九微波的传输特性和基本测量-内蒙古工业大学

微波技术实验指导书微波技术实验指导书 内蒙古工业大学信息工程学院电子系内蒙古工业大学信息工程学院电子系 2012 年 8 月 微波技术实验指导书 目录目录 实验一 传输线调试及参数测试实验一 传输线调试及参数测试 2 实验二 衰减的测量实验二 衰减的测量 13 实验三 阻抗匹配网络的设计实验三 阻抗匹配网络的设计 17 微波技术实验指导书 1 实验要求实验要求 一 预习要求 实验前必须充分预习 完成指定的预习任务 1 认真阅读实验指导书 分析 掌握实验电路的工作原理 并进 行必要的计算 2 复习实验中所用各仪器的使用方法及注意事项 3 熟悉实验任务 完成各实验 预习要求 中指定的内容 写好 预习报告 二 实验要求 1 使用仪器前必须了解其性能 操作方法及注意事项 在使用时 应严格遵守 2 实验时应注意观察 若发现有破坏性异常现象 例如有元件冒烟 发烫或有异味 应立即关断电源 保持现场 报告指导教师 找 出原因 排除故障后 经指导教师同意再继续实验 3 在进行微波测试时 终端尽量不要开口 以防止微波能量泄露 4 实验过程中应仔细观察实验现象 认真纪录实验结果 数据 波 形 现象 所纪录的实验结果经指导教师审阅签字后再拆除实 验线路 5 实验结束后 必须关断电源 并将仪器 设备 工具等按规定 整理 6 实验后每个同学必须按要求独立完成实验报告并按时上交 微波技术实验指导书 2 实验一 传输线调试与参数实验一 传输线调试与参数测试测试 实验目的实验目的 1 学会使用基本微波器件 2 了解微波振荡源的基本工作特性和微波的传输特性 3 学习利用吸收式测量频率和波长的方法 4 掌握用测量线来测量波长和频率的方法 5 学会测量线的定标 6 掌握常用的大 中 小电压驻波比的测量方法 以及如何精确测量 实验原理实验原理 1 微波的传输特性 为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响 采用标准矩形波导管为微 波传输线 并用 TE10波型 波导管具有三种工作状态 当终端接 匹配负载 时 反射波不存在 波导中呈行波状态 当终端接 短路片 开路或接纯电抗性负载时 终 端全反射 波导中呈纯驻波状态 一般情况下 终端是部分反射 波导中 传输的既不是行波 也不是纯驻波 而是呈行驻波状态 2 微波频率的测量 用吸收式频率计 PX16 直读式 测量范围 8 2GHZ 12 4GHZ 误差 0 3 当传输线中相当一部分功率进入频率计谐振腔内 而另一部分 从耦合元件处反射回去 当调节频率计 使其自身空腔的固有频率与微波 信号频率相同时产生谐振 用选频放大器测量 信号源须用内方波 重复 频率为 1KHZ 左右 谐振时可从选放上观察到信号幅度明显减少 以减幅 最大位置为判断频率测量值的论据 微波技术实验指导书 3 3 微波功率的测量 用 GX2C 小功率计配小功率探头直接测量连续或脉冲调制的射频平均功 率 GX2C 属于热电偶型 热电偶膜片既是传输线终端负载电阻 又见电磁 场能 热能 直流电动势的转换器件 4 波导波长 g 的测量 g在数值上为相邻两个驻波极值点 波腹或波节 距离的两倍 常采 用测定驻波极小点的位置来求出 g 1 用平均值法 找出两个相邻最小点的位置 D1和 D2 移动探针在驻 波最小点 D1左右找出两个具有相同幅度 由选频放大器读出 的位置 d1和 d2 同样找出 D2点左右的 d3和 d4 则 2 21 1 dd D 2 43 2 dd D 2 214312 ddddDD g D1 D2的 位置在测 量线上通 过标尺读 出 2 用可变短 路器 首 微波技术实验指导书 4 先找出第一点最大点 