微波基本参数的测量—原理

微波基本参数测量一、实验目的1、了解各种微波器件；2、了解微波工作状态和传输特性；3、了解微波传输线的场特性；4、熟悉驻波、衰减、波长(频率)和功率测量；5、学习微波介质材料介电常数和损耗切向值的测量方法。二、实验原理微波系统最基本的参数是频率、周波比、功率等。要测量这些参数，首先必须了解电磁波在普通波导内传播的特性，各种常用组件和设备的结构原理和使用方法，以及几种微波测量的基本技术。1、行波概念指南：可以由传输线诱导并在一定方向传播的电磁波称为“诱导行波”。行波中的电场e或磁场h都是x，y，z的三个方向函数。行波可以分为以下三种类型：(a)横波电磁波(TEM波):TEM波的特征是电场e和磁场h没有纵向分量。电场e和磁场h是纯侧。沿传输方向的TEM波的分量为零。因此，这种波不能在波导中传播。(b)横波(TE波):TE波称为横波或磁波(h波)，其特点如下：也就是说，电场e是纯水平的，磁场h具有纵向成分。(c)横波(TM波):TM波是横波或电磁波(e波)。特性包括：也就是说，磁场h是纯水平的，电场e具有纵向分量。TE波和TM波都是“色散波”。在矩形波导中，波可以与波同时传输(其中，m表示电场或磁场在x方向反周期内发生变化的次数，n表示电场或磁场在y方向反周期内发生变化的次数)。2，波导：波导是导致微波电磁波能量在一定方向传播的微波传输系统，有同轴波导和微带等，波导的功率容量大，损耗小。一般波导中有矩形波导和圆形波导，本实验使用矩形波导。矩形波导的宽边在x方向设置，内部尺寸显示为a。窄边设定为y方向，内部标注显示为b。波在z方向以圆形频率从波风管洞口传播。如果损失被忽略，并且管子充满均匀介质(空气)，则波导内的电磁场分量可以通过麦克斯韦方程和边界条件得到。而且，其中相位常数、波导波长。3、波导微波参数：(1)临界波长：在矩形波导中传播的色散波都有一定的“临界波长”。电磁波只有在自由空间的波长小于临界波长c的情况下才能在矩形波导中传播。波或波的临界波长公式如下：(2)波导波长和相位速度v，组速度Vc:图1平面波传播波导中色散波的波长用表示。入射波和反射波重叠形成的波导内的合成波，相位平面传播的速度称为相位速度v。群速度Vc表示能量沿波导垂直传播的速度，其关系为。因为在波导中，电磁波形成“的”子形，并以光速传播。因此，波导波长将大于自由空间的波长。相位速度v也大于光速c。它们之间的相互关系如下：而且，图1显示了电磁波在波导中传播的方向。(3)反射系数和静止系数：波导终端访问负载后负载特性不同，电磁波在终端产生不同级别的反射。使用Zc表格时显示传输线路的特性阻抗，用ZL表示负载阻抗。反抗辐射系数为：反射系数是复数。如果特性阻抗与负载阻抗相同(即存取匹配负载)=0，则入射波不会反射，而是全部被负载吸收。当端子短路时(微波技术的短路是当系统端子访问总反射负载时，即=1时，入射波全部由负载反射)。在微波技术中，经常使用周波比来说明传输线的阻抗匹配。波导的驻波电场最大值和电场最小比(:)被定义为波导的驻波比周波比和反射系数之间的关系应如下：因此，在图2 (a)、(b)、(c)中可以看到波导中电场的分布。(a)载荷匹配方案如下：=0和=1；在波导中传播的是“行波”，其振幅是；(b)对于短路：=1和；波导以振幅值为的“纯驻波”传播。(c)其他随机负载：0 1和1；波导中传播其振幅(1)的“驻波行”。传输线的目的是希望在负载阻抗匹配的情况下工作，因此没有传输功率的损失。图2不同负荷条件下波导中电场的分布图(4)反射系数和静止系数波在无限长的波风管中沿z方向传播，构成行波。现在，仅考虑特定时间点的t转移状态，省略了系数。如果波导不是无限长的均匀导体，则存在反射波，电场由入射波和反射波重叠组成。并且分别表示入射波和反射波的振幅，如果将距离l的原点取在终端载荷的反射面上，则为相模。反射系数定义为波导横截面中电场反射波与入射波的比率。其中R(0)是表示端子中的反射波和入射波的相位差的端子的反射系数。