微波技术实验.doc

微波技术实验
微波技术是近代发展起来的一门尖端技术，以其高效、均匀、节能、环保等诸多优点受到普遍关注，在科学研究中也是一种重要的观测手段，并广泛应用于国防军事、科学研究、医疗卫生等领域。随着社会向信息化、数字化的迈进，作为无线传输信息的主要手段，微波技术将发挥更为重要的作用。本实验旨在通过观测微波的产生和传播的特性，使同学们了解微波的基本知识，掌握常用微波元器件的原理和使用方法，学习若干种微波测量方法，并理解微波通信的基本原理，为从事与微波有关的工作打下基础。
一、微波的性质
微波是无线电波中波长最短的电磁波，其波长在1mm～1m范围，频率范围处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，为300MHz～300GHz。微波又分为分米波、厘米波和毫米波。微波具有电磁波的一切特性，但因其波长的特殊性，微波在产生、传输、接收和应用等方面跟其他波段很不相同，具有下述几个独特的性质，主要表现在：
（1）波长短。其波长比地球上一般物体的几何尺寸小得多或在同一数量级上，具有直线传播的特性。利用这个特点能在微波波段制成方向性极强的无线系统，也可以接收到地面和宇宙空间各种物体发射回来的微弱回波，从而确定物体的方位和距离，广泛用于通信、雷达、导航等领域。
（2）频率高。微波的频率很高，电磁振荡周期（10-9~10-12s）很短，与电子在电真空器件中的渡越时间相似。因此，低频的电子器件在微波阶段都不能使用，而必须采用原理上完全不同的微波电子管、微波固体器件和量子器件来代替。在不太大的相对带宽下可用带宽很宽，所以信息容量大。此外，作为能量，可用于微波加热、微波武器等。
（3）量子特性。在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV，能被很多的原子分子吸收或发射，成为研究物质结构的重要手段，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和极为准确的分子钟与原子钟。
（4）似光性，微波介于一般无线电波与光波之间，它不仅具有无线电波的性质，还具有光波的性质，以光速直线传播，有反射、衍射、干涉等现象。
（5）在微波波段的电波能穿透电离层。微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯、导航、定位及射电天文学的研究和发展提供了广阔的前景，进行外太空通信（卫星、宇航、射电天文学等）。
综上所述，微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。而且，微波实验是近代物理实验的重要组成部分，在研究方法上不像无线电那样去研究电路系统中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波比等特性作为基本测量参量。
二、微波的传输特性
1．矩形波导中的TE10波
在微波波段，为了避免导线的辐射损耗和趋肤效应等影响，一般采用波导管（微波在设备内传递的通道）作为微波传输线。矩形波导管是较常用的传输线，它能传输各种波型的横电波（TE波）和横磁波（TM波）。在本实验中，使用的标准矩形波导管为通常教学上使用的“3厘米”波导管，其采用的传输波型是TE10波，即只传输单一波型。该波型具有单模传输、频带宽、低损耗、模式简单稳定、易于激励和耦合等优点，因此应用广泛。
设矩形波导管内壁为理想导体且波导管沿轴方向为无限长，截面宽边为、窄边为，电磁波以圆频率自波导开口端沿轴方向传输。由 Maxwell's equations 可得矩形波导中TE10波的各电磁场分量为：

