（实验报告）

微波基本参量测量

【摘要】

微波技术是一门独特的现代科学技术，我们应掌握它的基本知识和测量的方法。对微波测试系统的工作原理的分析研究与基本参量的测量，能使我们掌握微波的基本知识，了解其传播的特点，并且我们还能学会对功率、驻波比和频率等量的测量方法。另外，在实验过程中我们还能熟悉功率计等实验器材的工作原理和物理学中对有关物理量的测量的思想方法。

【关键词】

微波、功率、驻波比、频率、测量

【引言】

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、毫米波和亚毫米波的统称。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。而对金属类东西，则会反射微波。微波的特点有以下几点：

第一.微波波长很短。具有直线传播的性质，能在微波波段制成方向性极强的无线系统，也可以接收到地面和宇宙空间各种物体发射回来的微弱回波，从而确定物体的方向和距离。这使微波技术广泛的应用于雷达中。

第二.微波的频率很高 ，电磁振荡周期很短。比电子管中电子在电极经历的时间还要小。普通电子管不能用作微波振荡器、放大器和检波器，而必须用原理上完全不同的微波电子管来代替。

第三.许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长正好处在微波波内。用这特点研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子无线电物理学等尖端学科, 还研制了低噪音的量子放大器和极为准确的分子钟与原子钟。

第四.微波可以畅通无阻的穿过地球上空的电离层。微波波段为宇宙通讯、导航、定位及射电天文学的研究和发展提供了广阔的前景。

【正文】

本实验中，我们首先要引入两个基本概念：反射系数与驻波比。反射系数的定义：波导出某横截面出的电场反射波与入射波的复数比。

驻波比的定义：波导中驻波电场最大值与驻波最小值之比。

其次，我们需要对一些新的实验仪器做大概的了解。（1）衰减器：把一片能吸收微波能量的介质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，使输入电磁波得到不同程度的衰减。在本实验中，我们只需调节衰减器侧面上的螺旋测微器来改变衰减程度。（2）驻波测量线：测量微波传输系统中电场的强弱布的精密仪器。在波导中的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。探针可沿波导移动，则输出信号显示出波导中电场沿传播方向的变化。在本实验中，我们把探针连接到选频放大器上，测量电流量。（3）选频放大器：用于测量微弱低频信号，配合微波测量线测量驻波系数，配合微波检波器进行衰减测量等。信号经升压、放大，选出1KHz附近的信号，经整流平滑后由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。在本实验中，我们使用选频放大器对电流进行测量。（4）微波源：DH1121A型三厘米固态信号源由体效应管振荡器、可变衰减器、PIN调制器、隔离器、调制电路及电源组成，它提供所需微波信号，频率范围在8.6-9.6GHz。

接下去，我们就要对微波的驻波比、功率和频率进行测量。

【1】驻波比的测量。其原理为：探针在开槽传输线中移动，将一小部分功率耦合出来，经过体二极管检波后由指示器指示，从而看出开槽线中电场的分布情况。当检波金属满足平方律时，我们只需用选频放大器测量电流即可。驻波比的测量分为三种情况（1）小驻波比            的测量。小驻波比情况下，驻波波腹和波节都不尖锐，要多测几个波腹和波节，按下式计算平均值：

（2）中驻波比                    的测量。只需测一个驻波波腹和一个驻波波节，按下式计算：

（3）大驻波比       的测量。大驻波比情况下，波腹振幅与波节振幅的差别很大，测量线不能同时测量波节，因此必须采用别的测量方法----二倍极小功率法。使用平方律的检波晶体管，利用探针测量极小点两旁功率为极小点功率二倍的两点的距离W，以及波导波长    ，按下式计算驻波比：

由以上分析可知，对大驻波比的测量，就是测量两个物理量W和波长。首先，我们来具体分析一下波长的测量方法。

             

在测量时，如果极小点不太容易找出时，可在它附近测两点的距离坐标，此二点在指示器上的指示相等，然后取这两点坐标的平均值。即：

                      。波导波长由两个临近极小点的距离决定。

 

在本实验中，我们选取的左右两点应接近于波节处，这样它们之间的差值就比较大，误差相对较小。

其次，我们来看一下W的测量方法。通过调节探针的位置，观察选频放大器上的读数变化。在调节到选频放大器上的读数接近最小值时，转换量程开关，使读数放大十倍。细调探针位置，确定最小值示数，继续调节探针位置，使选频放大器示数为最小值的两倍，在小刻度盘上读出这两点的距离。

