微波实验报告波导波长测量

1 / 32微波实验报告波导波长测量电磁场与微波测量实验报告学院： 班级： 组员： 撰写人： 学号： 序号：实验二 波导波长的测量一、 实验内容波导波长的测量【方法一】两点法 实验原理如下图所示：按上图连接测量系统，可变电抗可以采用短路片。当矩形波导终端短路时，将形成驻波状态。波导内部电场强度表达式为：E EY E0 sin sin?Z在波导宽面中线沿轴线方向开缝的剖面上，电场强度的幅2 / 32度分布如图三所示。将探针由缝中插入波导并沿轴向移动，即可检测电场强度的幅度沿轴线方向的分布状态。YZ两点法确定波节点位置将测量线终端短路后，波导内形成驻波状态。调探针位置旋钮至电压波节点处，选频放大器电流表表头指示值为零，测得两个相邻的电压波节点位置，就可求得波导波长为：?g 2 Tmin Tmin由于在电压波节点附近，电场非常小，导致测量线探针移动“足够长”的距离，选频放大器表头指针都在零处“不动” ，因而很难准确确定电压波节点位置，具体测法如下：把小探针位置调至电压波节点附近，尽量加大选频放大器3 / 32的灵敏度，使波节点附近电流变化对位置非常敏感。记取同一电压波节点两侧电流值相同时小探针所处的两个不同位置，则其平均值即为理论节点位置：1Tmin ? T1 ? T2 ?2最后可得?g 2 Tmin Tmin 【方法二】 间接法矩形波导中的 H10 波，自由波长 0 和波导波长?g 满足公式：?g 4 / 32? 1 ? ? ?2a?2其中：?g3?108/f，acm通过实验测出波长，然后利用仪器提供的对照表确定波的频率，利用公式c0=确定出 0，再计算出波导波长?g。5 / 32校准晶体二极管检波器的检波特性由于微波晶体检波二极管的非线性, 在不同信号幅度时具有不同的检波律。在一般测量精度要求的场合, 可认为在小信号时为平方律检波,大信号时为直线律检波, 或在系统信号幅度范围内做平均检波律定标。晶体检波二极管的定标准确与否, 直接影响微波相关参数的测量精度。微波频率很高, 通常用检波晶体(微波晶体二极管)将微波信号转换成直流信号检测出来。微波晶体二极管是一种非线性元件, 检波电流 I 同微波场强 E 之间不是线性关系,在一定范围内, 两者关系为:晶体检波二极管的检波电流随其微波电场而变化, 当微波场强较大时近似为线性检波律, 当微波场强较小时近似为平方检波律。因此, 当微波功率变化较大时 a 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定标。本实验中采用两种定标方法 第一种定标方法检波电压 U 与探针的耦合电场成正比。晶体管的检波律 n 6 / 32随检波电压 U 改变。在弱信号工作情况下，近似为平方律检波，即 n=2；在大信号范围，n 近似等于 1，即直线律。测量晶体检波器校准曲线最简便的方法是将测量线输出端短路，此时测量线上载纯驻波，其相对电压按正弦律分布，即：UUmax?2?d?sin?g?式中 ，d 为离波节点的距离，Umax 为波腹点电压，g 为传输线上波长。 因此，传输线上晶体检波电流的表达式为?I?C?sin7 / 32?2?d?g?n根据上式就可以用实验的方法得到图所示的晶体检波器的校准曲线。 将上两式联立, 并取对数得到：作出曲线, 若呈现为近似一条直线, 则直线的斜率即是微波晶体检波器的检波律。第二种定标方法测量线终端短路，测出半峰值读数间的距离 W，晶体检波率可以根据下式计算：?=8 / 32logcos(g二、 实验步骤、按照图示连接好测量系统 、利用两点法测量，将波导测量线终端短路，调测量放大器的衰减量和可变衰减器使当探针位于波腹时，放大器指示电表接近满格，用公式两点法测量波导波长 、利用间接法测量波导波长。 、将探针沿测量线由左向右移动，按测量放大器指示每改变最大值刻度的 10%，记录一次探针位置，给出 U 沿线分布的图形 、设计表格，用驻波测量线校准晶体的检波特性三、 实验结果分析、作出测量线探针在不同位置下的读数分布曲线北京邮电大学电磁场与微波测量实验报告9 / 32学院：电子工程学院 班级： 组员： 撰写人： 学号： 序号：实验二 波导波长的测量一、 实验内容波导波长的测量【方法一】两点法 实验原理如 下图所示：按上图连接测量系统，可变电抗可以采用短路片，在测量线中入射波与反射波的叠加为接近纯驻波图形，只要测得驻波相邻节点得位置 L1、L2，由公式即可求得波导波长?。两点法确定波节点位置将测量线终端短路后，波导内形成驻波状态。