其中，常用来描述电磁波在波导管中传播时的传输特性参量有：
电磁波的圆频率：
相移常量：；
图1 TE波的场结构透视图
波导波长：；
截止（临界）波长：；
电磁波在自由空间的波长：，为电磁波的频率。
TE波整体场结构分布如图1所示，其具有以下特性：
（1），，即电场垂直于波导的宽边（因此是线偏振的），磁场平行于波导的宽边。电力线从一导体壁出发，终止在另一导体壁上；磁力线则环绕电力线，形成闭合曲线。电场只存在横向分量，即始终垂直于波导中波的传播方向；磁场则既有横向分量，也有纵向分量。这是与自由电磁波不同的，自由电磁波的电场和磁场都只有横向分量。
（2）沿方向为一个驻立半波，沿方向为均匀分布；
（3）电磁场沿方向为行波状态，在该方向，电磁场分量与的分布规律相同（即最大处也最大，为零处也为零），与的位相则相差。
（4）存在有一个临界波长，只有其自由空间的波长的电磁波才能在此宽边为的矩形波导管中传播。同时，由于，因此TE波的相速。
由以上可以看出“TE10”波的含义：“TE”表明电场纵分量，第一个角标“1”表明场沿波导宽边只有一个最大值，即形成一个驻波；第二个角标“0”表明场沿波导窄边没有变化。
2．微波传输的工作状态
为描述电磁波在波导管中的传输状态，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处电场的大小。
在实际应用中，波导传输线并非是无限长，此时波导中的电磁波由入射波与反射波叠加而成，传输线中的工作状态主要取决于终端负载的情况：
（1）波导终端接匹配负载时，传播到终端的电磁波的所有能量全部被负载吸收，无反射波，电磁波在波导中呈行波状态。此时，，；
（2）波导终端接短路器（或理想导体板）、纯电抗性负载时，形成全反射，电磁波在波导中呈纯驻波状态。此时，，；
（3）终端接一般性负载（有电阻又有电抗，如实验中用到的失配负载）时，形成部分反射，电磁波在波导中呈行驻波状态，即所谓混合波。此时，，。
三、常用微波元件及设备简介
1．微波振荡器
微波振荡器（微波源）是产生微波信号的装置，常见的有磁控管振荡器、速调管振荡器和固态振荡器几种。本实验中采用的微波源是反射式速调管振荡器。反射式速调管是一种微波电子管，利用速度调制方法改变在交变电磁场中电子流的运动速度，从而将直流能量转换为微波能量。它的输出功率是可以改变的，输出频率也能在一个范围内改变，改变的手段就是改变反射电压。当反射极电压固定时，输出的功率和频率就是固定的。如果反射电压在小范围变动，则功率和频率都可以在小范围变动；如果反射电压是任意波形，则功率和频率就可以是各种各样。因此根据速调管特性与反射电压的这种密切关系，可以设计出各种调制方式来满足不同的需要。
2．波导管
图2 矩形波导管
波导管是引导电磁波传播的空心金属管，一般是由铜或铝等良导体材料制成，内表面光洁度要求很高，镀银后可提高导电率。波导管的加工非常精密，常用的有矩形和圆形两种。本实验所使用的波导管型号为BJ—100。如图2所示，该矩形波导的宽边定为方向，内尺寸用表示，窄边定为方向，其内腔尺寸用表示，电磁波是沿方向传播。该矩形波导管的内腔尺寸为：mm，mm。
3．隔离器
由于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，因此，可以由铁氧体材料制成隔离器。这是一种不可逆的衰减器，只允许微波单方向通过，对反方向传播的微波呈电阻吸收，在传输中对微波具有单方向传播的特性，其作用相当于普通电路中二极管。
4．衰减器
图3 衰减器
衰减器是一种电阻性器件，可分为固定式和可变式两种，也可以分成吸收式衰减器、旋转式极化衰减器以及过极限衰减器。实验室常用吸收式可变衰减器，它是把一片能吸收微波能量的介质片纵向插入波导管，用以部分衰减微波的功率和电平，而且沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小，使输入电磁波得到不同程度的衰减，从而调节输出信号的强弱。
5．频率计（波长计）
频率计（波长计）是利用谐振腔来测量微波频率的元件，用得较多的是“吸收式”谐振频率计。该频率计通常选用同轴或圆柱波导为谐振腔，其腔体通过耦合元件耦合到一段直波导上，电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，移动谐振腔一端活塞的位置，来改变谐振腔的长度，可以改变谐振腔的固有频率。这种结构方式可由活塞在腔体中位移距离来确定电磁波的频率。
6．驻波测量线
图4 驻波测量线
驻波测量线是测量微波传输系统中电场强弱分布的精密仪器，可分为测量电场和测量磁场两种，实验室常用第一种。当波导内传输TE波时，波导内壁表面将出现高频电流，电流线与磁力线垂直。宽边的中心线处的电流线与轴平行，沿此中心线开一条槽线则不会切断电流线影响波导内TE波的传输。利用这一特点，实验用的驻波测量线主要由一段沿纵向开有狭槽的直波导与一个带有微波晶体检波器的探针组成，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，则可以提取微波功率以测量微波电场强度的幅值沿轴线的分布规律，探针的位置则可由测量线上附的标尺或测微计读出。
7．晶体检波器
晶体检波器的图5 检波器结构示意图
检波晶体可将微波信号转换成直流信号来检测，其核心元件是采用半导体点接触的二极管。从波导的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。通常还配有三个调节螺丝，用来改变检波器同波导的匹配。
本实验中采用二极管平方律检波：把二极管垂直于波导的宽面放置，微波电场在二极管两端施加周期性电压，二极管输出半波整流信号，该信号的直流分量正比于微波电场幅度的平方，即正比于微波功率。因此，用直流电流表的读数表示功率的相对大小。在小功率下是很好的近似。
8．选频放大器
选频放大器为实验室用测量仪器，本仪器用于测量微弱低频信号，配合微波测量线测量驻波系数，配合微波检波器进行衰减测量等。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。
9．传输式谐振腔
传输式谐振腔是一个封闭的金属导体空腔，由一段标准矩形波导管，在其两端加上带有耦合孔的金属板，就可构成一个传输式谐振腔。
10．匹配负载
匹配负载通常做成波导管的形式，管内装有很好地吸收微波能量的介质片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率，即可认为无反射。
11．短路器
微波入射到短路器的短路面时将形成全反射。本实验中采用的短路器有两种：一种是短路面可调动的短路活塞，另一种是短路面不能调动的短路板。
12．环行器
环行器是可以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，在接头中心安置有铁氧体圆柱。当能量从其中一个端口输入时，只能从相邻一侧端口输出，而相邻另一侧的端口则隔离，即能量传输方向为单向环行。

