微波技术实验指导书
内蒙古工业大学信息工程学院电子系
20##年8月
目录
实验一、传输线调试及参数测试.......................................... - 2 -
实验二、衰减的测量............................................................ - 13 -
实验三、阻抗匹配网络的设计............................................ - 17 -
实验要求
一、预习要求：实验前必须充分预习，完成指定的预习任务。
1. 认真阅读实验指导书，分析、掌握实验电路的工作原理，并进行必要的计算。
2. 复习实验中所用各仪器的使用方法及注意事项。
3. 熟悉实验任务，完成各实验“预习要求”中指定的内容，写好预习报告。
二、 实验要求：
1. 使用仪器前必须了解其性能、操作方法及注意事项，在使用时应严格遵守。
2. 实验时应注意观察，若发现有破坏性异常现象(例如有元件冒烟、发烫或有异味)应立即关断电源，保持现场，报告指导教师。找出原因、排除故障后，经指导教师同意再继续实验。
3. 在进行微波测试时，终端尽量不要开口，以防止微波能量泄露。
4. 实验过程中应仔细观察实验现象，认真纪录实验结果(数据、波形、现象)。所纪录的实验结果经指导教师审阅签字后再拆除实验线路。
5. 实验结束后，必须关断电源，并将仪器、设备、工具等按规定整理。
6. 实验后每个同学必须按要求独立完成实验报告并按时上交。
实验一、传输线调试与参数测试
一、 实验目的
1．学会使用基本微波器件。
2．了解微波振荡源的基本工作特性和微波的传输特性。
3．学习利用吸收式测量频率和波长的方法；
4．掌握用测量线来测量波长和频率的方法；
5．学会测量线的定标；
6．掌握常用的大、中、小电压驻波比的测量方法，以及如何精确测量。
二、 实验原理
1．微波的传输特性
为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响，采用标准矩形波导管为微波传输线，并用TE10波型。
波导管具有三种工作状态：①当终端接“匹配负载”时，反射波不存在，波导中呈行波状态；②当终端接“短路片”、开路或接纯电抗性负载时，终端全反射，波导中呈纯驻波状态；③一般情况下，终端是部分反射，波导中传输的既不是行波，也不是纯驻波，而是呈行驻波状态。
2．微波频率的测量
用吸收式频率计PX16(直读式)，测量范围8.2GHZ-12.4GHZ，误差≤±0.3%，当传输线中相当一部分功率进入频率计谐振腔内，而另一部分从耦合元件处反射回去。当调节频率计，使其自身空腔的固有频率与微波信号频率相同时产生谐振，用选频放大器测量，信号源须用内方波，重复频率为1KHZ左右，谐振时可从选放上观察到信号幅度明显减少，以减幅最大位置为判断频率测量值的论据。
3．微波功率的测量
用GX2C小功率计配小功率探头直接测量连续或脉冲调制的射频平均功率。GX2C属于热电偶型，热电偶膜片既是传输线终端负载电阻，又见电磁场能→热能→直流电动势的转换器件。
4．波导波长λg 的测量
λg在数值上为相邻两个驻波极值点（波腹或波节）距离的两倍，常采用测定驻波极小点的位置来求出λg 。
（1）用平均值法。找出两个相邻最小点的位置 
D1和D2，移动探针在驻波最小点D1左右找出两个具有相同幅度（由选频放大器读出）的位置d1和d2，同样找出D2点左右的 d3和d4，则
D1 、D2的位置在测量线上通过
标尺读出。
（2）用可变短路器。首先找出第一点最大点D1时，将选频放大器增益放大，来回转动可变短路器，记下最小点时可变短路器上的刻度位置X1，然后改变可变短路器，找出另一个相邻最小点D2，再记下可变短路器上刻度位置X2，则
