微波技术实验报告——光的偏振

摘要：由于微波是频率非常高的电磁波，具有一些与光波类似的性质。因此，用微波研究光学现象有很多优点。本实验就是利用3cm固体信号发生器产生波长约3cm的微波，来验证（定性）电磁波的一些特性和规律，例如,反射特性、干涉特性、衍射特性、偏振特性，以及晶体对电磁波的衍射特性等。本实验将重点讲解光的偏振性，并对微波的产生、传播和检测的知识与技术有所了解。

关键字：微波  电磁波  偏振

实验目的

（1）用微波验证（定性）电磁波的特性与规律：偏振特性。

（2）分析实验数据，做出图像。

（3）与理论图像进行比较，分析误差原因。

实验原理

（1）光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度E称为光矢量。在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定的振动方向上的状态称为偏振态。如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面称为振动面（见图一）。此时此时光矢量在垂直与传播方向平面上的投影为一条直线，故又称为线偏振态。

（2）微波是波长介于1m和1mm的电磁波，它具有电磁波的特性，即能够产生反射、折射、干涉、衍射等现象。用微波和用光波做波动实验所说明的波动现象及其规律是一致的，由于微波的波长比光波的波长在量级上差一万倍左右，因此用微波做波动实验比用光波做波动实验更直观和方便。

（3）虽然普通光源发出自然光，但是在自然界中存在各种偏振光，目前使用最广泛的偏振光的器件为人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光（有些各向同性介质，在某些作用下会呈现各向异性，能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量，而通过其垂直分量，从而使入射的自然光变为偏振光介质的这种特性称为二向色性。）。偏振器件可以用来使入射的自然光变为平面偏振光——起偏，也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光——检偏、用作起偏的偏振片叫做起偏器，用作检偏的偏振片叫做检偏器。实际上，两者为通用的。

（4）若两偏振片的透振方向之间的夹角为，透过起偏器的线偏振光振幅为，则透过检偏器的线偏振光的振幅为， ，强度，，其中为进入检偏器前（检偏器无吸收时）线偏振光的强度。称为马吕斯定律。显然，以光线传播方向为轴，转动检偏器时，透射光强将发生周期性变化。

（5）在本实验中，微波在自由传播时为横电磁波，它的电场强度矢量E与磁场强度矢量H与波的传播方向S垂直，它们的振动面的方向总是保持不变，三者满足右手螺旋定则：E×H=S。如果E在垂直于传播方向平面内沿一条固定的直线变化，称为线极化波，也称为偏振波。在矩形波导中传播的微波为波，它是竖直偏振的，如果接收端波导的放置状态与发射端一致，则接收端能接受到微波，其强度为，如果接收端波导相对于发射端波导沿中心轴线旋转一个角度，则只有垂直于波导宽面的微波分量在波导中存在，平行于宽面的分量被衰减掉。在整个过程中检测到的微波强度为，即马吕斯（Malus）定律。

图一

实验装置

微波分光仪，由微博发生、变换、接受和检测等部分组成（见图二）。稳压电源、体效应管和微波谐振腔共同组成了“微波固体源”，所产生的微波经过耦合孔进入波导管，波导管为矩形波导管，它能在来自谐振腔的微波中选出波，该波形的电场分量为竖直的，由天线发出去，天线的方向增益约20dB，在波导管中有衰减器，可以控制微波的输出强度（功率），微波的发射固定在一个固定的金属臂上，该金属臂能绕放置分波元件的度盘旋转，其旋转角度能从度盘上读出。在接收端的波导中有垂直于宽面放置的检波二极管，能接收到的微波信号变成直流或低频信号输出，与之连接的微安表可以检测到该电流，且该电流与接收到的微波强度成正比。

图二

实验内容

做偏振实验不需要在度盘上放置任何分波元件，将两个喇叭口面互相平行，其轴线在一条直线上。接收喇叭可绕其轴线旋转，每旋转一个角度，测量接受到的微波强度。利用角度和强度数据，验证马吕斯定律。

