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微波基础实验 微波简介 微波通常是指波长范围为1mm至1m 即频率范围为300GHz至300MHz的电磁波 根据波长的差异还可以将微波分为米波 分米波 厘米波和毫米波 1 微波的波长很短 其波长比之建筑物 飞机 船舶等的几何尺寸要小得多 2 微波的频率很高 其电磁振荡周期短到跟电子管中电子在电极间渡越所经历的时间可以相比拟 因此 普通的电子管已经不能用作微波振荡器 放大器和检波器 必须采用原理上完全不相同的微波电子管 速调管 磁控管 行波管等 来代替 3 微波段在研究方法上不像低频无线电那样去研究电路中的电压和电流 而是研究微波系统中的电磁场 以波长 功率 驻波系数等作为基本测量参量 许多原子 分子能级间跃迁辐射或吸收的电磁波的波长正好处在微波波段 人们利用这一特点去研究原子 原子核和分子的结构 发展了微波波谱学 量子无线电物理等尖端学科 以及研究低噪声的量子放大器和极为准确的原子 分子频率标准 5 某些波段的微波能畅通无阻地穿过地球上空的电离层 因此微波为宇宙通信 导航 定位以及射电天文学的研究和发展提供了广阔的前景 二实验原理 常用的微波传输线有同轴传输线 波导传输线 微带传输线等 1 Ez 0 Hz 0 电场在z方向无分量 为横电波 2 电磁场沿x方向为一个驻立半波 沿y方向为均匀分布 3 电磁场沿z方向为行波状态 在该方向 电磁场分量Ey与Hx的分布规律相似 与Hz 0的位相则相差 2 传输线中的电磁波由入射波与反射波迭加而成 传输线中的工作状态主要决定于负载的情况 1 波导终端接匹配负载时 微波功率全部被负载吸收 无反射波 波导中呈行驻波状态 2 波导终端短路 接理想导体板 开路或接纯电抗性负载时 形成全反射 波导中呈纯驻波状态 3 波导终端接一般性负载 有电阻又有电抗 时 形成部分反射 波导中呈行驻波状态 主要构成原件 微波信号源是提供微波信号的必备仪器 一般实验室中常用的是反射速调管振荡器 但近来一些新型的微波固态信号源 如体效应振荡器等 已被广泛应用 微波谐振腔 谐振腔是一段封闭的金属导体空腔 具有储能 选频等特性 隔离器 这是一种铁氧体非互易性器件 通常是将微波铁氧体 有的还要附加吸收片 置于一段直波导内的恰当位置 并外加恒定磁场而成 衰减器 这是 种电阻性器件 分为固定式和可变式两类 在实验中应用较多的可变衰减器是通过在直波导内加装可移动的衰减片 通常是镀有电阻性材料的玻璃片 而成 匹配负载 通常做成波导段的形式 内置吸收片 吸收片做成特殊的劈形 以实现与波导间的缓慢过渡匹配 终端短路 进入匹配负载的入射微波功率几乎全部被吸收 晶体检波器 它的典型机构是在一段直波导上加装微波检波二极管 短路活塞和调配螺钉而成 晶体检波二极管置于平行微波电场方向 当有微波输入时 在晶体中感应出微波信号驻波测量线 它由一段沿纵向开有细长槽的直波导与一个可沿槽移动的带有微波晶体检波器的探针探头组成 探针经过槽插入传输线内 从中拾取微波功率以测量微波电场强度的幅值沿线的分布 探针的位置可由测量线上所附标尺或测微计读取 频率 波长 计 教学实验中用得较多的是 吸收式 谐振频率计 谐振式频率计包含一个装有调谐柱塞的圆柱形空腔 腔外有GHz的数字读出器 空腔通过隙孔耦合到一段直波导管上 谐振式频率计的腔体通过耦合元件与待测微波信号的传输波导相连接 形成波导的分支 当频率计的腔体失谐时 腔里的电磁场极为微弱 此时它不吸收微波功率 也基本上不影响波导中波的传输 相应地系统终端输出端的信号检测器上所指示的为一恒定大小的信号输出 测量频率时 调节频率计上的调谐机构 将腔体调至谐振 此时波导中的电磁场就有部分功率进入腔内 使得到达终端信号检测器的微波功率明显减少 只要读出对应系统输出为最小值时调谐机构上的读数 就得到所测量的微波频率 实验目的 1 熟悉常用微波器件的功能和结构2 掌握微波基本参量 驻波和频率的测量原理和方法 实验原理与方法 1 驻波比定义 一个微波元件插入均匀波导以后 即会产生反射波 不同性能的元件引起反射波的大小和相位都不相同 它与入射波合成后产生的驻波状态也不相同 在驻波分布图形上有驻波波腹和驻波波节 波腹点的电场最大值为Emax 