电磁场微波技术与天线实验指导书.doc

自编教材电磁场微波技术与天线实验指导书长沙学院电子与通信工程系 二0一0年九月实验一 谐振腔法测量微波频率一、实验目的1、熟悉和了解微波测试系统的基本组成和工作原理。2、掌握微波测试系统各组件的调整和使用方法。3、掌握谐振腔法测频率的原理。二、实验框图及器材1、实验框图选 频放 大 器微 波信 号 源隔离器波长表可变衰减器匹配负载被 测 件 波导测量线图一 谐振腔法测频率框图2、实验仪器微波信号源 一台3cm测量线 一台隔离器 一个定标衰减器 一个波长计 一个检波指示器 一台晶体检波器 一个选频放大器 一台各种负载三、实验原理谐振条件：谐振腔发生谐振时，腔长必须是半个波导波长的整数倍，此时，电磁波在腔内连续反射，产生驻波。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。反映在检波指示器上的指示是一跌落点，(参见图二)此时，读出波长表测微头的读数，再从波长表频率与刻度曲线上查出对应的频率。检波指示器指示I 谐振点 波长表测微图二 波长表的谐振点曲线四、实验内容及步骤1、按图一所示的框图连接微波实验系统。2、将检波器及检波指示器接到被测件位置上。3、用波长表测出微波信号源的频率。五、实验报告及要求1、实验目的与任务；2、正确画出微波测试系统的基本框图；3、说明用谐振腔法测频率的原理；4、记录实验数据，分析误差原因。六、预习报告及要求1、实验目的与任务；2、实验所用仪器设备的功能；3、实验原理。实验二 微波功率的测量一、实验目的1、熟悉和了解微波测试系统的基本组成和工作原理。2、掌握微波测试系统各组件的调整和使用方法。3、掌握微波功率的测量原理，熟悉测量被测件的相对功率、绝对功率值的方法。二、实验框图及器材1、实验框图可变衰减器微波信号源隔离器波长表测量线选频放大器调配器功率计检波器检波指示器波导开关功率头隔离器 负白 载图三 功率测量微波系统框图2、实验仪器微波信号源 一台3cm测量线 一台隔离器 一个定标衰减器 一个波长计 一个检波指示器 一台晶体检波器 一个选频放大器 一台波导开关 一个功率计 一台功率头 一个各种负载三、实验原理在波导管中传输的微波通过衰减器时，可以衰减部分传输功率，沿着宽边改变衰减器的移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。波导开关旋至检波器通路，当检波器工作在平方率检波时，电表上的读数I与微波功率成正比：电流表的指示IP，即表示为相对功率 。波导开关旋至功率计通路，用功率计可测得绝对功率值。注意：开机前将系统中的全部仪器必须可靠接地，否则，功率头极易烧毁。 四、实验内容及步骤1、按图三所示的框图连接微波实验系统。2、将波导开关旋至检波器通路，通过检波器进行相对功率测量。3、波导开关旋至功率计通路，用功率计可测得绝对功率值。五、实验报告及要求1、实验目的与任务；2、正确画出功率测量微波系统框图；3、说明测量微波功率的原理；4、记录实验数据，分析误差原因。六、预习报告及要求1、实验目的与任务；2、实验所用仪器设备的功能；3、实验原理。实验三 驻波测量一、实验目的1、了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用。2、掌握驻波测量线的正确使用和用驻波测量线校准晶体检波器特性的方法。3、掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法。二、实验框图及器材1、实验框图选 频放 大 器微 波信 号 源隔离器波长表可变衰减器匹配负载被 测 件 波导测量线图四 驻波测量框图2、实验仪器微波信号源 一台3cm测量线 一台隔离器 一个可变衰减器 一个波长计 一个选频放大器 一台波导开关 一个各种负载 失配、匹配和半匹配负载三、实验原理 探测微波传输系统中电磁场分布情况，测量驻波比、阻抗、调匹配等，是微波测量的重要工作，测量所用基本仪器是驻波测量线。驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。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变化信息。四、实验内容及步骤1、按图四所示的框图连接成微波实验系统。2、调整微波信号源，使其工作在方波调制状态。3、左右移动波导测量线探针使选频放大器有指示值。4、用选频放大器测出波导测量线位于相邻波腹和波节点上的Imax和Imin 。5、在相邻波腹和波节点间，移动波导测量线探针，记录波导测量线中的相对位置，画出其驻波分布图。如图五 IImax Imin L 图五 驻波分布图其中：I：为选频放大器的指示值 L：为驻波在波导测量线中的相对位置五、实验报告及要求1、实验目的与任务；2、正确画出驻波测量微波系统框图；3、移动测量线上探针的位置，观察选频放大器示数的变化情况，说明所观察到的现象产生的原因。说明测量驻波测量的原理；4、记录实验数据，画出驻波分布图形，分析误差原因。六、预习报告及要求1、实验目的与任务；2、实验所用仪器设备的功能；3、实验原理。附：一、微波基本知识（1）、电磁波的基本关系描写电磁场的基本方程是：， ， 和 ， ， 。 方程组称为Maxwell方程组，方程组描述了介质的性质对场的影响。对于空气和导体的界面，由上述关系可以得到边界条件(左侧均为空气中场量)， ，。