压波节点位置,具体测法如下:
把小探针位置调至电压波节点附近,尽量加大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(即小探针位置稍有变化,选频放大器表头指示值就有明显变化)。记取同一电压波节点两侧电流值相同时小探针所处的两个不同位置,则其平均值即为理论节点位置:
最后可得(参见图四)
在不同的频率值下测量多组数据求平均值以减小误差。
三.实验步骤:
(1)、按照图示连接好测量系统
(2)、利用两点法测量,将波导测量线终端短路,调测量放大器的衰减量和可变衰减器使当探针位于波腹时,放大器指示电表接近满格,用公式两点法测量波导波长
四.实验数据记录:
五.数据分析:
当频率为10.2GHz时,波导波长为= =35.31mm
当频率为9.6GHz时,波导波长为=
=42.41mm