D1时 将选频放大器增益放大 来回转动可变短路器 记下最小点时可变短路器上的刻度位置 X1 然后改变可变短路器 找出另 一个相邻最小点 D2 再记下可变短路器上刻度位置 X2 则 1 2 1 2 XX g 通过测出 g 可计算出频率和自由空间波长 有一一对应的关系 5 驻波比的测量 驻波比的测量是微波测量中最基本 最重要的内容之一 电压驻波比 简称驻波比 定义是 传输线中电场最大值与最小值之比 即 式中为电场的归一化值 相对场强 min max min max E E E E S E 1 直接法 直接法测量传输线驻波的波幅点与波节点场强 由定义求得驻波比的方 法称为直接法 该方法适用于测量中 小驻波比 即 S10 时 很小 上式可简化为 sin g W K 2 n 2 W S g 3 功率衰减法 功率衰减法测量驻波比是一种简便而准确的方法 它的测量精确度主要 决定于标准可变衰减器的校准误差和测量线路的失配误差 而与晶体检波律 无关 它可测量任意驻波比 功率衰减法是利用标准可变衰减器改变入射波振幅 或功率 使检波 指示不变来测量驻波波幅点与波节点的电平差 由电平值 分贝值 来计算 驻波比 设信号源送入可变衰减器的入射波为 通过波为 由被测元件 0 E 1 E 产生的反射波为 第一次在测量线内合成波波节点处有 1 E 1 1 min EE 改变可变衰减器 使指示器得到一个明确而便利的读数 衰减器的衰减 量为 Amin 可见 微波技术实验指导书 7 1 lg 20 min 0 min E E A 再把探针移到波幅点 同时加大衰减器的衰减量 使该点处的合成波 与相等 即 也即保持两次指示器读数不变 此 2max E 1min E 1min2max EE 时衰减量为 Amax 同理 1 1 lg 20 2 0 max E E A 则 1 lg 20 2max 0 max E E A SAAlg20 1 1 lg20 minmax 因此 1 20 minmax 10 AA S 5 实验装置实验装置 YM1123 标准信号发生器 GX2B 小功率计 YM3892 选频放大器 TC2b 波导型测量线 TS7 厘米波导精密衰减器 PX16 直读式频率计 BD 20A 三厘米波导系统 探头若干 实验内容与步骤实验内容与步骤 1 熟悉有关仪器的基本原理和使用方法 连接好仪器 连接线路如图 1 1 所示 信 号 源 波导 同轴 转换 器 调配器 或用波 导隔离 器 定向 耦合 器 可 变 衰 减 器 测 量 线 H 面 弯波 导 频 率 计 晶体 检波 器 选频 放大 器 匹配负载 短路板 功率计 可变短路 器 测量面 图 1 1 微波技术实验指导书 8 2 打开标准信号发生器的电源 电流调零 输出功率调到中档 输出频率 调到 10GHZ 信号工作方式置于 内方波 重复频率用 X10 档 1KHZ 左右 3 将选频放大器衰减档置于 40dB 档位 输入阻抗置 200 通频带置于 32HZ 4 将选频放大器接到晶体检波器输出端 缓慢旋转频率计在 10GHZ 左右 当输出幅度降低达到最低的时候 谐振腔 频率计 处于谐振状态 此 时频率计的读数就是信号源的输出频率 f 5 当频率计不处于谐振状态时 将选频放大器接到 TC2b 测量线上 测量 端口接上可变短路器 缓慢移动测量探针 测出相邻两个极值点附近的 两点坐标 测两组数据 再用平均值方法 计算波导波长 测三组数据 2143 dddd g 位置 1 mm 位置 2 mm mm g 1 d3 d 2 d4 d 1 d3 d 2 d4 d 1 d3 d 微波技术实验指导书 9 2 d4 d 1 X 2 X 6 标准信号源仍开机不动 将功率计开机调整 