调探针位置旋钮至电压波节点处，选频放大器电流表表头指示值为零，测得两个相邻的电压波节点位置，就可求得波导波长为：10 / 32?g 2 Tmin Tmin由于在电压波节点附近，电场非常小，导致测量线探针移动“足够长”的距离，选频放大器表头指针都在零处“不动” ，因而很难准确确定电压波节点位置，具体测法如下：把小探针位置调至电压波节点附近，尽量加大选频放大器的灵敏度，使波节点附近电流变化对位置非常敏感。记取同一电压波节点两侧电流值相同时小探针所处的两个不同位置，则其平均值即为理论节点位置：1Tmin ? T1 ? T2 ?2? 2 T Tmin 最后可得 gmin11 / 32【方法二】间接法矩形波导中的 H10 波，自由波长 0 和波导波长?g 满足公式：?g ? 1 ? ? ?2a?2其中：?g3?108/f，a通过实验测出波长，然后利用仪器提供的对照表确定波的频率，利用公式c0=12 / 32确定出 0，再计算出波导波长?g，利用波长表进行波导波长测量要注意，测量信号波长完成后要将波长计从谐振点调开，以免信号衰减后影响后面的测量。二、 实验步骤观察衰减器、空腔波长计、驻波测量线的结构形式、读数方法。 按图一检查系统的连接装置及连接电缆和电缆头。开启信号源，预热仪器，并按操作规程调整信号工作频率及幅度，并调整调制频率。注意：输出信号功率不能过大，以免信号过大烧坏检测器件及仪器，开启选频放大器电源，预热按说明书操作。注意：分贝开关尽量不要放在 60db 位置，以免工作时因信号过大损坏表头。 利用两点法进行测量，将波导测量线终端短路，调测量放大器的衰减量和可变衰减器使探针位于波腹时，放大器指示电表接近满格，用公式13 / 321a，1b 两点法测量波导波长。将驻波测量线探针插入适当深度，将探针转移至两个波节点的中点位置，然后调节其调谐回路，使测量放大器指示最大。利用间接法来测量波导波长 g，首先，用波长计测量信号波长。测三次取平均值，再按照公式二计算 g，测量完成后要将波长计从谐振点调开，以免信号衰减影响后面的测量。校准晶体二极管检波器的检波特性将探针沿测量线由左向右移动，按测量放大器指示每改变最大值刻度的 10%，记录一次探针位置，给出 u 沿线的分布图形。设计表格，用驻波测量线校准晶体的检波特性。 作出晶体检波器校准曲线图。令 d 作为测量点与波节点的距离；do 是波节点的实际位置，14 / 32d0+d 就是测量点的实际位置：再移动探针到驻波的波腹点，记录数据，分别找到波腹点相邻两边指示电表读数为波腹点 50%对应的值，记录此刻探针位置 d1 和 d2，根据公式n=()g求得晶体检波率 n，和所得的数值进行比较。三、 实验结果分析数据分析：由于此时波导中存在的是驻波，并且测量的位置是从波腹到相邻的波节，所以画出来的波形应该是正弦曲线的四分之一，由上图可以看出，实验结果基本符合，误差在允许范围内。 、给出检波晶体的校准曲线，求出晶体检波率15 / 32n。上图为对数坐标，横轴表示 logE，纵轴表示 logU分析：根据理论分析，上图应该是一条斜率为 n 的直线，而实际描出的点连成的线不是一条很直的直线，笔者决定采用理论拟合法拟合出一条直线。拟合后直线的斜率为，所以晶体检波率为。 第二种定标法?=(g=a.两点法测量波导波长16 / 32+= 22+136Tmin ? T1 ? T2 ?=22Tmin ? T1 ? T2 ?=?g 2 Tmin Tmin=b.间接法测量波导波长?g ?17 / 32?1 ? ? ?2a?2=比较两种方法测量出的波导波长，可以看出相差不大，说明实验结果比较准确，实验操作规范正确。做晶体检波特性的校准时，有哪些主要误差因素？怎样减少或避免？答：探针深入长度放在适当深度，当探针沿线移动时，应避免探针上下左右晃动。你所测的晶体校准曲线的应用条件是什么？18 / 32答：晶体二极管是一种非线性元件，亦即检波电流 I 同场强 E 之间不是线性关北京邮电大学 电磁场与电磁波测量实验实验报告实验内容：微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量 波导波长的测量 学院：电子工程学院 班级：2016211203班 组员：崔宇鹏 张俊鹏 章翀2016 年 5 月 9 日实验一 微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量一、实验目的(1) 学习微波的基本知识；(2) 了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技19 / 32术； (3) 学习用微波作为观测手段来研究物理现象。