【2】功率的测量。在本实验中，我们采用绝对功率测量方法，由功率计上读出的示数即为绝对功率。功率计测量功率的基本原理是利用微波对热电偶进行加热，热电偶将温度的变化转化成电压来变现出来，再将此电压通到放大器上，通过放大在仪器上显示出来，再经过曲线的拟合等工作后，仪器上所显示的数值即为功率的数值。通过调节精密衰减器的衰减量，功率计上的读数会跟着发生变化，感受一下读数的变化情况即可。

【3】频率的测量。在本实验中，我们对微波频率的测量采用谐振法，谐振波长计与微波系统的连接采用吸收型（最小读数法）。

调节波长表上的螺旋测微器旋钮，观察指示器上的读数情况。在波长表调节到某一值时，指示器上的读数发生突变，记录下此时波长表上的读数值。对照实验说明书上的表格，找出该读数所对应的频率值，即为我们要求的频率，对比信号源上的示数值。

    按照以上的实验步骤和要求，测量得到实验数据如下所示：

小驻波比测得的三个极大值为25.5  24.5  24.8 ；三个极小值为19.5  19.0  18.3 。按上述公式计算出小驻波比为1.128。

中驻波比测得的一组数据为：极大值57.5，极小值1.3。按上述公式计算出中驻波比为6.65。

大驻波比测得的X2’=126.1mm，X2’’=122.5mm，X1’=100.8mm，X1’’=97.3mm。计算得         。测得，，。根据上述公式，求得大驻波比为16。

功率测量数据从略。

频率测量中，从波长表上读出的读数为9.685mm，对照表格找出的频率值为8860MHz，信号源上的示数为8.858GHz。

第二篇：微波基本参数的测量

微波基本参数的测量实验报告

微波基本参数的测量

物理071班 陈文龙 07180118

【摘要】微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，其低频端与超短波波段相衔接，高频端与远红外相邻，由于它比一般无线电波的波长要短的多，故把这一波段的无线电波称为微波。通过该实验，了解微波传输系统的原理及组成，掌握微波的基本测量方法，包括频率、功率、驻波比和波导波长等，以达到更进一步的掌握微波的基本信息的目的。

【关键词】微波、波长表、频率、功率、驻波比、阻抗

【引言】

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，微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。

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，若干形式的微波电子管(速调管、磁控管、行波管等)的发明，是另一标志。

在第二次世界大战中，微波技术得到飞跃发展。因战争需要，微波研究的焦点集中在雷达方面，由此而带动了微波元件和器件、高功率微波管、微波电路和微波测量等技术的研究和发展。至今，微波技术已成为一门无论在理论和技术上都相当成熟的学科，又是不断向纵深发展的学科。

【实验设计】

一、实验原理

1、微波

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。

2、微波的似声似光性

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。

3、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。

微波基本参数的测量实验报告

4、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。

5、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。

二、实验过程

1、实验准备

仔细阅读实验讲义和实验室提供的仪器说明书，明确实验中的注意事项，初步掌握仪器的工作原理和使用方法；

2、频率测量

①按微波信号源→隔离器→可变衰减器→波长表→测量线→可变电抗的顺序连接好微波系统，将检波器及检波指示器接到被测件位置；

②旋转波长表上的测微头，边旋转边观察检波指示器上的指针偏转情况。当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰，反映在检波指示器上的是一跌落点，微调螺旋测微头，当指针偏转最小时，读出测量头读数，查出相对应的频率。

3、功率测量

①将传输线路终端接入功率探头探头和功率表，并选择合适的量程，在无信号时对功率计调零（注意换挡调零）；

②把波导开关旋转至功率探头一边，发现功率表上有读数出现，读出功率读数并记录。

4、波长测量

换下检波器，接短路板，调节测微探头，记录与波幅、波节相对应的测量线上的读数L1、L2调节测量线，λ=2（L2-L1）。

5、驻波比的测量

⑴小驻波比的测量

①调节选频放大器上的调零旋钮，使指针指示为零；

②接入被测信号，调整“频率”旋钮，必要时可以换挡，直到仪器读数最大；

③沿测量线移动探针使仪器得到最大指示值时，即波腹点位置，读出此时表头读数UMAX； ④沿测量线移动探针使仪器得到最小指示值，即波谷点位置，读出此时表头读数UMIN，根据