方程组表明，在导体附近电场必须垂直于导体表面，而磁场则应平行于导体表面。（2）、矩形波导中波的传播 在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，而必须改用微波传输线。常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线，本实验用的是矩形波导管，波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线。 根据电磁场的普遍规律Maxwell方程组或由它导出的波动方程以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有两大类波能够在矩形波导中传播：横电波又称为磁波，简写为TE波或H波，磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。横磁波又称为电波，简写为TM波或E波，电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。在实际应用中，一般让波导中存在一种波型，而且只传输一种波型，我们实验用的TE10波就是矩形波导中常用的一种波型。 1TE10型波 在一个均匀、无限长和无耗的矩形波导中，从电磁场基本方程组和出发，可以解得沿z方向传播的TE10型波的各个场分量为， ， ， ， ， 其中：为电磁波的角频率，是微波频率；a为波导截面宽边的长度；为微波沿传输方向的相位常数=2/g；g为波导波长，图1和式均表明，TE10波具有如下特点：存在一个临界波长2，只有波长自由空间波长。电场只存在横向分量，电力线从一个导体壁出发，终止在另一个导体壁上，并且始终平行于波导的窄边。磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线。电磁场在波导的纵方向(z)上形成行波。在z方向上，和的分布规律相同，也就是说最大处也最大，为零处也为零，场的这种结构是行波的特点。图 1 TE10波的电磁场结构（a）,（b）,(c) 及波导壁电流分布(d) 2波导管的工作状态 如果波导终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波的所有能量全部被吸收，这时波导中呈现的是行波。当波导终端不匹配时，就有一部分波被反射，波导中的任何不均匀性也会产生反射，形成所谓混合波。为描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数定义为。驻波比定义为： 其中：和分别为波腹和波节 图 2（a）行波,（b）混合波,(c)驻波点电场E的大小。 不难看出：对于行波，=1；对于驻波，=；而当1,是混合波。图2为行波、混合波和驻波的振幅分布波示意图。 二、常用微波元件及设备简介 1波导管：本实验所使用的波导管型号为BJ100，其内腔尺寸为22.86mm，b1016mm。其主模频率范围为8201250GHz，截止频率为6557GHz。 2隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性(见图1)。隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。 3衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成(见图2)，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。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。图 1 隔离器结构示意图 图2 衰减其结构示意图4谐振式频率计（波长表）：图3 a 谐振式频率计结构原理图一 图3 b 谐振式频率计结构原理图二1. 谐振腔腔体 1. 螺旋测微机构2. 耦合孔 2. 可调短路活塞3. 矩形波导 3. 圆柱谐振腔4. 可调短路活塞 4. 耦合孔5. 计数器 5. 矩形波导6. 刻度7. 刻度套筒电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。(图3a) 或从刻度套筒直接读出输入微波的频率(图3b)。两种结构方式都是以活塞在腔体中位移距离来确定电磁波的频率的，不同的是，图3a读取刻度的方法测试精度较高，通常可做到5104，价格较低。而见图3b直读频率刻度，由于在频率刻度套筒加工受到限制，频率读取精度较低，一般只能做到3103左右且价格较高。 5驻波测量线：驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。在波导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。6晶体检波器：从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调节其短路活塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率。7匹配负载：波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。8环行器：它是使微波能量按一定顺序传输的铁氧体器件。