二、实验仪器1.微波信号源微波信号源由振荡器、可变衰减器、调制器、驱动电路、及电源电路组成。该信号源可在等幅波、窄带扫频、内方波调制方式下工作，并具有外调制功能。在教学方式下，可实时显示体效应管的工作电压和电流的关系。仪器输出功率不大，以数字形式直接显示工作频率，性能稳定可靠。2.隔离器位于磁场中的某些铁氧化体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性，隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输的作用。3.衰减器20 / 32把一片能吸微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率从以及去耦合的作用。4.波长计电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本不影响波导中波的传输。当电磁波的频率计满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。5.测量线测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。在波导的宽边有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导。线开槽波导中的场由不调谐探头取样，探头的移动靠滑架上的传动装置，探头的输出送到显示装置，就可以显示沿波导轴线的电磁21 / 32场变化信息。由于探针与电场平行，电场的变化在探针上就感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。6.检波晶体微波测量中，为指示波导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，用电流电表的电流 1 来读数的。从波导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。7.选频放大器用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出 1kHz 附近的信号，经整流平滑后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。8.匹配负载 9.短路片三、实验原理测量微波传输系统中电磁场分布情况，测量驻波比、阻抗、22 / 32调匹配等，是微波测量的重要工作，该实验系统主要的工作原理如图所示：图 1 实验原理框图四、实验内容和实验步骤1. 微波测量系统的使用(1) 观察测量系统的微波仪器连接装置，衰减器，波长计，波导测量线的结构形式；(2) 熟悉信号源的使用将信号源的工作方式选择为：等幅位置，将衰减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出；将信号源的工作方式选择为：方波位置，将衰减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出；(3) 熟悉选频放大器的使用； (4) 熟悉谐振腔波长计的使用方法23 / 32微波的频率测量是微波测量的基本内容之一。其测量方法有两种：谐振腔法；频率比较法。本实验采用了吸收式波长计测量信号源频率，为了确定谐振频率，用波长表测出微波信号源的频率。具体做法是：旋转波长表的测微头，当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰。反映在检波指示器上的指示是一跌落点，此时，读出波长表测微头的读数，再从波长表频率与刻度曲线上查出对应的频率。2. 信号源波长的测量(1) 微调单螺调配器，使腔偏离匹配状态，检波电流计上一定有示数；(2) 调节波长计是检波电流计再次出现最小值的时刻，读出此处波长计的刻度值； (3) 按照波长计的刻度值去查找“波长计-频率刻度对照表” ，就可以得到相应的信号源频率值；(4) 改变信号频率，从开始测到，测一次，记录在数据表格中。24 / 32五、实验结果表 1 信号源波长测量表实验二 波导波长的测量一实验内容波导波长的测量【方法一】两点法实验原理如下图所示：按上图连接测量系统，可变电抗可以采用短路片。当矩形波导终端短路时，将形成驻波状态。波导内部电场强度表达式为：E EY E0 sin sin?Z25 / 32在波导宽面中线沿轴线方向开缝的剖面上，电场强度的幅度分布如图三所示。 