实验一 微波测试系统的认识与调试
【实验目的】
1. 熟练认识若干微波元器件，掌握微波测试系统各组件的调整和使用方法。
2. 了解微波振荡管――反射速调管振荡器特性。
3. 掌握测量微波功率和频率的基本方法。
【实验器材】
微波实验系统（DH406A0型）
【实验原理】
1．微波测量系统的基本组成

图1 微波测量系统

2．反射速调管的振荡特性
反射速调管一般有三种工作状态：连续振荡状态；方波（或矩形波脉冲）调幅状态；锯齿波（或正弦波）调频状态。
连续振荡状态就是在反射极不加任何调制电压时，反射速调管处于某一振荡点反射极电压时的工作状态。在这种工作状态下，检波输出为直流信号，需要直流微安表或光电检测。用方波调幅时，在反射极上除加有一定的直流电压外还加有方波调制电压。此时调制电压应为严格的方波，且要选择合适的反射极电压的直流工作点，使得调制电压波形的一个半周处在两个振荡模的不振荡区域内，而另一个半周使速调管处在振荡模的功率最大点，处于振荡区域中心。这样输出稳定，频率单一，不会产生附加调频。采用方波调制后，检波输出为方波，这样就可以用选频放大器放大，以提高测试灵敏度。在用锯齿波调频时，反射极电压的直流工作点应选择在某一振荡模的功率最大点，即选在频率变化曲线的当中。当锯齿波的幅度比振荡模的宽度小的多时，可得到近似线性的调频信号输出，且附加的调幅很小。当速调管处在调频工作时，可用示波器观测微波系统的动态特性。
3．功率的测量
微波功率是表征微波信号强弱的一个物理量，本实验中可采用吸收式微瓦功率计测量微波输入功率，即将微波功率借助于能量转换器转换成易于测量的低频或直流物理量，来实现微波功率的测量。
功率计由功率探头和指示器两部分组成。探头既用作热电换能器，又作为吸收微波功率的匹配负载。在未输入微波功率时，热电堆节点之间没有温差，因而没有输出；当输入微波功率时，热电元件吸收微波功率使热电堆的热节点温度升高，这就与冷节点产生温差而引起温差电动势（微弱的直流势），且该元件产生的直流电势是与微波功率成正比例的，经放大和定标后转换为功率读数示值。
此外，在小功率情况下，当检波电流不超过5~10微安时，检波晶体管可定为平方律检波，即检流计测得的检波电流与微波功率成正比：

其中，是常数。
4．频率测量
微波的频率是表征微波信号的一个重要物理量，测量方法通常有谐振法和频率比较法本实验所测微波处于厘米波波段，可采用吸收型谐振腔式频率计测得微波频率，并可根据波长与频率的关系得到微波在自由空间传播的波长。
图2 吸收式谐振曲线
频率计腔体通过耦合元件与系统连接，形成一分路。当空腔失谐时，腔体内电磁场极弱，此时不吸收能量，基本不影响波导内电磁波的传播，相应地接在终端的检波器的示数保持恒定大小的信号输出。反之，当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，即微波的频率与腔体的固有频率相同时，就会发生共振吸收，耦合进腔体的功率最大，相应地传输到检波器的功率减小，接在终端的检波器的示数将将出现明显的跌落，调谐曲线如图2所示。因此，测量时旋转调谐活塞，在发生谐振时可从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，从附表中查出对应的频率，即可得知输入微波的谐振频率，同时利用波长与频率的关系可以求出电磁波在自由空间的波长。

【实验内容及步骤】
1．微波测试系统的认识
根据教师的讲解及演示，认识测试系统中各个元器件，并熟悉实验仪器的使用和调试。按图1所示连接微波测量系统，保证系统连接的平稳。
2．调节测量系统至工作状态
阅读反射式速调管的使用说明书，按正确顺序开启微波信号源，调整信号源使其工作在方波调制状态。左右移动测量线探针使选频放大器有指示。
3．微波频率的测量
调节频率（波长）计，使其产生谐振（即可观察到信号幅度明显减小的现象），记录频率计的读数，并查表（“3cm空腔波长表频率刻度对照表”）求得对应的微波频率。将实验数据填入表1。
4．微波功率的测量
测量功率时，必须先开机预热功率计，并校正零点。测量时要注意恰当选择探头的衰减倍率，量程选择要逐步由大到小，以免烧坏探头；小量程时应经常校正零点。将实验数据填入表1。
波长计读数
频率f
功率P