主要结构为波导Y形接头，在接头中心放一铁氧体圆柱(或三角形铁氧体块)，在接头外面有“U”形永磁铁，它提供恒定磁场H0。当能量从1-端口输入时，只能从2端口输出，3端口隔离，同样，当能量从2端口输入时只有3端口输出，1端口无输出，以此类推即得能量传输方向为1231的单向环行(见图4)。图4 Y行环形器 图5 单螺调配器示意图 9单螺调配器：插入矩形波导中的一个深度可以调节的螺钉，并沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝作纵向移动，通过调节探针的位置使负载与传输线达到匹配状态(见图5)。调匹配过程的实质，就是使调配器产生一个反射波，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而达到匹配。10微波源：提供所需微波信号，频率范围在8696GHz内可调，工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。11选频放大器：用于测量微弱低频信号，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。 12特斯拉计(高斯计)：是测量磁场强度的一种仪器，用它可以测量电磁铁的电流与磁场强度的对应关系。三、设备原理1、微波信号源：产生一定频率和功率的微波信号，同低频信号源一样，其信号可以是连续波也可以是调制波，也有点频和扫频信号源之分。微波振荡管有电子管式与半导体管式，但它们的工作原理与低频振荡管不同。在微波频率下，工作于静电方式的低频电子管，不仅辐射损耗和引线分布参数效应严重，更主要的是电子由阴极飞达阳极所需的渡越时间不能忽略，已与微波周期可比拟，根本失去振荡、放大作用基于微波电子学的微波电子管，应用谐振腔很好地解决了辐射损耗和引线分布参数效应问题，但渡越时间不能为零，电子需要渡越时间在谐振腔内完成电子的速度调制、密度调制、振荡和能量交换等物理过程。工作于点频常用的微波振荡管为：中小功率为反射速调管，大功率的为磁控管；返波管为微波扫频振荡管。微波半导体振荡管典型的有耿试二极管、雪崩二极管和隧道二极管等，它们均利用一定的物理结构在外加场的作用下，体内能级之间能势产生骤然聚变形成负阻区而提供功率。半导体微波扫频源采用电调谐，一般为变容管调谐(谐振线宽很窄的单晶铁氧体)，后者的调谐频宽和调谐线性度优于前者。虽然半导体管式在小型化、轻量化方面，微波电子管式无法相比，但单管所能提供功率的大小，半导体管式是无法相比的，而且由于半导体热噪声的作用，半导体式在未经特殊的技术处理，功率和频率的自然稳定度比微波电子管式差。因此，要辨证的地看待和合理选用此两类微波源。在不强调小型化、轻量化下点频工作时，中小功率常选用反射速调管信号源。微波电路由分布参数电路组成，同一系统或元部件在不同频率其性能可能差别很大，因此，微波信号源稳定地工作在所需频率上是非常必要的。2、隔离器：当微波信号源接于有反射波的系统，若此反射波进入信号源，其输出信号的频率将发生变化，即所谓频率牵引，这当然是不希望的。为此，在信号源输出端接一个仅对反射波衰减而对入射波不衰减的单向隔离器。3、波长计： 正是由于微波元器件的性能与频率密切相关，所以测试系统中总是接有测频率的装置，用来测量表明所测得参数之相应频率，波长计即属此种装置。波长计有一园柱形腔与波导壁以小孔耦合。通过移动活塞改变腔的高度而改变腔的体积，从而可改变腔的固有频率。当腔的固有频率与信号频率相同时即产生谐振现象。根据表征谐振活塞位置的千分尺上之刻度l，可在所示该波长计的频率刻度对照表查得频率f。波长计的谐振腔与波导的耦合方式有两种：一是腔与波导窄壁磁耦合，此种称为反应式波长计；另一种是腔与波导宽壁电合，此种称为通过式波长计，两种波和的谐振现象不一样。4、可变衰减器： 测试过程中有时要求改变功率的大小，这时不能直接去调信号源的输出功率，否则会导致频率牵引。为此，接入可变衰减器来调整功率的大小。因h10波的电场沿宽边按正弦分布，两垂直于电场的率耗片向中间移动时，衰减最大，向两窄边移动，衰减逐渐减小。5、测量线： 测量线是常用来点频测量驻波参数的较为精密的仪器，故又称驻波测量仪。它的基本工作原理如图所示。沿波导宽边中线开一窄槽，探针平行于电场擦入槽中耦合能量。探针能沿中线移动且耦合度始终保持不变。因此，耦合到的能量经晶体检波后，由指示器表征的指示度，正比于所在处的场|e|。由|e|max与|e|min可得驻波系数；根据|e|min的位置可求得波导波长和驻波相位lmin。和lmin这三个参数把驻波场的分布规律完全锁定，因此，测量线是在点频上研究驻波场分布的很好的仪器。 6、全匹配负载： 它是在一段传输线中，放置无反射地连续吸收微波功率的材料，直到把微波功率全部吸收完的器件。矩形波导全匹配负载是在宽边沿中线放置与电场平行的微波能量吸收片，为了减少不连续性，并作成尖劈形。7、短路器： 短路器有两种：一种是短路面不能调动的短路板，另一种是短路面可调动的短路活塞。短路面不应有接触电阻，否则不能形成全反射。精密短路活塞的法兰盘上作有抗流环，以达到电气上完全短路。微波的开路是通过短路经四分之一波导波长倒置后实现的，即距短路面两侧四分之一波导波长处为开路面。8、指示器：指示器有交流型与直流型之分，可简单到一个表头，也可复杂到一台精密仪器。如果指示器为交流型时，微波源应工作在调制状态，直流型对应连续波状态。