并将校准因子调节好 例 信号源为 10 0GHZ 时 标准因子调 95 再接上探头 然后 32 TGX 把 GX2 T3功率探头与信号源和功率计连接 慢慢增大信号源的输出功 率 当输出最大时记录所测功率 测量完毕 一定要先拆下功率探头 再关功率计和信号源 7 驻波比测量 被测负载为功率计 GX2B 小功率计 1 按图 1 2 或图 1 3 连接实验线路 开启信号源 调整测量线 直接法 等指示度法 功率衰减法 2 直接法测量驻波比 将被测负载接于测量线路终端 移动探针 测 Imax和 Imin 信号源隔离器频率计测量线 选频放 大器 被测负载 短路负载 图 1 2 信号源隔离器频率计测量线 选频放 大器 被测负载 可变衰 减器 图 1 3 微波技术实验指导书 10 3 等指示度法测驻波比 将被测负载接于测量线终端 移动探针至波节点处 测得 Imin 在波节点两侧 I 2Imin处测得标尺刻度 d1和 d2 重复三次 4 功率衰减法测驻波比 将被测负载接于测量线终端 将探针移至波节点 同时改变衰减器 使指示器得到一个明确而 便利的读数 I1 应该大于 1 2 满刻度 并读得衰减器刻度 A1 将探针移到波幅点 改变可变衰减器 使指示器读数仍保持为 I1 并读得衰减器的读数 A2 8 数据处理与表格 1 根据 Imax和 Imin 由晶体定标曲线查得相应的与 由 max E min E min max E E S 计算 S 并与由 计算得到的 S 进行比较 2 由三次测得的 d1 d2 计算 W 的平均值 并将 W 的平均值与代入 g 1 4 式计算 S 3 根据测得的 A2与 A1 由衰减量 Amax dB 与 Amin dB 并代入 1 5 式计算 S 微波实验注意事项微波实验注意事项 1 旋动频率计要缓慢 否则塑料红指针易卡断 在起始端和终了端要 切忌不能使劲转动 2 移动测量线探针的同时 要适当调整选频放大器的放大倍数 避免 min max I I S 微波技术实验指导书 11 在输出最大位置时选放指针打表 3 合适调节信号源的输出功率 衰减约 37dB 4 每次改变信号源频率时 都须重新调整 E H 面阻抗调配器 晶体检 波器 测量线 使之处于谐振输出最大状态 5 测量功率时须保证被测系统中各连接头接触可靠 并保证信号源和 功率计外壳等电位 测试过程中切不可大范围调节被测功率源的频 率 每次换档时 要重新调零 功率计 在装拆连接同轴探头时一 定要小心 要先将信号源和功率计开机并调试好 再接上功率探头 测好后先功率探头拆下再关机 切不可在接上功率探头的情况下 开 关被测功率源的开关 易烧毁膜片 6 等指示度法中测 W 最好用指针式测微计 但作为学习测量原理与方 法 也可以直接用测量线上的标尺 7 功率测量法必须用已校准的精密衰减器测量 用一般可变衰减器测 量不能保证精度 但可作为学习测量原理与方法使用 思考与讨论思考与讨论 1 连接微波测试系统时 应注意哪些问题 2 驻波测量线测定波导波长的方法 波导波长与自由空间波长的大小 关系如何 3 为什么有时晶体检波器在调速管和检波二极管都完好的情况下 会 出现输出信号很小的现象 如何调节 4 用直读式频率计测量频率后为什么要失谐 5 平均值读数法测量波导波长时 等指示值的大小选择对测量结果有 什么影响吗 6 平均值读数法能减小哪些原因带来的误差 7 分析测量驻波比实验中用三种方法测量所得结果 你认为引起误差 的原因是什么 应如何减小测量误差 可能的话 在实验中试一下 微波技术实验指导书 12 附驻波比测量参考数据表格附驻波比测量参考数据表格 1 直接法数据 波幅点 mA max I 波节点 mA min I 驻波比 S 2 