微波实验一.doc

中南大学

微波一实验报告

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2015年6月8日

实验一 基本微波测量系统的使用方法
（一）实验目的
1.了解波导（或同轴）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。掌握用频率计测量频率的方法。
（二）实验原理
1.驻波测量线
探测微波传输系统中电磁场分布情况，测量反射系数，电压驻波比，阻抗（或导纳），调匹配，测量谐振腔品质因数等…，使微波测量的重要工作。测量所用基本仪器是驻波测量线。
1
2
3
4
到测量放大器
5
6
7
1.标尺 2.探针深度调节螺母 3.探针调谐机构
4.检波器调谐旋钮 5.探针 6. 窄槽 7.波导
图1-1 波导测量线结构原理图

本实验所用测量线是3cm波导测量线。图1-1是3厘米波导性测量线CLX-6的结构原理图。它包括一段波导，在波导宽边的中央，开有一条平行于波导轴线的窄槽，其上装有晶体检波器，调谐腔及金属探针。探针经窄槽插入波导内并于电场平行，其上感应一个电动势经同轴探针座送到晶体检波器，被检波后从测量放大器电表读出，当探针座沿波导移动时，放大器读数就间接表示了波导内电场大小的分布，找出电场的最大值与最小值及其位置，就能求出驻波大小及相位。
当探针插入波导时，在波导中会引入不均匀性，影响系统的工作状态，因而分析时为了方便起见，通常把探针等效成一导纳与传输线并联，如图1-2所示。
Lg
Ll
Yu
jBu
Rq
E
Gu
Yl
图1-2 探针等效电路

其中为探针等效电导，反映探针吸收功率的大小。为探针等效电纳，表示探针在波导中产生反射的影响，当终端解任意阻抗时由于的分流作用，驻波腹点和电场强度都要比真实值小，而的存在将驻波腹点和节点的位置发生偏移，当测量线终端短路时，驻波节点处的输入导纳→∞趋近于无穷大，驻波最大点A及最小点=0的圆上。如果探针放在驻波的波节点B上，由于此点处的输入导纳→∞，故的影响很小，驻波节点的位置不会发生偏移。如果探针放在驻波的波腹点，由于此点处的输入导纳→0，故对驻波腹点的影响就特别明显，探针呈容性电纳将使驻波腹点向负载方向偏移。如图1-3所示。
B
A
波节点

所以探针引入的不均匀性将导致场的图形畸变。使测得的驻波波腹值下降，而波节点略有增高，造成测量误差，于是探针导纳影响变小，探针愈浅愈好，但这是在探针上的感应电动势也变小了。通常我们选用的原则是在指示仪表上有足够指示下，尽量减小探针深度，一般采用的深度应小于波导高度的10-15%。而影响的消除是靠调节探针座的调谐电路来得到。
探针电路的调谐方法是将探针深入长度放在适当深度（通常用1.0-1.5mm）,测量系统终端短路，将探针移至二波节点之正中位置，调节晶体座的调谐活塞，直至输出指示最大此时已减至最小，调谐的过程就是减小探针反射对驻波图形影响和提高测量系统灵敏度的过程，是减小驻波测量误差的关键，必须认真调整。必须指出，当信号源的频率或探针深度改变时，由于探针等效导纳也随之改变，所以必须重新对探针进行调谐。
最后说明一下，当探针沿线移动时，由于制造上不精确的原因使探针有上下左右的晃动，因而使探针与场耦合发生变化，测得的电场分布也将出现畸变。
2.晶体检波特性校准：
微波测量中，为指示波导或同轴线中电磁场强度的大小，是将它经过晶体二极管检波变成低频信号或直流电流用直流电表的电流I来读书的，但是，晶体二极管是一种非线性元件，亦即检波电流I同场强E之间不是线性关系，通常表示为：
I=k* （1.1）
其中k,n是和晶体二极管工作状态有关的参量，，如n=1,I∝E称为直线律检波，当n=2，I∝称为平方律检波，当微波场强较大时呈现直线律，当微波场强较小时（P<1μw）呈现平方律。因此当微波功率变化大时n和k就不是常数，且和外界条件有关，所以在精密测量中必须对晶体检波器进行校准。
校准方法是：将测量线终端短路，仔细调谐好检波腔，测出场沿线分布的检波电流I，作出如图（1-4）的图形。
λg/4
Tmin2
Tmin1
I/Imax
-2
-1
0
0.1
0.2
0.3
0.5
0.7
1.0
-3
-9
E/Emax
图1-4 检波晶体特性校准
I(μA)
100
60
80
40
20
0
T1
T2
T3
T4
λg/4
λg/2
电表指示I
1.0
0.8
0.4
0.6
0.2
由于测量线终端短路，电场强度沿线按正弦规律分布，故又可在场图上划出实际场强分布.其中l是探针距波节的距离，是波导波长。按照和I的变化规律，在同一l下比较E/Emax和I的值，就能作出晶体校准曲线 =f()如图（1-4）所示，如把和 画在全对数坐标纸上，连成平化曲线，则曲线斜率即为晶体检波率n,晶体检波律n的另一种测量方法是测量检波电流对峰值电流为0.5时两个等指示度之间的距离W,即可计算
n= （1.2）
实验室内大多数微波测试系统是属于小信号工作状态，因此晶体检波律近似为平方律，取n=2。
晶体检波器校准曲线在测量驻波系数时极为重要，因为驻波系数的定义是ρ=
而在小信号平方律检波时