，通过测出λg,可计算出频率和自由空间波长，有一一对应的关系。
5.驻波比的测量
驻波比的测量是微波测量中最基本、最重要的内容之一。
电压驻波比（简称驻波比）定义是：传输线中电场最大值与最小值之比，即：
式中
为电场的归一化值（相对场强）。
（1）直接法
直接法测量传输线驻波的波幅点与波节点场强，由定义求得驻波比的方法称为直接法。该方法适用于测量中、小驻波比（即S<6）。
如果测得驻波波幅点与波节点的指示器读数分别为
与
，根据晶体定标曲线可读得相应的
与
，则驻波比S为：
（1-1）
在实验中所使用的功率电平范围内，一般可近似地认为是平方律检波，即：
， 
式中C为比例系数，则：
，
则 
（1-2）
（2）等指示度法
等指示度法是在驻波波节点附近测量数据，再根据驻波分布规律求其驻波比。
由长线理论可知，合成波波节点处相对场强可表示为：
则 
从波节点向两侧移动探针，使指示器读数均为波节点指示器读数的K倍，等指示度（KImin）的宽度为W。KImin对应处的相对场强为：
由于
则
（1-3）
若K=2，且n=2（平方律检波），则：
（1-4）
当S>10时，
很小，上式可简化为：
（K=2，n=2）
（3）功率衰减法
功率衰减法测量驻波比是一种简便而准确的方法，它的测量精确度主要决定于标准可变衰减器的校准误差和测量线路的失配误差，而与晶体检波律无关，它可测量任意驻波比。
功率衰减法是利用标准可变衰减器改变入射波振幅（或功率），使检波指示不变来测量驻波波幅点与波节点的电平差，由电平值（分贝值）来计算驻波比。
设信号源送入可变衰减器的入射波为
，通过波为
，由被测元件产生的反射波为
，第一次在测量线内合成波波节点处有：
改变可变衰减器，使指示器得到一个明确而便利的读数，衰减器的衰减量为Amin，可见：
再把探针移到波幅点，同时加大衰减器的衰减量，使该点处的合成波
与
相等，即
，也即保持两次指示器读数不变，此时衰减量为Amax，同理：
则：
因此 
（1-5）
三、 实验装置
YM1123标准信号发生器，GX2B小功率计，YM3892选频放大器，TC2b波导型测量线，（TS7厘米波导精密衰减器，PX16直读式频率计），BD-20A三厘米波导系统，探头若干。
四、 实验内容与步骤
1．
熟悉有关仪器的基本原理和使用方法，连接好仪器。连接线路如图1-1所示：
2．打开标准信号发生器的电源，电流调零，输出功率调到中档，输出频率调到10GHZ。信号工作方式置于“内方波”，重复频率用“X10档”1KHZ左右。
3．将选频放大器衰减档置于40dB档位，输入阻抗置200Ω，通频带置于32HZ。
4．将选频放大器接到晶体检波器输出端，缓慢旋转频率计在10GHZ左右，当输出幅度降低达到最低的时候，谐振腔（频率计）处于谐振状态，此时频率计的读数就是信号源的输出频率f。
5．当频率计不处于谐振状态时，将选频放大器接到TC2b测量线上，测量端口接上可变短路器，缓慢移动测量探针，测出相邻两个极值点附近的两点坐标，测两组数据；再用平均值方法，计算波导波长
，测三组数据。
6．标准信号源仍开机不动。将功率计开机调整，并将校准因子调节好（例信号源为10.0GHZ时，标准因子调95%），再接上
探头。然后把GX2-T3功率探头与信号源和功率计连接，慢慢增大信号源的输出功率，当输出最大时记录所测功率。测量完毕，一定要先拆下功率探头，再关功率计和信号源。
7．驻波比测量。被测负载为功率计（GX2B小功率计）
1) 按图1-2或图1-3连接实验线路，开启信号源，调整测量线。
Ø 直接法、等指示度法
Ø 
功率衰减法
2) 直接法测量驻波比
将被测负载接于测量线路终端，移动探针，测Imax和Imin。