当时驻波电场达到最大值，形成波阵，即：当时驻波电场的最小值形成了波段，即：主波比率定义为波导中驻波最大值和最小值的比率。4、波浪特征：A.电场只有元件，表示电场矢量总是垂直于波导宽边a，磁场矢量位于平行于波导宽边的平面内。B.电磁场在y方向均匀，在x方向形成驻波通常，m，n表示波导的宽边和窄边上的驻波数。C.电磁场在波导的纵向z中形成行波。z方向和分布规律相同。也就是说，最大位置也是最大的，场的结构是行波的特性，差别如下。5，波：矩形波导中的最大临界波长应该出现在m=1、n=0(本例中：=2a)中。这是波。波也称为矩形波导的“主波”，是最简单、最有用的波形。一般的矩形波导会刺激波。下面介绍了电磁场在波中的简单结构。(a)电场结构：波的电场只有Ey分量。电力线与x-z平面垂直。图6-2-3所示。在X-y平面中，电场强度仅与x相关，表示随正弦变化。X=0和x=a(即波导的两个窄边)。即可从workspace页面中移除物件。X=a/2(波导宽边中心)。因为能量在z方向传播。因此，沿z方向的行波状态，在x=a/2的纵断面内，沿z轴以正弦分布。(b)磁场结构：波的磁场h只有它的成分。相应的磁力线分布在x-z平面上。和H x确定电磁波在z方向传播的能量，因此必须与处于同一相位，即沿z方向的最大点和最大点，以及在x方向的正弦分布(和)。因此，剖面和纵断面剖面上的分布也相同。图3矩形波导中H10波的电磁场分布讨论方差时，请注意z=0的截面中沿x方向的馀弦更改。也就是说，x=0和x=a具有最大值，x=a/2具有=0。波场的特性可以概括为：A.存在，x，3成分；B.和按正弦定律、馀弦定律分布。因此，如，反之亦然。图3显示了矩形波导中H10波电磁场的分布。需要注意的是，这些电力线和磁力线的分布随着时间的推移以一定的速度在波导中向前移动。三、实验设备图4 DH 364 a 00 3厘米测量线型本实验采用了厘米波的x波段，被称为3.2厘米的公称波长和9375MHz的中心频率。其他主要设备包括：1，测量线：3厘米驻波测量线由槽波导、非调谐探头和滑块组成。内部腔尺寸为a=22.86mm，b=10.16mm。主要模式频率范围为8.60至9.6GHz，TE10波的截止波长=45.72mm，截止频率为6.557GHz。槽形直线波导位于波导宽边量的中心，不剪切高频电流，因此对波导内电磁场的分布影响不大，槽形波导的场由未调谐的探针采样，探针检测到的电动势通过晶体探测器成为电信号输出，从而显示沿波导轴的电磁场变化信息。实验通过检测测量线的电磁场分布，实现了测量电磁波的各种参数目的。2，直波导：型号为bj-100，内部尺寸为a=22.86mm，b=10.16mm。主模式频率范围为8.20至12.50GHz，对于TE10波，截止波长=45.72mm，截止频率为6.557GHz，用作实验中的连接器。3，隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对来自不同方向的电磁波有不同的吸收，并进行适当调整，使其具有微波的单方向传播特性。实验中，隔离器用于振荡器和负载之间的隔离和单向传输。4、可变衰减器：吸收微波能量的吸收板垂直于矩形波导的宽侧，垂直插入传导管，部分减弱传输力，大幅度移动光板，可以改变衰减量的大小。衰减器在系统中起着微波功率和解吸的作用。5，波长表：电磁波通过耦合孔从波导中共同进入波长表，当波长表的空洞被消除谐波时，腔内的电磁场非常微弱，此时基本上不会影响波导中的波的传输。如果电磁波的频率满足共同谐振条件，则发生共振，波导中反映的阻抗发生了巨大变化，从而削弱通过波导的电磁波信号强度，输出振幅显着下降，在尺度套筒中输入微波谐振时可以读取尺度，通过查找表可以知道输入微波谐振波长。6、负载匹配：吸收微波能量的电阻片或吸收材料包含在波导中，吸收几乎全部入射功率。7、单螺杆分配器：插入矩形波导中可调节深度的螺丝，沿着矩形波导宽壁中心的无辐射接缝垂直移动，调整探头的位置，使负载与传输线相匹配。