故驻波系数ρ的测量转化为晶体检波电流的测量。
3.频率计
微波频率计按结构可分为通过式和吸收式两种，本实验室采用吸收式频率计，当失谐时，能量通过波导管，负载指示有某一固定值，当调到谐振点时，能量被反射，指示器读数下降到最小，根据频率计谐振装置的刻度，即可直接读出相应的频率（见图1-5）;
p×16
1
2
3
4
5
1.螺旋测微机构 2.可调短路活塞 3.圆柱谐振空腔
4.耦合孔 5.矩形波导
图1-5 频率计结构原理图

自由波长和波导波长的换算方法为:，c为自由空间波传播速度。
矩形波导中的波，满足公式：
（1.3）
a为矩形波导宽边尺寸，对三厘米波导a=22.86mm
4．信号法（两点法）确定波节点位置
精确的确定驻波节点的位置，在波长和阻抗测量中是非常重要的，通常用两点法来确定波节点的位置，计测量波节点附近两边指示电表读数相等的两点T1和T2，如图（1-6）所示。
波节点的位置 取T1和T2的平均值
=(T1+T2)/2
由图（1-6）
λg/2
Tmin
Tmin
Tmin
T1
T2
λg/2
图1-6 两点法确定波节点位置示意图
可知，波导波长
（三）实验装置
实验装置连接如图1-7所示。
（四）实验内容及步骤
本实验的主要内容有：
1.观察测量系统的连接，衰减器，空腔频率计，驻波测量线的结构形式。
2.用频率计测量信号的振荡频率。
3.用驻波测量线测量场的分布图形。
4.用驻波测量线校准晶体的检波特性。
实验步骤如下：
1.观察衰减器，空腔频率计，驻波测量线的结构形式，读数方法。
2.按图（7）观察监察系统的连接
1
2
3
4
5
6
7
1.信号发生器 2.铁氧体隔离器 3.频率计 4.可变衰减器
5.测量线 6.测量放大器 7.短路器
图1-7 校准晶体的方块图
3.开启电源，预热仪器五分钟，再加信号源高压，工作方式“内“方波调制，调节输出及反设计电压使信号源输出最大
4. 将驻波测量线探针插入适当深度，（约1.0mm），调节其调谐回路，是测量放大器指示最大。
5.用空腔频率计测信号频率。测三次去平均值，再计算 。
6. 将测量线终端短路（同轴测量线终端开路），调测量放大器的衰减量和可变衰减器使当探针与波腹时，放大器指示电表接近满格100（95）。
7.将探针沿线由左向右移动，按测量放大器指示没改变10，记录一次探针位置，填入如下表格，给出I沿线的分布图形。
波导波长（mm）

波节点位置（mm）=
电表指示I(μA)
10,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,95,90,80,70…
测量点位置T(mm)

离波节点的距离l=-

8. 作出晶体检波器校准曲线图。