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实验 微波的传输特性和基本测量实验目的1、 了解电磁波在矩形波导中传播的特点，学会用驻波测量线测量波的纵向分布。2、 掌握一些微波基本量的测量基本技术，学会测量驻波比、波导波长、检测信号频率等。3、 学会阻抗调配。实验仪器微波窄带扫频信号源、衰减器、频率计（波长计）、驻波测量线等。一、实验原理微波是指波长范围在，即频率范围在的电磁波。微波信号系统中最基本参数有频率、驻波比、功率等。1 矩形波导及其中的波： 矩形波导是一个横截面为矩形的均匀、无损耗的波导管。如下图1。本实验室使用的是国际通用的标准波导，其内壁尺寸为：。波导中传播的电磁波被完全局限在波导管内。xyz探针图1 矩形波导结构图假设矩形波导管内壁为理想导体且波导沿z轴方向为无限长，由麦克斯韦电磁理论可求得矩形波导中波的各电磁场分量为： zx图2 波的电场分量分布图波导中电磁场的电场强度分布如图2所示。电磁场的结构具有以下特性：，电场在z 方向无分量，为横电波；电磁场沿x方向为一个驻立半波，沿y方向为均匀分布；电磁场沿z方向为行波状态，在该方向，电磁场分量与的分布规律相同。微波窄带扫频信号源衰减器转换器频率计驻波测量线终端电流计2实验装置标准短路片待测阻抗匹配负载阻抗调配器其它元件：3传输线的特性参量与工作状态：在波导中常用相移常数、波导波长、驻波系数等特性参量来描述波导中的传输特征，对于矩形波导中的波：自由空间波长：截止波长：波导波长：相移常量：反射系数：驻波比： 由此可见，微波在波导中传输时，存在着一个截止波长，波导中只能传输的电磁波。波导波长大于自由空间波长。在实际应用中，传输线并非是无限长，此时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。波导终端接上负载后，由于负载反射电磁波性质的不同，电磁波在终端产生不同程度的反射。微波技术中，常用驻波比来描述传输线阻抗匹配的情况。驻波比与反射系数之间的关系为： 由于，则的值在之间。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，波导中呈现行波状态。此时有：；波导终端接标准短路片（即理想导体板）时，形成全反射，波导中呈现出纯驻波状态，此时有： 波导终端接一般性负载时，形成部分反射，波导中呈现出驻波状态，此时。二、实验内容实验测量过程中，打开信号源的电源， 调节与波导连接的衰减器，使在波导中传播的电磁波能量大小适中。调节方法：在波导终端接上标准短路片，将驻波测量线的探针移至使电流表示值为极大时对应的位置，此位置即为波导中驻波的波腹，调节衰减器使电流计示值达到最大，但不超出量程。1微波频率的测量微波的频率是表征微波信号的一个重要物理量。本实验中采用吸收式频率计进行测量。吸收式频率计的测量工作原理：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，则产生谐振，吸收式频率计对微波有最大的吸收，此时连接在微波通路上的电流计的示值有明显的减小，以减幅最大作为判断频率测量的依据。微波频率的测量过程：在波导终端接上标准短路片，将探针移至某一波腹位置处，此时作检测用的电流计的示值为最大，仔细调节频率计，当电流计示值减小到最小时，吸收式频率计对通过的微波达到谐振吸收状态，频率计对应的读数即为微波信号的频率。2驻波比的测量驻波比，定义为波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场之比。即 式中分别表示波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场强度。实验中通常采用驻波测量线来测定波导波长和驻波比。驻波测量线的探针是用于探测波导中的电场分布，由探针探测，经检波晶体（微小二极管）转换成检波电流由电流计显示。实验前应注意驻波测量线的谐振，使其有最佳灵敏度。实验中微波信号比较弱，驻波测量线中的检波二极管符合在平方律检波，即。则驻波比测量依据公式为 即使用驻波测量线测量驻波比，是通过移动测量线的探针分别处于驻波波腹及波节位置，由对应的和求得驻波比。短路测量：在波导终端接上标准短路片，测量此时的驻波比；观察行波状态：在波导终端接上匹配负载（又称为终端负载），测量此时的驻波比。3波导波长的测量波导波长在数值上为相邻两个驻波极值点（波腹或波节）距离的两倍。在波导终端接上不匹配的负载（例如：标准短路片）时，波导中形成驻波，使用测量线探针的移动，测出相邻两个波节点位置坐标和，即可由下式计算波导波长 实际采用测定驻波极小点的位置来求出波导波长。考虑到驻波极小点附近变化平缓，因而测量值不够准确。为此，测量时通常不采取直接测量驻波极小点位置的方式，而是通过平均值法（也称为等电位法）间接测量，亦即测极小点附近两点（此两点检波显示电流计上的读数相等）的坐标，然后取这两点坐标的平均值，即得极小点坐标。如上图所示。两相邻极小点的距离为半个波导波长，测量计算式由上式可改为 由上面实验测得的波导波长，通过公式 计算出待测微波信号在自由空间的波长，再由波长与频率的关系式求出微波信号的频率，将计算的频率与前面实验测得的频率