等指示度法数据 2对应的探针 min I 位置 次数 min I mm 1 d mm 2 d 21 ddW mm W 平均 mm 平均 g mm S 1 2 3 3 功率衰减法数据 微波技术实验指导书 13 A1Amin dB A2Amax dB Amax Amin dB S 实验二 衰减的测量实验二 衰减的测量 1 用功率比测量衰减 2 用替代法测量衰减 一 一 实验目的实验目的 1 熟练掌握用平方律检波法与高频替代法测量衰减量的技术 2 了解定向耦合器的参数及其衰减的测量方法 二 二 实验原理实验原理 1 参考前述章节中电源方向驻波系数测量及衰减测量的有关部分 2 定向耦合器是一种很有用的微波元件 它具有在一定方向上耦合电 磁能量的特性 因而可用作精密分功率器 微波反射计等 在功率 监视系统 大功率设备中更是不可缺少的器件 定向耦合器的种类很多 其结构示意图如下 P0 PB Pa Pi 主波导 辅波导 微波技术实验指导书 14 能量从主波导输入端输入 其中一部分通过主波导到主波导输出端 另 一部分通过耦合结构到辅波导 辅波导中向左传输的能量由于它的定向性而 相互抵消 剩余部分为终端负载所吸收 向右部分通向辅波导输出端 定向耦合器主要参量有 1 耦合系数也称过渡衰减 表示能量从主波导耦合到辅波导的大小 如图 所示 Pi表示主波导输入能量 Pa为耦合到辅波导输出端能量 则用分 贝表示的耦合系数 C 定义为 lg10dB P P C a i 2 方向系数亦称方向性 表示定向性能的好坏 如图中到达辅波导反向端 的能量 PB越小 定向性越好 用分贝表示的方向系数 D 定义为 B a P P Dlg10 3 输入驻波系数 为主 辅波导输出端均外接匹配负载时 输入端的驻波 系数 4 频带宽度 为耦合度 方向性及输入驻波系数都满足技术指标要求时的 工作频带宽度 三 三 实验装置实验装置 YM1123 标准信号发生器 GX2B 小功率计 YM3892 选频放大器 TC2b 波 微波技术实验指导书 15 导型测量线 TS7 厘米波导精密衰减器 PX16 直读式频率计 BD20 A 三 厘米波导系统 BD20 A 定向耦合器 探头若干 四 四 实验内容与步骤实验内容与步骤 以定向耦合器为被测器件 用两种方法测量衰减 1 用功率比法测量衰减 1 按图 3 1 接好测量系统 2 先不接被测件 用小功率计测出 A 点也即被测件的输入功率 P1 3 接入被测件 测出被测件的输出功率 B 点的功率 P2 4 被测件的衰减量为 log10 2 1 dB P P A 2 用替代法测量衰减 1 测量所用的信号源输出频率不变 功率输出幅度不变 按图 2 2 接好 测量系统 B YM1123 信号源 隔离器 同轴 波导 转换器 PX16 频 率计 TS7 或可 变衰减器 被测件GX2B 功 率计 A P1P2 图 2 1 图 2 2 BA YM1123 信号源 隔离器 同轴 波导 转换器 PX16 频 率计 TS7 或可 变衰减器 被测件TC2b 波导 型测量线 YM3892 选 频放大器 匹配负载 微波技术实验指导书 16 2 先不接被测器件 将 TS7 精密衰减调到衰减较大的位置 AdB 改变 YM3892 选频放大器增益使之较大的显示 并确定一指示值记下 TS7 精密 衰减器的读数度数 并查表得到 A 的 dB 数 3 接上被测件 将 TS7 精密衰减器的衰减调小 调到原定的 YM3892 选 频放大器的指示值 要注意的是 二次转动 TS7 的衰减旋钮方向要一致 要消除回差引起的误差 再一次记下 TS7 精密衰减器的读数 查表得到 B 的 dB 数 于是就求得衰减量 BdBAdBA 五 五 思考与讨论思考与讨论 