实验数据

我们测得原始数据：

（注：度数单位为度，示数单位为毫安）

根据数据画出图像：

（注：红色曲线为理论曲线）

数据分析

（1）观察我们所得出的曲线与理论曲线的大致走向相同，我们认为验证了马吕斯定律。

（2）观察到与理论曲线有一定的偏差，分析原因。

误差分析

（1）波导中传播的电磁波为线偏振波。

（2）周围环境中电磁波对其产生干扰。

参考文献

大华无线电仪器厂.1998.微波分光仪说明书

高铁军，朱俊孔.2000.近代物理实验.济南：山东大学出版社

第二篇：微波技术实验报告

微波技术实验报告

姓名：徐寿俊

学院：电光学院

班级：09042102

学号：0904210252

二〇##年六月

实验一 传输线的工作状态及驻波比测量

                                                                     

1．   实验目的

了解无耗传输线（矩形波导）在终端接不同负载时的工作状态。

2．   实验内容

a)        测量传输线终端接不同负载时传输线中的电场幅度沿传播方向的分布，判定传输线的工作状态

b)        求出波导波长和驻波比

3．   实验原理

a)      所使用的实验仪器及元器件

      信号源

      同轴-波导变换

      铁氧体隔离器

      频率计

      衰减器

      波导测量线

      选频放大器

      负载（短路负载，开路负载，匹配负载和任意负载）

b)      原理

传输线的工作状态（电场幅度分布）

在无耗传输线的终端连接不同的负载时，传输线将呈现不同的工作状态。当终端接与传输线特性阻抗相等的匹配负载时，只有入射波，没有反射波，传输线工作在行波状态。行波状态下传输线上的电压（电流）幅度沿传输方向的分布如图1所示。

        

图1 传输线行波状态电压（电流）幅度沿传播方向的分布

当终端接与短路，开路或纯电抗负载时，终端将发生全反射，传输线工作在纯驻波状态。纯驻波状态下传输线上的电压（电流）幅度沿传输方向的分布如图2所示（以终端短路为例）。

图2 传输线纯驻波状态（终端短路）电压（电流）幅度沿传播方向的分布

测量传输线的工作状态（电场分布）是采用测量线技术。测量线的主体是一段在波导宽边中间开槽的矩形波导，有一根探针通过波导的槽缝伸进波导内，并可以沿传输线移动。当探针位于某一个位置时，与所在位置的电场发生耦合，在探针上产生感应电动势，由检波二极管转换为检波电流，并通过选频放大器指示出来。当探针沿波导移动时，放大器读数就间接地反映了波导内电场大小的分布。将探针位置D与检波电流I的测量值绘制成曲线，即为传输线上的电场幅度分布曲线，由此也就知道了传输线的工作状态。

两个相邻波节点的间距等于，因此有测出的波节点的位置可以求得矩形波导的波导波长lg。

电压驻波比计算

电压驻波比描述了负载的匹配特性，是反映传输线上不匹配情况的量，驻波比的定义为：

           (1)

即传输线中的电场幅度的最大值与最小值之比。因为测得的是检波电流，而检波电流与电场的关系是，n为检波二极管的检波律。在实验中一般为小信号检波，可以取n=2，即平方律检波，则上式（1）可表示为

          (2)

式中和分别为波腹点和波节点的检波电流值。

4. 实验步骤和结果

实验所用原理框图如图3所示。

图3 实验框图

首先将测量线终端接短路负载，这时在传输线上形成全驻波，然后将探针移到测量线左端的一个波节点，记下探针位置D（mm）和检波电流I（）值，以后每向右移动探针2mm，记录一个D和I值，直到测出三个完整的驻波，即出现四次波节点。再将其分布用曲线表示出来。

记录结果如下图：

将测量线终端分别换接匹配负载（行波状态）和开口波导（行驻波状态），同样用上述方法进行测量，得到结果如下：

匹配负载：

开口波导：

测量传输线终端为开口波导时的和值，用式（2）计算驻波比如下：

5． 数据分析

由测试数据求得矩形波导的波导波长，并与理论计算结果比较如下：

6．安全说明

   在本实验室中所使用的微波源都在国际安全标准以内（10mW/cm²），不会对人体造成任何伤害。但是，在实验期间，请注意以下事项:

a)        不要用眼睛往任何连接其他设备的开路传输线里面看;

b)        不要把身体的任何部位放在传输线的开口端;