表1

实验二 微波的传输特性
【实验目的】
1. 通过测量观察测量线终端接不同负载（短路、开口、匹配负载等）时系统中形成的驻波分布情况。
2. 掌握用直接法测量负载驻波比的方法。
3. 掌握用交叉读数法测波导波长的方法。
【实验器材】
微波实验系统（DH406A0型）
【实验原理】
一般说来波导管中存在入射波和反射波，而描述波导管中匹配和反射程度的物理量为驻波比或反射系数。由于终端负载不同，波导管中电磁场的分布情况也不同，可以把波导管的工作状态归结为三种状态，即行波状态、纯驻波状态和行驻波（或混波）状态。实验中在测量线终端安装不同的负载（如图1），则可通过测量线探针在开槽传输线中移动，将部分功率经过晶体二极管检波后由指示器显示，从而判断波导管中电场的分布情况。

图1 微波测量系统

1．驻波比的测量
驻波比的确定是微波传输特性测定中最基本的测量，其测量方法、仪器很多。本实验主要利用测量线采用直接法测量负载的中、小驻波比。直接法测驻波比是一种最简单而又最常用的方法，但这种方法不适用于大驻波比的测量，需要寻求其他的方法。
如果驻波腹点和节点处经由检波指示器所指示的电表读数分别为和，且晶体二极管为平方律检波，则：
（1-1）
（1）当驻波比，且驻波的波腹和波节平坦不尖锐，难以准确测定时，为了提高测量精确度，可多测出几个波腹和波节点的数据然后取平均值，即可按下式计算：
（1-2）
（2）当驻波比时，则可按式（1-1）直接由测量数据计算。
2．波导波长的测量
波导中存在反射时就形成驻波，相邻两波腹或两波节之间的距离即为半个波导波长，因此很容易利用驻波测量线测量该波长。一般说来，与波腹处相比，波节处电场强度的变化较尖锐，且当测量线探针穿入深度不大时，对波节处电场分布的影响甚微，所以利用驻波测量线比较容易判断波节的准确位置。
通常可用交叉读数法确定波导波长。首先移动测量线的探针，找出波节点的大致位置（如，）和选频放大器指示的大小，然后再确定波节点两侧选频放大器指示值相等时探针所在的位置（如图1中的，和，），则：

波导波长则由两个邻近波节的距离决定：
图1 交叉读数法测量波导波长

则：

【实验内容及步骤】
1．调节测量系统至工作状态
保证测量系统平稳连接，调整信号源使其工作在方波调制状态。调整信号的输出大小，调节选放增益档，使选频放大器的指示显示大于2/3量程。用频率计配合信号源上的调谐旋钮，将微波信号调整至9000MHz左右，使系统处于较佳的工作状态。
2．驻波比的测量
（1）在测量线终端后接匹配负载，移动测量线探针，按式（1-2）测量并计算其驻波比。
（2）在测量线终端后接上失配负载，移动测量线探针，按式（1-1）测量并计算其驻波比。将测量结果填入表2。
3．波导波长的测量
（1）利用交叉读数法测量波导波长。测量线终端接上短路器，将测量线探针移到测量线的一端，然后移动探针到测量线的另一端，并在移动过程中，选择合适的位置测量。将测量结果填入表3。
（2）利用极点测量法测量波导波长。将测量结果填入表3。
表2
（µV）

（µV）

表3
方法一：交叉读数法
= =
电压值（µV）
5
10
15
20
25

方法二：极点测量法
= =

1
2
3
4

波节点位（mm）

波腹位置（mm）

【数据处理及报告总结】
1、正确画出微波测试系统的基本框图。
2、对于终端接短路器的情况，分别计算用交叉读数法和极点测量法测得的波导波长。
3、对于终端接失配负载（VSWR=1.5）的情况，计算驻波比，并计算相对误差和不确定度。
4、在同一坐标系下，按相同的比例，根据测量得到的数据绘制出在短路、失配负载两种情况下驻波分布特性图。
【思考题】
1．为测量微波频率、波导波长及驻波系数，设计并绘出“微波技术实验”的实验装置简图，并指出测量各参量时所用到的微波器件。
2．在“微波技术实验”中，是如何测量驻波比系数的？
3．在“微波技术实验”中，是如何进行波导波长测量的？
4．在“微波技术实验”中，微波在波导中的传输状态主要取决于什么器件？本实验中是如何观测到不同传输状态的？
5．试分析利用测量线直接测驻波比时主要的误差来源和修正（或减小）的方法。
6．为什么测量波导波长时，由相邻波节的位置来确定，而不是由相邻两波腹位置来确定？