1 测量辅波导输出功率时 为什么主波导后面一定要接上匹配负载 若负载端失配 对方向性测量会产生极大影响 分析一下为什么 2 分析实验中用两种方法测量所得结果 你认为引起误差的原因是什 么 应如何减小测量误差 可能的话 在实验中试一下 微波技术实验指导书 17 实验三 阻抗匹配网络的设计实验三 阻抗匹配网络的设计 一 一 实验目的实验目的 1 理解阻抗匹配原理 重点掌握单支节阻抗匹配器的应用 2 熟悉阻抗圆图在阻抗测量中的应用 3 学会用阻抗匹配器对失配元件进行调配 二 二 设计要求设计要求 1 在给定负载情况下 利用单支节匹配器法设计阻抗匹配网络 实现 无反射匹配 2 结合阻抗圆图 验证设计结果 并得出结论 三 三 实验原理实验原理 1 阻抗测量 在微波测量技术中 阻抗测量占有很重要的地位 微波元件的阻抗是微 波系统匹配设计的依据 也是研究复杂微波结构的微波网络中确定等效电路 参数的依据 阻抗测量不仅应用于微波器件特性阻抗的研究及微波系统的阻 微波技术实验指导书 18 抗匹配 同时也是一些复杂测量 如微波网路参量的测量 的基础 因而微 波阻抗测量是一项非常重要的测量 由波导理论可知波导中的电磁场不是均匀分布的 因而不可能象双线传 输线那样用行波电压 或电场强度 对行波电流 或磁场强度 之比 来规 定出一个只决定于传输线本身尺寸的特性阻抗 波导的等效阻抗值因定义方 法不同而不同 因而一般并不进行阻抗绝对值的测量 经常遇到的实际问题 是电磁波在负载与传输线不匹配的传输系统上传播而产生的问题 在这一类 问题中仅需知道被测元件的归一化阻抗 阻抗测量的方法很多 但应用较为 广泛的方法是测量线法 根据传输线理论 传输线上任一点的归一化阻抗为 在电压最小点 即 L Lmin时 有 代入上式可解得归一化负载阻 1 Z 抗为 即阻抗测量就归结为对上述三个参量的测量 2 确定驻波最小点位置 Lmin的测量原理 由于测量线标尺的两端点不是延伸到线体的两端口 直接测量输入端 口到第一个电压最小点的距离 L min 是不可能的 但根据阻抗分布的 重复性原理 在传输线上每隔 处的阻抗相等 所以只要找到2 g 2 g n 与待测阻抗相等的面作为等效参考面即可 这就是在测量中常采用的方法 等效截面法 实际测量过程如图 3 1 所示 微波技术实验指导书 19 首先将待测元件接在测量线的输出端 其驻波分布图形如图 3 1 a 中所示 元件的输入参考面 如图中 TE 截面 与第一个驻波最小点 D1 的 距离为 Dmin 用测量线测出其输入驻波系数 记录波节点在测量线上的位 置 D min D min Lmin 然后取下待测元件 将测量线短接 这时2 g n 在测量线中测得与 Dmin 相邻的驻波节位置 DT 如图 3 1 b 所示 从图中 可以看出 因为 DT 是测量线终端短路时的驻波波节位置 所以它离终端的 距离必为 根据 阻抗变换原理 DT 点的输入阻抗应等于终2 g n2 g n 端所接的待测器件的阻抗 DT 参考面则被称为测量线终端的 等效参考面 这样在测量线上的 Dmin 和 DT 之间的距离即为所要求的输入参考面到第一最 小点的距离 Lmin 如图 C 所示 图中实线表示终端接被测元件时的驻波 图形 虚线表示终端短路时的驻波图形 图 3 1 等效面法测量 Lmin的原理图 负截阻扰可由 Smith 圆图进行求解 在查 Smith 圆图时必须注意 如 微波技术实验指导书 20 果 DT在 Dmin 的右边 查图时要按逆时针方向转 即转向负载 反之如 DT 在 Dmin 的左边 则按顺时针方向转 即向信号源 利用圆图求输入阻抗的 具体过程如图 3 2 所示 我们知道无耗传输线接任意负载时 沿线输入 