微波技术及线路
实验指导书
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班级：
学号：
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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。
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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。
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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
??EmaxEmin
1． 直接法 （2.1）
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 4
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） ??/U
max
min
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。
??
Umax1?Umax2???Umaxn
（2.3）
Umin1?Umin2???Uminn
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
匹配负载
是失配负载
5
短路板
纯阻抗
单螺匹配器
五、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？
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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?lmin与负载阻抗的关系： ??1?jtan?lminZL??jtanlmin
(3.1)
图3.1 电压与相位的关系
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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。
? lmin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?g及距离lmin，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dT，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dT左边(向波源方向)的相邻驻波节点位置dmin即为终端相邻驻波节点的等效位置。所以
lmin?ldmin?dT? (3.2)
由公式 ZL?1?j?tan?lmin (3.3) ??jtan?lmin
可以计算待测元件的输入阻抗ZL，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。
?
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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?g并确定位于测量线中间的一个波节
点位置dT，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dT，左边相邻驻波
节点的位置dmin，计算lmin?ldmin?dT，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?，lmin ，?g，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。
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表3.1 数据记录表
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、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？
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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
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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
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
1?g?L?L221，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
1?g?L?L221，即可求得波导波长λg。
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表4.2 相邻腹点位置数据表
短路板
匹配负载
失配负载
纯阻抗
单螺匹配器
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。
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第二篇：微波基本参数测量实验报告
微波基本参数测量实验报告
吴伟岑 09180233
摘要：
微波是一种波长较短的电磁波。在电磁波波谱表中，微波的波长介于无线电波与光波之间。波长较长的分米波和无线电波的性能相近，波长较短的毫米波则与光波的性质相一致。本实验有以下目的：(1)了解微波传输系统的组成部分；(2)掌握微波的基本测量：频率、功率、驻波比和波导波长。
关键词：
微波、功率、驻波比、频率、特性阻抗、波长、可变衰减器
引言：
微波通常是指波长从1m(300MHZ)~1mm(300GHZ)范围内的电磁波，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，可划分为分米波，厘米波和毫米波。微波有以下基本特征：
(1)微波的波长极短，比地球上一些物体的几何尺寸小得多，因此当微波照射到这些物体上时，产生显著的反射，其传播特性与几何光学相似，具有“似光性”直线传播的特点；
(2)微波的频率极高，即振荡周期极短(10?9s~10?12s)，与一般电真空器械中的电子渡越时间同一数量级；
(3)微波可以毫无阻碍地穿过电离层，具有穿透性；
(4)许多的原子和分子发射和吸收原子电磁波波长正好处于微波波段内；
(5)研究方法和测量技术上，要从“电磁场”的概念去研究和分析，测量功率、驻波比、频率和特性阻抗等。近年来，微波边缘学科，如微波超导、微波化学、微波生物学、微波医学都得到长足的发展。
正文：
1 实验原理
1.1 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。 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。
1.2 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。
1.3 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。
1.4 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。
2 实验器材
2.1 常用波导元件
(1)衰减器
衰减器是一段波导，在垂直波导宽边并沿纵向插入吸收片，使波的损耗达到衰减，可调节吸收片进入波导的深度以改变衰减量。
(2)匹配负载
匹配负载一般做成波导段的形式，终端短路，并包含有一些安置在电场平面内的吸收片，吸收片做成特殊的劈形以实现与波导间的缓变过度匹配。
(3)隔离器
是一种氧体非互易元件，具有单向衰减特性，即波从正面通过，衰减极小，而反面通过时衰减极大，常用于振荡器与负载之间，起隔离作用，使振荡器工作稳定。
(4)可变短路器
可变短路器是由短路活塞与传动读数装置构成的，是一个可变电抗。
(5)环形器
环形器是一种具有非互易性的分支传输系统。Y型环形器是常用的一种，在其中心“截区”置有一块横向磁化的铁氧体，保证功率的单向循环流通。
2.2 固态信号源
固态信号源产生微波信号输出，实现内方波周制，由体效应管振荡器、可变衰成器、
PIN调制器等元件构成。在使用过程中注意体效应管电压。
2.3 选频放大器
主要用于放大微弱低频交流信号，配合微波测量线用于交流信号驻波比测量。
2.4 驻波测量线
驻波测量线是由一段开有长槽的波导和可沿线移动的带有晶体检波器的探针和调谐机构组成，探针从槽中深入波导，从中拾取微波功率，同时测量电场幅值沿线分布。
2.5 功率计
由功率探头和指示器两部分组成。功率探头注意使用时不能超过额定功率，否则会损坏探头。
3 实验内容和步骤
3.1 实验内容
(1)使用波导和相应的元件完成微波基本参数的测量，即频率、功率和驻波比。
3.2 实验步骤
(1)准备工作
根据讲义中介绍的常用微波器件和实验室提供的仪器使用说明书，掌握它们的工作原理及使用方法。开启反射速调管微波源电源开关。将微安表接在测量线输出端，适当选择微安表量程和可变衰减器位置，使测量线调在驻波波腹时，微安表能指示到表盘中以上的读数。
(2)频率测量
连接微波系统，将检波器及检波指示器接到被测件位置，利用波长表可以测出微波信号源的频率，旋转波长表的测微头，当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰，反映在检波器上的指示是一跌落点，读出测量头读数，查出对应频率。
(3)功率测量
传输线路终端接入探头和功率计，并选择合适的量程，功率计调零后把波导开关旋至检波器上，读出功率读数。
(4)微波驻波比测量
驻波比依据不同的负载，结合大，中，小驻波比，分别使用二倍最小功率法，直接测量和平均测量法测量。
a.小驻波比测量
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?max；
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?min，根据
?=√maxmin
算出驻波比。
b.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?1、?2、?3、?4； ④由波导波长
?g=?2??1 其中
1
?1=(?1+?2)
1
?2=(?3+?4)
算出波导波长。
⑤由大驻波比的计算公式
?g 将上述测得的值代入可以算出大驻波比值。
?=
4 实验数据
本实验采用的信号源参数： 频率：9.060GHz 电压：12.27v 电流：402mA
4.1频率测量
调节谐振腔读出谐振腔标尺数据为7.10mm，查得对应的频率是9075MHz。
4.2 功率测量
检波器度数：6.50w
4.3 驻波比测量
4.3.1 小、中驻波比测量
4.3.2 大驻波比测量
计算得驻波比?=50.17。
计算得驻波比?=164.26。