c)        在拆/装微波元器件时，请关掉微波信号源。

7．思考题

a. 波导测量线上的槽缝为何开在波导宽边的中间？

b. 信号源为何选用方波调制？

c. 测量线的探针插入波导太深是否会影响测试结果？

d. 为什么所测开口波导的驻波比不是无穷大？如何实现波导的理想开路？

实验二   微波网络散射参量测试

1．   实验目的

    通过用矢量网络分析仪测量负载的阻抗、回波损耗、驻波，以及同轴可变衰减器的插入损耗，掌握矢量网络分析仪的基本使用方法，加深对网络散射参量的认识和理解。

2．   实验内容

（1）                测量负载的阻抗、回波损耗及驻波

（2）                测量同轴可变衰减器的插入损耗

3．   实验原理

a)      所使用的实验仪器及元器件

矢量网络分析仪PNA3623（扫频范围：30-3200MHz,双测试通道）

3dB电桥

10dB衰减器

同轴可变衰减器（待测件）

   

    b)原理

众所周知，微波元器件的作用是用来控制电磁波的振幅，相位等的变化，这些变化可以用输入驻波比，回波损耗，插入损耗等外部特性参量来描述。而外部特性参量又可以用微波网络参量来表示。因此，首先用矢量网络分析仪测量待测元器件的散射参量，然后得到反映元器件特性的外部特性参量。

图1所示为微波二端口网络的示意图。

图1 微波二端口网络示意图

散射参量S的定义为：

                             (1)

散射参量矩阵[S]中各元素的意义分别为：

S₁₁：当输出端接匹配负载时，输入端口的电压反射系数；

S₂₂：当输入端接匹配负载时，输出端口的电压反射系数；

S₁₂：当输入端接匹配负载时，输出端口到输入端口的电压传输系数；

S₂₁：当输出端接匹配负载时，输入端口到输出端口的电压传输系数。

因此网络输入端电压反射系数的模，故输入驻波比为：

                                 （2）

回波损耗(return loss)L_r：回波损耗用来描述反射系数的幅度,有时又称为失配损耗。它与负载反射系数大小有关,其绝对值越大，则表明负载匹配越好，反射越小。引入回波损耗以后，反射系数的大小就可用dB形式来表示。

                (3)

插入损耗 (Insertion loss)IL：插入损耗定义为网络输出端接匹配负载时，网络输入端入射波功率Pi与负载吸收功率PL之比，即：

                             (4)

用分贝表示，为：

                                   (5)

4．   实验步骤和结果

（1）测量负载的阻抗、回波损耗及驻波

a)      开机（按照说明书要求），把频率范围设为1.8GHz～3.2GHz。

设定BF：1516.2MHz; △F：22.6MHz; EF：3188.6MHz; N=75。

b)      按图2 所示把电桥连接好，并选择测试B端口回损。

图2负载反射特性测试框图

c)      开路校准：把开路器接上，按 [执行], 光标在Smith圆图上右端闪烁。

      短路校准：把短路器接上，按 [执行], 光标在Smith圆图上左端闪烁。

d)      测负载：接上待测负载（有匹配和适配两种），可用Smith圆图看出变化趋势。

e)      测回波损耗和驻波

测回波损耗按 [菜单] 选择“对数”，再按 [执行]，即可出现回波损耗曲线；测驻波按 [菜单]，把光标移到 [驻波]，按 [执行] 即可，有四档可选读数范围。读出数据, 列表并画图如下：

50Ω匹配负载：

50Ω失配负载：

（2）测量同轴可变衰减器的插入损耗

a) 按图3所示连接好。

图3 待测器件连接框图

    b) 在主菜单上按“  ”键光标移到《测：A、B》下，按[→]或[←]键使A为《插损》，B下为空白。

c)直通校准

按“↓”使光标停在《校：直通》下，按“执行”键，此时为直通状态，测试系统（如电缆，10dB的衰减器）的插入损耗即归零，系统转入测试状态。

d)测同轴可变衰减器的插入损耗

将待测试的同轴可变衰减器接到两电缆之间，按“主菜单”，用“  ”键把光标移到“对数”，按“执行”即可出现插入损耗曲线，读出数据，列表并画图如下：

5．安全说明

详见实验一

6．思考题

a. 实验前为什么要进行校准？

b. 经过校准后在测试端口接上匹配和短路负载，史密斯圆图上的光标应落在何处？

c. 参考面移动对测试结果是否有影响？