3) 等指示度法测驻波比
Ø 将被测负载接于测量线终端，移动探针至波节点处，测得Imin。
Ø 在波节点两侧I=2Imin处测得标尺刻度d1和d2，重复三次。
4) 功率衰减法测驻波比
Ø 将被测负载接于测量线终端。
Ø 将探针移至波节点，同时改变衰减器，使指示器得到一个明确而便利的读数I1（应该大于1/2满刻度），并读得衰减器刻度A1。
Ø 将探针移到波幅点，改变可变衰减器，使指示器读数仍保持为I1，并读得衰减器的读数A2。
8．数据处理与表格
1) 根据Imax和Imin，由晶体定标曲线查得相应的与，由
计算S，并与由
计算得到的S进行比较。
2) 由三次测得的d1、d2，计算W的平均值，并将W的平均值与
代入（1-4）式计算S。
3) 根据测得的A2与A1，由衰减量Amax(dB)与Amin(dB)，并代入（1-5）式计算S。
五、 微波实验注意事项：
1． 旋动频率计要缓慢，否则塑料红指针易卡断。在起始端和终了端要切忌不能使劲转动。
2． 移动测量线探针的同时，要适当调整选频放大器的放大倍数，避免在输出最大位置时选放指针打表。
3． 合适调节信号源的输出功率。（衰减约37dB）。
4． 每次改变信号源频率时，都须重新调整E—H面阻抗调配器、晶体检波器、测量线，使之处于谐振输出最大状态。
5． 测量功率时须保证被测系统中各连接头接触可靠，并保证信号源和功率计外壳等电位。测试过程中切不可大范围调节被测功率源的频率。每次换档时，要重新调零（功率计）。在装拆连接同轴探头时一定要小心，要先将信号源和功率计开机并调试好，再接上功率探头；测好后先功率探头拆下再关机。切不可在接上功率探头的情况下，开、关被测功率源的开关（易烧毁膜片）。
6． 等指示度法中测W最好用指针式测微计，但作为学习测量原理与方法，也可以直接用测量线上的标尺。
7． 功率测量法必须用已校准的精密衰减器测量，用一般可变衰减器测量不能保证精度，但可作为学习测量原理与方法使用。
六、 思考与讨论
1．连接微波测试系统时，应注意哪些问题？
2．驻波测量线测定波导波长的方法。波导波长与自由空间波长的大小关系如何？
3．为什么有时晶体检波器在调速管和检波二极管都完好的情况下，会出现输出信号很小的现象，如何调节？
4．用直读式频率计测量频率后为什么要失谐？
5．平均值读数法测量波导波长时，等指示值的大小选择对测量结果有什么影响吗？
6．平均值读数法能减小哪些原因带来的误差？
7．分析测量驻波比实验中用三种方法测量所得结果，你认为引起误差的原因是什么？应如何减小测量误差？可能的话，在实验中试一下。
附驻波比测量参考数据表格
1. 直接法数据
2. 等指示度法数据
3. 功率衰减法数据
实验二、衰减的测量
1. 用功率比测量衰减；
2. 用替代法测量衰减。
一、 实验目的
1. 熟练掌握用平方律检波法与高频替代法测量衰减量的技术；
2. 了解定向耦合器的参数及其衰减的测量方法。
二、 实验原理
1. 参考前述章节中电源方向驻波系数测量及衰减测量的有关部分。
2. 定向耦合器是一种很有用的微波元件，它具有在一定方向上耦合电磁能量的特性，因而可用作精密分功率器，微波反射计等，在功率监视系统、大功率设备中更是不可缺少的器件。
定向耦合器的种类很多，其结构示意图如下：
能量从主波导输入端输入，其中一部分通过主波导到主波导输出端，另一部分通过耦合结构到辅波导。辅波导中向左传输的能量由于它的定向性而相互抵消，剩余部分为终端负载所吸收；向右部分通向辅波导输出端。
定向耦合器主要参量有：
1) 耦合系数也称过渡衰减，表示能量从主波导耦合到辅波导的大小，如图所示。Pi表示主波导输入能量；Pa为耦合到辅波导输出端能量，则用分贝表示的耦合系数C定义为：