1/2 ρ=（UMAX/UMIN ），算出驻波比。

微波基本参数的测量实验报告

⑵大驻波比的测量

①调节测量线，直到在选频放大器上指针偏转最小，然后向左和向右调节测量线指针，使选频放大器读数显示为最小值的两倍，记下测量线移动的距离d；

②将测量线调节至最左端，然后在选频放大器上选择一个合适的读数值，使测量线依次从左到右移动；

③记下每次使选频放大器读数相同时的测量线位置X1、X2、X3、X4；

④由波导波长1/2λg=L2-L1（其中L1=1/2（X1+X2），L2=1/2(X3+X4)）算出波导波长； ⑤由大驻波比的计算公式ρ=λg/πd，将上述测得的值代入可以算出大驻波比。

三、数据记录及处理

1、频率测量

由波长表读数得6.735mm，查找对应的频率为9164MHz。

2、功率测量

在功率表上直接读数得微波的功率为0.42mW。

3、小驻波比测量

UMIN1为52.0微伏，UMAX1为57.4微伏，UMIN1为51.8微伏，UMAX2为57.4微伏

求平均可以得UMIN为51.9微伏，UMAX为57.4微伏，由ρ=（UMAX/UMIN ）1/2算得驻波比为1.0517

4、大驻波比测量

d=0.420mm，X1=100.107mm，X2=123.083mm，X3=123.792mm，X4=146.465mm，

那么L1=1/2（X1+X2）=111.595mm，L2=1/2(X3+X4)=135.285mm

由此得λg =2（L2-L1）=47.38mm，而ρ=λg/πd=36.39

【总结】

通过这次实验，我学会了微波的基本参数的测量方法，了解了波长表、功率探头等一系列仪器的原理及组成，同时对微波的一些特性也有了更深入的理解。

在实验中，虽然遇到了这样那样的问题，但是在老师的帮助和自己的努力下，都得到了妥善地解决。对于实验的结果和完成情况，自己还是比较满意的。不足的可能是实验预习准备的还是不够充分，同时实验完成的时间也相对比较长，效率不是特别高，但是值得庆幸的是毕竟能够独立的完成整个实验，并且完成的比较好。

这次实验的完成，为我在日后的学习和生活中完成类似的实验奠定了基础。在以后的近代实验中，我一定会在实验预习方面投入更多的精力，了解更多的相关方面的知识，为很好的完成整个实验打下扎实的基础。

【参考文献】

[1]近代物理实验讲义.[J] 浙江师范大学数理信息学院近代物理实验室.20xx年9月9日

[2]张天喆、董有尔.近代物理实验.[J]科技出版社.20xx年1月

思考题：影响波长表（即谐振腔）的精度的因素有哪些？如何提高其精度？

对于谐振腔而言，其品质因数Q的高低直接决定着谐振腔效率的高低。从Q能知道在电磁振荡过程中有多少能量损耗。

由Q=2V/δS（其中δ为电磁场在谐振腔内壁的集映深度，V为空腔体积，S为内壁表面积）可知，影响谐振腔的精度主要：

1、谐振腔的形状，其形状决定了空腔的体积和内壁表面积的大小；

2、所需要测量的微波的频率，为了引起谐振，必须改变谐振腔的尺寸，那么就和1中效果一样了；

3、 微波的趋肤效应的影响；

微波基本参数的测量实验报告

4、 腔内介质的影响，主要是其具有一定的导电性；

5、 谐振腔的材质所造成的影响，其影响大小主要决定于材质的相对磁导率。

由上面可以知道，由于我们需要测量未知微波的频率，必须使谐振腔的尺寸可以改变（即体积和内壁表面积可以改变），那么我们只能从4、5两点着手来提高谐振腔的品质因数：

1、 由于整个谐振腔是密封的，那么可以在制作时在其空腔内充入导电性较差的气体

介质；

2、在介质损耗相同的情况下，谐振腔的品质因数随相对磁导率呈增加趋势，且介质损耗越小，增加趋势越明显，故可以选择相对磁导率高的金属材料来做谐振腔。