匹配过程的本质是屠夫产生反射波，其振幅等于不匹配组件产生的反射波振幅，相位相反，抵消系统不匹配组件产生的反射，达到匹配。8，功率计：本实验使用DH4861B微瓦特功率计测量微波功率。电力系统探头接近系统终端时，成为微波系统的负载。探测器配备了铋锑热电偶，它将微波产生的热量转换为电能，可以直接知道由功率计磁头的读数测量的功率值。电能表由电源探头和指示器两部分组成，这是根据能量守恒定律线性地将微波功率替换为直流电压的转换器。指标是高增益、低噪声直流电压放大器，用于放大以数字电压显示功率值的功率探头提供的微弱信号。电力探头是利用热电效应将RF功率线性装入热电势输出。其中，RF直流转换部分：主要是利用真空镀膜技术在介质薄膜上形成热电偶堆的热元件和匹配的分散元件，在同轴结构的电磁场中，端子的吸收负载和热电转换元件电磁波从同轴传输线部分输出，在热电堆中，两个热节的温度上升，由热元件消耗，从而产生与添加的RF能量成比例的热电动势。9、可变短路：可变短路器由短路活塞和驱动器读取装置组成，是可变电抗。10，链接器：链接器是具有紧急弧性的分支传输系统。y型环装置是常用的一种，在中央的“横截面”中，侧磁化铁氧体，以确保电力的单向循环流动。11、固态信号源：固态信号源由产生微波信号输出、实现内部方波圆周、体效应管振荡器、可变衰落装置、销调制器等组件组成。使用过程中注意车身效应管电压。12、频率选择放大器：主要用于放大弱低频交流信号，与微波测量线一起用于交流信号驻波比测量。四、实验内容1、测量停止比率驻波是由于负载阻抗与波导特性阻抗不匹配而引起的。因此，测量周步比可以确定系统的匹配性，从而明确了载荷的特性。为了测量主波比，利用测量线，可以直接确定主波和俯仰位置的测量线探头的电流表读数和主波比。但是，为了提高检测灵敏度，最好将微波信号源调制为1KC的方波信号。这个信号由频率选择放大器放大。可以从指示仪中读取相关电流值、分贝值或直接周波比值。本实验通常在小信号状态下进行，为此，修正二极管均在平方定律检测区域(检测电流)中工作，因此必须：本实验是在驻波测量线的检测决定二极管为平方律检测区、检测电流、可设定：磷、小信号状态下进行的：波导中微波驻波的驻波比可以通过测量测量测量线槽波导中微波驻波和波段的最大和最小电压值来计算。步骤：(1)将图5所示的方块图连接到微波实验系统。(2)打开微波信号源(DH1121C)，工作方式“方波”，点频率方式，频率9至9.5ghz，选择较小的微波输出功率，电流500毫安。(3)通过频率选择放大器进行监视，并调整单螺丝分配器，使微波形成小驻波比(驻波的最大值和最小值的差不大)的驻波。(4)移动波导测量线的探头测量波导测量线在波复和波节点中的总和。此时，驻波的最大值和最小值没有太大区别，也没有太尖锐，因此，为了提高测量精度，可以移动探头将数据记录到多个波点和波节点中，然后求平均值进行计算。A.小停车比测量调节频率选择放大器的零调节旋钮，使指针显示为零。连接到比萨信号，调整“频率”旋钮，必要时可以换挡，直到仪表读数最大。沿测量线移动探针，获得仪器的最大指示值，即炮点位置，此时标头读数Umax阅读。沿测量线移动探针时，仪器获得最小指示值，即波谷点位置，此时读取标头读数Umin计算周宝费。B.高射比测量在频率选择放大器中，调节测量线直到指针最小化，然后左右调节测量线指针，使频率选择放大器读数显示为最小值的两倍，记录测量线移动的距离d；将测量线调整到最左端，然后在频率选择放大器上选择适当的读取值，使测量线从左到右依次移动。每次使频率选择放大器成为相同的读数时，记录测量线位置X1，X2，X3，x4。从波导波长计算波导波长。用对坡比的方程式代替上述测量值，就可以计算出对坡比的值。(5)微波频率测量：频率测量是微波测量技术的重要方面。本实验使用两种不同的方法(直接和间接)来测量频率。(a)直接测量方法使用外差频率计或数字微波频率计，可以直接读取频率值。也可以使用吸收式共波长计，将共作为谐振