2) 方向系数亦称方向性，表示定向性能的好坏，如图中到达辅波导反向端的能量PB越小，定向性越好。用分贝表示的方向系数D定义为：
3) 输入驻波系数，为主、辅波导输出端均外接匹配负载时，输入端的驻波系数；
4) 频带宽度，为耦合度、方向性及输入驻波系数都满足技术指标要求时的工作频带宽度。
三、 实验装置
YM1123标准信号发生器，GX2B小功率计，YM3892选频放大器，TC2b波导型测量线，（TS7厘米波导精密衰减器，PX16直读式频率计），BD20-A三厘米波导系统，BD20-A定向耦合器，探头若干。
四、 实验内容与步骤
以定向耦合器为被测器件，用两种方法测量衰减
1. 用功率比法测量衰减
1) 按图3-1接好测量系统
2) 先不接被测件，用小功率计测出A点也即被测件的输入功率P1。
3) 接入被测件，测出被测件的输出功率B点的功率P2。
4) 被测件的衰减量为
2. 用替代法测量衰减
1) 测量所用的信号源输出频率不变，功率输出幅度不变，按图2-2接好测量系统。
2) 先不接被测器件，将TS7精密衰减调到衰减较大的位置AdB，改变YM3892选频放大器增益使之较大的显示，并确定一指示值记下TS7精密衰减器的读数度数，并查表得到A的dB数。
3) 接上被测件，将TS7精密衰减器的衰减调小，调到原定的YM3892选频放大器的指示值，要注意的是，二次转动TS7的衰减旋钮方向要一致，要消除回差引起的误差，再一次记下TS7精密衰减器的读数，查表得到B的dB数。于是就求得衰减量
。
五、 思考与讨论
1. 测量辅波导输出功率时，为什么主波导后面一定要接上匹配负载？若负载端失配，对方向性测量会产生极大影响，分析一下为什么？
2. 分析实验中用两种方法测量所得结果，你认为引起误差的原因是什么？应如何减小测量误差？可能的话，在实验中试一下。
实验三、阻抗匹配网络的设计
一、 实验目的
1. 理解阻抗匹配原理，重点掌握单支节阻抗匹配器的应用；
2. 熟悉阻抗圆图在阻抗测量中的应用；
3. 学会用阻抗匹配器对失配元件进行调配。
二、 设计要求
1. 在给定负载情况下，利用单支节匹配器法设计阻抗匹配网络，实现无反射匹配；
2. 结合阻抗圆图，验证设计结果，并得出结论。
三、 实验原理
1. 阻抗测量
在微波测量技术中，阻抗测量占有很重要的地位。微波元件的阻抗是微波系统匹配设计的依据, 也是研究复杂微波结构的微波网络中确定等效电路参数的依据。阻抗测量不仅应用于微波器件特性阻抗的研究及微波系统的阻抗匹配，同时也是一些复杂测量（如微波网路参量的测量）的基础。因而微波阻抗测量是一项非常重要的测量。
由波导理论可知波导中的电磁场不是均匀分布的，因而不可能象双线传输线那样用行波电压（或电场强度）对行波电流（或磁场强度）之比，来规定出一个只决定于传输线本身尺寸的特性阻抗。波导的等效阻抗值因定义方法不同而不同，因而一般并不进行阻抗绝对值的测量。经常遇到的实际问题是电磁波在负载与传输线不匹配的传输系统上传播而产生的问题，在这一类问题中仅需知道被测元件的归一化阻抗。阻抗测量的方法很多，但应用较为广泛的方法是测量线法。
根据传输线理论，传输线上任一点的归一化阻抗为：
在电压最小点，即L=Lmin时，有
，代入上式可解得归一化负载阻抗为：
即阻抗测量就归结为对上述三个参量的测量。
2. 确定驻波最小点位置Lmin的测量原理
由于测量线标尺的两端点不是延伸到线体的两端口，直接测量输入端口到第一个电压最小点的距离L min 是不可能的，但根据阻抗分布的
重复性原理，在传输线上每隔
处的阻抗相等，所以只要找到与待测阻抗相等的面作为等效参考面即可，这就是在测量中常采用的方法“等效截面法”。实际测量过程如图3-1所示。
