微波测量实验-微波驻波比的测量

电磁场与微波测量实验电磁场与微波测量实验 实验报告实验报告 2 北京北京邮邮电大学电大学 实验三实验三 微波驻波比的测量微波驻波比的测量 由于微波的波长很短 传输线上的电压 电流既是时间的函数 又是位置 的函数 使得电磁场的能量分布于整个微波电路而形成 分布参数 导致微波 的传输与普通无线电波完全不同 微波系统的测量参量是功率 波长和驻波参 量 这也是和低频电路不同的 电压驻波系数的大小往往是衡量一个微波元件 性能优劣的主要指标 驻波测量也是微波测量中最基本和最重要的内容之一 通过驻波测量不仅可以直接得知驻波系数值 而且还可以间接求得衰减器 相 移量 谐振腔品质因数 介电常数 一 一 实验目的实验目的 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 二 实验原理实验原理 驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一 通过驻波测量可以测 出阻抗 波长 相位和 Q 值等其他参量 在传输线中若存在驻波 将使能量不 能有效地传给负载 因而增加损耗 在大功率情况下 由于驻波存在可能发生 击穿现象 此外 驻波存在还会影响微波信号发生器输出功率和频率的稳定度 因此 驻波测量非常重要 电压驻波比测量 电压驻波比测量 驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一 通过驻波测量可以测 出阻抗 波长 相位和 Q 值等其他参量 在测量时 通常测量电压驻波系数 及波导中电场最大值和最小值之比 即 Emax Emin 测量驻波比的方法与仪器种类很多 有直接法 等指示度法 功率衰减法 等 我们这次实验中主要用直接法和等指示度法来熟悉驻波测量线的使用 1 直接法 直接法 直接测量沿线驻波的最大点与最小点场强 从而求得驻波系数的方法称为 直接法 若驻波腹点和节点处电表读数分别为 则电压驻波系数 UmaxUmin Emax Emin Umax Umin 当驻波系数 1 5 5 时直接读出 即可 在我们的实验中 由于 ImaxImin 选频放大器直接读出来的是电压而不是电流 所以我们直接读出和也 UmaxUmin 可以 当电压驻波系数在 1 05 1 5 时 驻波的最大值和最小值相差不大 且不 尖锐 不易测准 为了提高测量准确度 可移动探针到几个波腹点和波节点记 录数据 然后取平均值 1 2 1 2 E E W Emax Emin L L Lk L2 L2 Lk 直接法线驻波场分布图 等指示度法波节点附近场的分布 2 等指示度法 等指示度法 当被测量的驻波系数大于 5 时 驻波腹点和节点的电平相差比较大 直接 法求取大驻波系数会带来较大的误差 原因是 波腹点和波节点电平相差悬殊 因此在测量最大点和最小点电平时 晶体工作在不同的检波率 所以仍然采用 直接法测量大驻波比误差较大 因此采用等指示度法 也就是通过测量驻波图 形中波节点两旁附近场的分布规律的间接方法 求出驻波系数 根据传输线上场强和终端反射系数之间的关系 如果确定驻波节点两旁等 指示度之间的距离 可以推导出关系 k 2 cos W g 2 sin W g 式中 k 测量点读数 最小点读数 g 为测量线上的波长即波导波长 通常情况下 取测量点的两个等指示度点所对应的探 U左和右 2Umin 针位置间距 记录为 如果晶体是平方率检波 传输 W Lh Lh n 2 线的驻波系数可以用下式计算 1 1 sin 2 当 较大时 10 由于 W 和很小 较小 sin 故公式进一步简化为 sin 这种方法取 k 2 时进行测量 所以也称为 二倍最小值 法 或 3 分贝方 法 必须指出 必须指出 W 与与的测量精度对测量结果影响很大 因此必须用高精度的的测量精度对测量结果影响很大 因此必须用高精度的 探针位置测量装置 如千分测微计 进行读数 探针位置测量装置 如千分测微计 进行读数 三 三 实验内容及数据处理实验内容及数据处理 1 1 直接法测量驻波系数直接法测量驻波系数 直接发驻波系数测量框图 1 按上图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和 UmaxUmin Umax Umin 5 当检波晶体工作在平方律检波情况时 驻波分布示意如下图 Imax Imin L 在实验中我们测得的数据如下 uV uV 80 58182808080 5 匹配负载 81 280 2 1 01 878586 535 53736 失配负载 86 236 2 1 54 开路 99601 29 从实验中我们可以看出 对于匹配负载 1 01 与理论值 1 十分相近 对 于失配负载 1 54 也比较接近实验仪器上写的 1 5 因为终端短路时 非常大 超过了 5 由实验原理知 当被测量的驻波系 数大于 5 时 驻波腹点和节点的电平相差比较大 直接法求取大驻波系数会带 来较大的误差 因此我们需要采用其他的方法测量 2 等指示度法测量驻波系数 等指示度法测量驻波系数 当驻波比大于 5 的时候 我们不再能用直接法测量 必须用等指示度法 步骤如下 1 连接好微波测量系统 开启微波信号源 选择好频率 工作方式选择 方波 2 将测量线探针插入适当深度 用选频放大器测量微波的大小 选择较小 的微波输出功率并进行驻波测量线的调谐 3 将测量线终端接短路片 用两点法测量三个相邻波节点位置 计算 参数 T1 T2 T1 T2 测量示数 mm 150 3147 1 125 9 122 4 2 49 1mm 4 将测量线终端换接调配器 晶体检波器 并将探针置于住波节点位置 提高 测试系统灵敏度 选择两倍于波节点电压强度的左右相邻两个点 l 148 4mm 与 l 151 1mm 则 W l l 2 7mm 代入公式 1 1 sin 2 得到 即用等指示度法测出的驻波系数为 5 9 5 9 四 四 思考题思考题 1 开口波导的 为什么 如果想获得真正意义的开路 应采用什么方 法 答答 对于开口波导 其负载阻抗 Z L 则 GL 1 又根据 r 的定义 得 r 则按理论推算开口波导的 r 应为无穷大 但由于实际上并无法 1 1 实现全反射 因此其驻波比不为无穷大 要想获得真正意义上的开路 应该连 接四分之一阻抗变换器 2 驻波节点的位置在实验中精确测准不容易 如何比较准确的测量 答答 可以采用两点法进行波节点位置的测量 在驻波节点两边取等指示度点并 记录位置 取两点中间值即为波节点位置 3 讨论直接法 等指示度法 功率衰减法测量电压驻波比的特点 答答 直接法适用于测量电压驻波比在 1 5 和 5 之间的情况 在驻波比较大时易 产生较大的误差 等指示度法适用于驻波比较大时 但对仪器精确度要求较高 功率衰减法适用于一切情况 4 在对测量线调谐后 进行驻波比的测量时 能否改变微波的输出功率或衰减 大小 答答 不能 根据公式 在测量过程中 若改变微波的输出功率或衰 减大小 会影响电压值 然后会造成测量值得偏差 影响实验结果 5 在测量单螺钉驻波比时 为什么要在单螺调配器后面紧跟上一个匹配负载 答答 如果没有在单螺调配器后加上匹配负载 那么不匹配负载的阻值就会与单 螺调配器的阻值叠加 改变从单螺调配器左端看过去的阻抗值 同时