阻抗的变化轨迹是一个圆 称为等 圆 而波节点的输入阻抗是一个纯电 阻 其轨迹为图中 0 1 轴线 因此 等 线圆与 0 1 轴线交点 A 即 为驻波节点阻抗值 所以 当驻波节点与等效参考面 DT 的距离 Lmin 已知时 就可以按已知输入阻抗求负载阻抗的方法 求出被测器件的阻抗 这时只需 从 A 点出发 沿着等 圆逆时针方向 即朝负载方向 转过 Lmin g的 距离到达 B 点 则 B 点所代表的阻抗就是被测器件的归一化阻抗 L Z 图 3 2 用阻抗圆图计算负载阻抗 3 匹配负载法测定膜片的电纳 微波技术实验指导书 21 图 3 3 膜片 在波导中放置如图 3 3 所示的开有窗口的全金属片称为膜片 当膜片 的厚度满足 t g 时 为膜片的趋肤深度 g 为波导波长 其等效电路为一并联电纳 通常膜片的损耗很小 电导 G 分BjGY 量可以忽略 因此有 膜片电纳可用驻波法测出 但将膜片接在测BjY 量线输出端 膜片窗口将向外辐射能量 必须接一个匹配负载这时从膜片左 端向终端看上去的归一化输入导纳即为 从而得到膜片的归Bj1Yin 一化电纳值 其精度取决于匹配负载的匹配性能 B 4 阻抗匹配 阻抗匹配技术不仅广泛地应用在微波传输系统中 用以获得良好的工作 性能及传输效率 如传输效率高 系统能传输的功率容量最大 微波源工作 也较稳定等 而且对于微波测量 也是十分重要的 它直接关系到测量数据 的准确度 在精密测量中 往往对阻抗匹配提出很高的要求 电压反射系数 由公式 可知 当 ZL Zc 时 即阻抗不匹配 就会产生反射 所以掌握匹配 的原理和技巧 对分析和解决微波技术中的实际问题具有十分重要的意义 微波技术实验指导书 22 图 3 4 调配原理图解 在小功率时构成微波匹配源的最简单的办法是在信号源的输出端口接一 个衰减器或一个隔离器 使负载反射的波通过衰减进入信号源后的二次反射 已微不足道 可以忽略 匹配的基本原理是利用一个调配器 使它产生的附 加反射波 其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等 而相位相反 从而抵 消失配元件在系统中引起的反射从而达到匹配 阻抗匹配的装置与方法很多 可以根据不同的场合要求灵活选用 对于固定的负载 通常可以在系统中接 入隔离器 主要用于源端匹配 膜片 销钉 谐振窗等以达到匹配目的 而在负载变动的情况下 可接入单螺钉调配器 EH 阻抗调配器 短截线等 类型的调配器 这里仅介绍实验室常用的单螺钉调配器法 在单螺钉调配器中 一段开槽波导段宽边中心装置一个位置可移动的螺 钉 而螺钉伸入波导里的深度可调 就构成可移动的单螺钉调配器 它是利 用螺钉产生适当的电纳达到匹配目的 其调配原理由图 3 4 说明 设系统 终端的归一化导纳为 在圆图上处于位置 A 点 移动单螺钉 现在要找到 L Y 这样一个位置 在这个位置参考面上 向负载端看入的输入导纳为 微波技术实验指导书 23 在圆图上相当于从 A 点沿等 圆移动距离 d 到等 圆与 1 G 圆的 交点 B 图上 B 点导纳值为 1 在这个位置上改变螺钉深度 在Bj 螺钉插入深度 t g 4 时 其作用相当于在传输线上并联了一个正的 电纳 为容性的 再改变螺钉的深度 即能改变容性电纳值 这相当Bj 于在输入端并联一个电纳值 使之与原来的电纳值相加抵消 此参考面上总 的导纳为 1 实现匹配 在圆图上相当于从 B 点沿 的等圆移动到1G G 原点 即匹配点 从而使系统达到匹配 如果滑动单螺钉调配器的长度可以 半波长范围内变化 同时调节螺钉深度提供的并联电纳可以 0 之间任意 调节 则该调配器能对任何有耗负载调配 故理想情况下没有禁区 四 四 实验装置实