首先将待测元件接在测量线的输出端，其驻波分布图形如图 3-1（a）中所示，元件的输入参考面（如图中TE截面）与第一个驻波最小点 D1 的距离为Dmin，用测量线测出其输入驻波系数ρ，记录波节点在测量线上的位置D min(D min= 
+Lmin) ，然后取下待测元件，将测量线短接，这时在测量线中测得与Dmin 相邻的驻波节位置DT，如图3-1(b) 所示。从图中可以看出，因为 DT 是测量线终端短路时的驻波波节位置，所以它离终端的距离必为，根据 阻抗变换原理。DT 点的输入阻抗应等于终端所接的待测器件的阻抗。DT 参考面则被称为测量线终端的“等效参考面”。这样在测量线上的Dmin 和DT 之间的距离即为所要求的输入参考面到第一最小点的距离Lmin。如图（C）所示，（图中实线表示终端接被测元件时的驻波图形，虚线表示终端短路时的驻波图形）。
图3-1 等效面法测量Lmin的原理图
负截阻扰可由Smith 圆图进行求解。在查Smith 圆图时必须注意，如果DT在Dmin 的右边，查图时要按逆时针方向转（即转向负载），反之如DT 在Dmin 的左边，则按顺时针方向转（即向信号源）。利用圆图求输入阻抗的具体过程如图（3-2）所示。我们知道无耗传输线接任意负载时，沿线输入阻抗的变化轨迹是一个圆，称为等ρ圆。而波节点的输入阻抗是一个纯电阻，其轨迹为图中“0-1轴线”。因此，等ρ线圆与“0-1”轴线交点 A 即为驻波节点阻抗值，所以，当驻波节点与等效参考面DT 的距离Lmin 已知时，就可以按已知输入阻抗求负载阻抗的方法，求出被测器件的阻抗。这时只需从A 点出发，沿着等ρ圆逆时针方向（即朝负载方向）转过 Lmin/ λg的距离到达B 点，则 B 点所代表的阻抗就是被测器件的归一化阻抗 
。
图3-2 用阻抗圆图计算负载阻抗
3. 匹配负载法测定膜片的电纳
图3-3 膜片
在波导中放置如图3-3 所示的开有窗口的全金属片称为膜片，当膜片的厚度满足δ< < t <<λg 时（δ为膜片的趋肤深度，λg 为波导波长），其等效电路为一并联电纳 
，通常膜片的损耗很小，电导G 分量可以忽略，因此有
。膜片电纳可用驻波法测出。但将膜片接在测量线输出端，膜片窗口将向外辐射能量，必须接一个匹配负载这时从膜片左端向终端看上去的归一化输入导纳即为：
，从而得到膜片的归一化电纳值
，其精度取决于匹配负载的匹配性能。
4. 阻抗匹配
阻抗匹配技术不仅广泛地应用在微波传输系统中，用以获得良好的工作性能及传输效率，如传输效率高，系统能传输的功率容量最大，微波源工作也较稳定等，而且对于微波测量，也是十分重要的，它直接关系到测量数据的准确度，在精密测量中，往往对阻抗匹配提出很高的要求，电压反射系数由公式：
可知，当ZL ≠Zc 时，即阻抗不匹配，就会产生反射，所以掌握匹配的原理和技巧，对分析和解决微波技术中的实际问题具有十分重要的意义。
图3-4 调配原理图解
在小功率时构成微波匹配源的最简单的办法是在信号源的输出端口接一个衰减器或一个隔离器，使负载反射的波通过衰减进入信号源后的二次反射已微不足道，可以忽略。匹配的基本原理是利用一个调配器，使它产生的附加反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等，而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射从而达到匹配。阻抗匹配的装置与方法很多，可以根据不同的场合要求灵活选用。对于固定的负载，通常可以在系统中接入隔离器（主要用于源端匹配）、膜片、销钉、谐振窗等以达到匹配目的；而在负载变动的情况下，可接入单螺钉调配器，EH阻抗调配器，短截线等类型的调配器，这里仅介绍实验室常用的单螺钉调配器法。