将探针由缝中插入波导并沿轴向移动，即可检测电场强度的幅度沿轴线方向的分布状态。微波测量线应用实验报告一、实验目的1、了解一般微波测试线的组成及其主要元、器件的作用，初步掌握它们的调整方法。2、掌握波导中波导波长和驻波比的测量方法。3、掌握调配器调配的方法及其对传输线驻波比的影响。二、实验内容1、测量波导传输线中的横向场分布； 2、测量波导传输线中的波导波长； 3、测量波导传输线中的驻波比；4、应用三螺调配器降低波导传输线中的驻波比。26 / 32三、微波测量线组成及测量原理常用的一般微波测试线组成如图 1 所示。图 1 常用的一般微波测试线组成本实验应用矩形波导组成的微波测试线。其中，微波信号源在驱动电源激励下产生一个受到方波调制的微波高频振荡信号，载波频率范围约为。隔离器为一小段波导内放有一个表面涂有吸收材料的铁氧体薄片，并外加一个恒定磁场使之磁化，从而对不同方向传输的微波信号产生了不同的磁导率，导致向正方向传播的波衰减很小，而反向传播的波则衰减很大，此即所谓的隔离作用，它使信号源能较稳定地工作。可变衰减器也是由一小段波导构成的，其中放有一表面涂有损耗性材料，并与波导窄壁平行放置的薄介质片。介质片越靠近波导中心处，衰减越大，反之，衰减越小。利用可变衰减器可以连续地改变信号源传向负载方向功率的大小；另外，如同隔离器一样，可变衰减器也具有一定的隔离作用。纵向场分布测量线是一段在其宽壁中心线开有一窄缝隙的矩形波导，电场探针从缝27 / 32隙插入波导中，耦合出一定功率的微波信号，通过微波范围内用的晶体二极管检波器后变成为 1kHz 的低频信号，该信号测量放大器放大后，其幅度通过表头显示。当电场探针沿着波导纵向移动时，测量放大器表头显示的数值变化就对应着波导中纵向电场幅度的分布。横向场分布测量线是一段在其宽壁横向开有一窄缝隙的矩形波导，电场探针从缝隙插入波导中，耦合出一定功率的微波信号，通过微波范围内用的晶体二极管检波器后变成为 1kHz 的低频信号，该信号测量放大器放大后，其幅度通过表头显示。当电场探针沿着波导横向移动时，测量放大器表头显示的数值变化就对应着波导中横向电场幅度的分布。三螺调配器为波导传输线的终端负载，他由三根细圆柱金属棒分别在波导宽边中心线的不同纵向位置插入波导中，通过每一根金属棒伸进波导内部长度的变化改变反射波的幅度和相位，可以将传输线从终端短路状态调整到终端匹配状态。四、实验方法与实验步骤1、首先按图 1 所示将测量系统安装好，然后接通电源和测量仪器的有关开关，观察微波信号源有无输出指示。若有指示，当改变衰减量或移动测量线探针的位置时，测量放大器的表头指示会有起伏的变化，这说明系统已在工作了。28 / 32但这并不一定是最佳工作状态。例如，若是反射式速调管信号源的话还应把它调到输出功率最大的振荡模式，并结合调节信号源处的短路活塞，以使能量更有效地传向负载。若有必要，还可以调节测量线探头座内的短路活塞，以获得较高地灵敏度，或者调节测量线探针伸入波导的程度，以便较好地拾取信号的能量。对于其它微波信号源也应根据说明书调到最佳状态。有时信号源无输出，但测量放大器也有一定指示。这可能是热噪声或其它杂散场的影响；若信号源有输出，但测量放大器的指示不稳定或者当测量线探针移动时，其指示不变，均属不正常情况，应检查原因，使之正常工作。系统正常工作时，可调节测量放大器的有关旋钮或可变衰减器的衰减量，使测量放大器的指示便于读数。2、测量波导波长。将图 1 中纵向场分布测量线检波器输出连接至测量放大器，调整测量放大器灵敏度和可变衰减器使测量放大器表头读数处于 5080 范围内。测量 g 时应将系统终端短路，则系统呈纯驻波状态，其波导中场强的纵向幅度分布如图 3 所示。当测量线的探针处于 Z1 和 Z2 位置时，测量放大器的指示为最小，此时从29 / 32测量线的刻度上即可求出波导波长 g=2Z2-Z1。在实际测量中，由于受设备的精度、灵敏度的限制，以及其它因素的影响，很难精确地确定 Z1 和 Z2 的位置。为提高测试精度，可采用“平均法”测定它们的位置，如图 3 所示。为了确定 Z1，使在 Z1 两侧的 d1 和 d2 处测量放大器有相同的指示数，则 Z1=( d1+ d2)/2，同理可得 Z2=( d3+ d4)/2。这比直接去测 Z1 和 Z2 要精确些。图 3 终端短路状态下波导中纵向场幅度分布图3、测量波导传输线中的驻波比。在上述条件下移动纵向场分布测量线中电场探针读取测量放大器读数的最大值和最小值，并记录。五、实验报告内