实验三--微波波导波长与频率的测量

实验三 微波波导波长与频率的测量 分析和计算 一 实验目的 1 熟悉微波测量线的使用 2 学会测量微波波导波长和信号源频率 3 分析和计算波导波长及微波频率 二 实验原理 测量线的基本测量原理是基于无耗均匀传输线理论 当终端负载与测量线匹配时测量 线内是行波 当终端负载为短路或开路时 传输线上为纯驻波 能量全部反射 根据驻波 分布的特性 在波导系统终端短路时 传输系统中会形成纯驻波分布状态 在这种情况下 两个驻波波节点之间的距离即为波导波长的 1 2 所以只要测量出两个驻波波节点之间的 距离 就可以得到信号源工作频率所对应的波导波长 方法一 通过测量线上的驻波比 然后换算出反射系数模值 再利用驻波最小点位置 dmin 便可得到反射系数的幅角以及微波信号特性 网络特性等 根据这一原理 在测得一 组驻波最小点位置 d1 d2 d3 d4 后 由于相邻波节点的距离是波导波长的 1 2 这样 便可通过下式算出波导波长 3 1 0min1 0min20min30min4 2342 1 dd dddddd g 方法二 交叉读数法测量波导波长 如图 3 1 所示 图 3 1 交叉读数法测量波节点位置 为了使测量波导波长的精度较高 接近实际的波导波长 采用交叉读数法测量波导波 长 在测试系统调整良好状态下 通过测定一个驻波波节点两侧相等的电流指示值 I0 可 选取最大值的 20 所对应的两个位置 d1 d2 则取 d1 d2 之和的平均值 得到对应驻波 波节点的位置 dmin1 用同样的方法测定另一个相邻波节点的位置 dmin2 如图 3 1 所示 则 dmin1 dmin2 与系统中波导波长之间的关系为 3 2 2 1 2 1 432min211min dddddd 3 3 1min2min 2dd g 在波导中 还可利用下面公式计算波导波长 3 4 a g 21 0 0 式中 0为真空中自由空间的波长 本实验中波导型号为 BJ 100 其宽边为 a 22 86 mm 代入上式计算出波导波长 信号源工作频率 f 对应工作波长 可由下式求得 其中 22 cg cg 3 5 8 103 f 信号源工作频率亦可用吸收式频率计测量 实验中采用的吸收式频率计连在信号源与 检波器之间 当吸收式频率计失谐时 微波能量几乎全部通过频率计 此时选频放大器指 示最大 使用时 缓慢旋转频率计套筒 即调节吸收式频率计 当调节频率计至谐振状态 时 选频放大器指示表上观察到信号大小发生明显的变化 并达到最小处 此时一部分能 量被频率计吸收 并可以确定此时读得吸收式频率计上指示的频率即为信号源工作频率 三 实验内容和步骤 1 按图 1 1 所示连接微波测量系统 打开信号源 选频放大器的电源 将信号源设置在 方波调制工作方式 将衰减器调整到合适位置 使选频放大器输出指示不超过满量程 即 使系统工作在最佳状态 2 测量线终端接短路板 从负载端开始旋转旋钮 移动测量线上探头座 使选频放大器 指示最小 此时即为测量线等效短路面 记录此时的探针初始位置 记作 dmin0 并记录 数据 3 继续旋转移动探头座位置 选择合适的驻波波节点 一般选在测量线的有效行程的中 间位置 并选择一个合适的检波指示值 I0 如图 3 1 中所示 然后按交叉读数法测量波 导波长 测量三组数据 取算术平均值作为波导波长的测量值 记入表 3 1 4 将数据代入式 3 1 式 3 2 计算出波导波长 5 用频率计测量信号源工作频率 缓慢旋转频率计套筒 即调节吸收式频率计 当调节 频率计至谐振状态时 选频放大器指示表上观察到信号大小发生明显的变化 并达到最小 处 此时一部分能量被频率计吸收 并可以确定此时读得吸收式频率计上指示的频率即为 信号源工作频率 读取频率值时 在频率计上两条水平红线之间读取竖向红线处的频率刻 度值 反复测 3 次 取其平均值 记入表 3 2 6 将频率计测量结果 波导波长测量结果及计算结果进行比较 注意事项 1 频率计是用来测量频率的仪器 而不是用来调整频率的微波元器件 测完频率后应将 频率计调至失谐 2 波导波长的测量方法中要注意指示值不要太大 尽量不要在测量线的两端 而是放在测 量线的中端进行测量 读数要仔细 3 测量波长时 测量线探针座位置应该向一个方向移动 以免引入机械回差 四 实验结果及数据处理 探针初始位置 dmin0 79 72mm 表 3 1 a 方法一的测量波导波长数据记录表 单位 mm 位置读数 测量次数 1min d 2min d 3min d 1103 04124 44147 16 2102 06125 10146 88 3103 76124 72146 28 表 3 1 b 方法二的测量波导波长数据记录表 单位 mm 位置 读数 测量次数 1 d 2 d 3 d 4 d 1min d 2min d 199 12105 74121 18127 84102 06125 10 299 10106 08120 70128 24103 76124 72 399 12105 88120 90128 10103 04124 44 注 上表中和为实际测量值 1min d 2min d 计算得 方法一 第 1 次测量 mmdd dddd g 44 45 23 3 2 0min1 0min20min3 第 2 次测量 mmdd dddd g 94 44 23 3 2 0min1 0min20min3 第 3 次测量 mmdd dddd g 81 45 23 3 2 0min1 0min20min3 mm g 39 45 mma c 72 452 mm cg cg 21 32 22 GHzf313 9 103 8 方法二 第 1 次测量 mmddd mmddd 51 124 2 1 43 102 2 1 432min 211min mmdd g 16 442 1min2min 第 2 次测量 mmddd mmddd 47 124 2 1 59 102 2 1 432min 211min mmdd g 76 432 1min2min 第 3 次测量 mmddd mmddd 50 124 2 1 50 102 2 1 432min 211min mmdd442 1min2min g mm g 97 43 mma c 72 452 mm cg cg 69 31 22 GHzf466 9 103 8 表 3 2 频率测量数据记录表 频率测量次数123 f GHz 9 3689 3669 368 计算得 第 1 次测量 m f 032 0 103 8 第 2 次测量 m f 032 0 103 8 第 3 次测量 m f 032 0 103 8 mm32 GHz fff f367 9 3 321 经比较分析可知 方法一测量计算得波导波长为 工作波长为mm g 39 45 工作频率为 方法二测量计算得波导波长为mm21 32 GHzf313 9 工作波长为 工作频率为 而频率计测量mm g 97 43 mm69 31 GHzf466 9 的工作频率为 计算得工作波长为 计算值和测量值近似相等 GHzf367 9 mm32 五 思考及体会 测量线为什么在波导中心线开槽 微波测量线是测量波导中微波电场分布的精密仪器 它的结构是一段在宽边中心线上 开槽的波导管和可沿槽线滑动的探针 它在微波测量中用途很广 可测驻波 阻抗 相位 波长等 测量线通常由一段开槽的传输线 探头 传动装置三部分组成 由于耦合探针伸 入传输线而引入不均匀性 其作用相当于在线上并联一个导纳 从而影响到系统的工作状 态 矩形波