在单螺钉调配器中，一段开槽波导段宽边中心装置一个位置可移动的螺钉，而螺钉伸入波导里的深度可调，就构成可移动的单螺钉调配器，它是利用螺钉产生适当的电纳达到匹配目的，其调配原理由图3-4 说明。设系统终端的归一化导纳为
,在圆图上处于位置A 点，移动单螺钉，现在要找到这样一个位置，在这个位置参考面上，向负载端看入的输入导纳为
在圆图上相当于从A 点沿等ρ圆移动距离d 到等ρ圆与 1 = G 圆的交点 B（图上 B点导纳值为 1 ± 
），在这个位置上改变螺钉深度，在螺钉插入深度 t < λg / 4时，其作用相当于在传输线上并联了一个正的电纳（为容性的）。再改变螺钉的深度，即能改变容性电纳值 ，这相当于在输入端并联一个电纳值，使之与原来的电纳值相加抵消。此参考面上总的导纳为 1，实现匹配。在圆图上相当于从 B点沿
的等
圆移动到原点，即匹配点，从而使系统达到匹配。如果滑动单螺钉调配器的长度可以半波长范围内变化，同时调节螺钉深度提供的并联电纳可以0～∞之间任意调节，则该调配器能对任何有耗负载调配，故理想情况下没有禁区。
四、 实验装置
YM1123标准信号发生器，GX2B小功率计，YM3892选频放大器，TC2b波导型测量线，（TS7厘米波导精密衰减器，PX16直读式频率计），BD20-A三厘米波导系统，负载，单螺钉调配器，探头若干。
五、 实验内容
1. 测量线连接后接匹配负载。调整测试系统，用频率计测量并记录工作频率（9.7GHz）；
2. 匹配负载法测量“膜片+匹配负载”总导纳，最后求出其膜片本身的归一化导纳；
（a） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用交叉读数法测量测量线标尺中
间部位的一个驻波波节位置Dmin，记录测得的数据。
（b） 用直接法（或等指示度法）测量其驻波系数ρ
（c） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用交叉读数法测量测量线相邻的
右边（或左边）波节点位置DT，并另找一个与DT 相邻的波节点，以确定波导波长λg 。
（d） 根据实验原理，用圆圆和公式两种方法处理数据，求出膜片的归
一化电纳，分析实验结果。
3. 用单螺钉调配器进行调配
方法（I ），用单螺钉调配器调配“膜片+匹配负载”
（a） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用直接法（或等指示度法）测量
其驻波系数ρ1。
（b） 测量线后换接上接有匹配负载的单螺钉调配器，调节螺钉深度，
使其驻波系数仍等于ρ1。
（c） 保持单螺钉调配器的螺钉深度及其位置不变，测量线后依次接上
单螺钉调配器，“膜片+匹配负载”，移动单螺钉调配器的螺钉位置，使其驻波系数ρ<1.05。
方法(Ⅱ)测量线终端依次接上单螺钉调配器、膜片、匹配负载，使调配器的单螺钉稍伸入波导，然后调节其位置，并用测量线跟踪波腹点或波节点，直到单螺钉在某一位置时，驻波的波腹有下降，或波节点值有上升的趋势。然后反复调节螺钉穿伸度，微调其位置，用测量线跟踪驻波大小，直到驻波系数ρ<1.05 止。
4. （选做）如果时间充裕，可改变信号源频率到8.7GHz（或9.7GHz），
测出此频率下“膜片+ 匹配负载”的导纳，并求出膜片本身的电纳。与频率为9.37GHz 的数据比较,分析结果。
六、 思考与讨论
1. 测量阻抗时，驻波节点的位置DT 如何确定？为什么能用测等效参考面阻抗的方法确定待测阻抗？
2. 测量膜片电纳时，为什么后面要接匹配负载？
3. 为什么要进行阻抗匹配？在微波测试系统中，调配器调到什么情况时，传输到负载的功率最大？若传输负载的功率为3dB ，则测得的驻波系数应为何值？
4. 通过实验，试总结调匹配的技巧。