波节点的电场最小值为Emin 电压驻波比是传输线中电场最大值与最小值之比 表示为 图1 驻波的形成 检波晶体二极管特性的测定与定标 由测量线结构可知 是开槽线使探针拾取探针所在位置的电场 感应出与场强成正比的电动势加到探头内的检波晶体上 晶体检波后的检波电流接到适当的仪表上 指示出沿线分布的驻波大小 一般来说 晶体二极管是非线性元件 通常加在检波二极管上的电压u正比于探针所在位置的场强E 而检波电流i与检波电压u的一般关系式为式中c为常数 n为检波律 u为检波电压 晶体管的检波律n随检波电压u而改变 通常在低电压范围n近似等于2 平方律 在高电压范围n近似等于1 直线律 n的数值可以由定标曲线求出 晶体定标曲线的测量方法 将测量线输出端短路 根据传输线内的驻波分布规律测出 当输出端短路时 波导内电场驻波的分布纵向分布如图二 b 所示 其表示式为 相对值为 式中Em为驻波波腹点的电场强度 d是以波节为零点向最大值Em方向的距离 由于晶体二极管检波电压正比于探针所在位置的电场强度 所以也可以表示为电压的相对值即 将电压相对值代入式中是电流相对读数 是探针位置的相对场强 即相对电压 根据此式能够直接用实验的方法测出定标曲线 测量定标曲线的步骤 1 在调整好的测量线上用交叉读数法测量波导波长 当测量线终端短路时 传输线上形成驻波 移动测量线探针 测出两个相邻驻波最小点之间的距离 就可得到波导波长 因此 如图三所示 在波节点两侧取等指示度的探头位置读数D1 D2 由对称性可得 D1 D2间的驻波波节点的位置为Dmin1 最好在Dmin1的两侧多取几次等指示度的探针位置读数 求得该节点的平均值 而后将探头移到与Dmin1相邻的另一节点附近 求得等指示度位置D3 D4 则对Dmin2求多次平均为 由此求波导波长 2 作晶体定标曲线 参考图二 在波节和波腹点之间大约取10点 从波节Dmin开始 将探针逐次移到这些点D1 D2 DK D10等位置上 并记录相应的电流读数i1 i2 ik i10 注意 开始DK之前 应将探针置于波腹点 调整电表的XF 01分贝档或微波衰减器 使电表指示接近满度100 并记下检波电流的腹值imax 分别求出各点位置与波节点的距离 由于探针影响 驻波分布并不是以波节点为中心对称变化 在准确度要求高的情况 应从节点开始 向另一方向将探针移到指示度仍等于i1 i2 iK i10的位置 并记录相应的探头位置数据这些对称点距波节点距离为然后取两边距离的平均值 即 取D为最后数据 将D代入式 求出各点的相对场强 并由测量值求得相对电流指示 以E 为横轴 以i 为纵轴 将上列数据标在方格坐标纸上 并连成平滑曲线 这就是晶体二极管的定标曲线 见图五 纵轴也可以直接用电流表读数表示 作出定标曲线以后就可以用它求出相对场强 例如在开槽线内移动探针获得最大点指示80 最小点指示54 由图五查得相对场强 于是电压驻波比 不少场合 为了方便起见 常常要知道晶体的检波律n 这时可以利用如下方法求得 将 式两边取对数得 如果把上式右边的 看成变量 则检波律n是该直线的斜率 因此 将实验中测得的电表相对读数 即相对电流 的百分数作纵坐标 相对场强作横坐标 在全对数坐标纸上画出的直线 该直线的斜率即为n 如图六是用图五的实验数据画出的曲线 在电表相对读数20 100 的范围内 检波律n 2 14 驻波比的直接测量法 1 按图七连接并调整线路 在连接线路时 要注意波导口完全对齐 否则形成台阶产生反射影响测量结果 波导法兰接触可靠 若接触不紧形成缝隙会使波导电磁波泄漏出来 或外界电磁波泄漏进去产生干扰场 2 用等指示度法测波导波长 3 作晶体定标曲线求出检波律n 4 沿槽线缓缓移动探针 在驻波波腹读取imax 在驻波波节读取imin 5 根据读数的数据imax和imin 从晶体定标曲线中查出相对场强计算驻波比 若已知晶体检波律n 可按下式计算为准确起见 可在测量线上多读取几个imax和imin 取其平均值 当指示器用XF 01选频放大器时 电表刻度上有驻波比的直接读数 将探针置于驻波波腹 调节XF 01的衰减 增益旋钮使电表满度 然后将探针置于波节 此时电表的示数 驻波比档 即为平方律检波时的驻波比值 实验报告内容 在方格坐标纸和全对数坐标纸上绘出i E 曲线 即晶体定标曲