近代物理实验 微波基础实验 (7-1)

1、20142014年年3 3月月2525日日 电子信息与光学工程电子信息与光学工程学院学院 光电子技术科学光电子技术科学 于于晓晓源源 11106411110641 实验实验7-1 7-1 微波基础实验微波基础实验 1.1.实验基本原理实验基本原理 2.2.实验内容实验内容 3.3.拟定的实验方案拟定的实验方案 4.4.实验预习中的一些问题实验预习中的一些问题 5.5.实验预习参考文献实验预习参考文献 1. 1.实验基本原理实验基本原理 （一）微波元器件简介（一）微波元器件简介 (1)(1)波导管：波导管：一种空心圆形或矩形金属管，由于波导管无一种空心圆形或矩形金属管，由于波导管无 辐射损耗、无

2、外界干扰、结构简单、击穿强度高等特点，所辐射损耗、无外界干扰、结构简单、击穿强度高等特点，所 以其在微波波段得到了广泛应用。以其在微波波段得到了广泛应用。 传输线传输线中某一种确定的电磁场分布称为中某一种确定的电磁场分布称为波型波型，通常用，通常用 TEMTEM，TETE或或TMTM表示表示。实际应用中是将波导管设计成只能传输。实际应用中是将波导管设计成只能传输 某种单一的波型，现在使用的标准矩形波导管中只能传输某种单一的波型，现在使用的标准矩形波导管中只能传输 TETE10 10波，这种波具有可单传、带宽、低耗、简单稳定、易于 波，这种波具有可单传、带宽、低耗、简单稳定、易于 激励、易于耦合

3、等优点，是应用最广泛的波型。激励、易于耦合等优点，是应用最广泛的波型。 在波导中，常用自由空间波长在波导中，常用自由空间波长0 0，截止波长，截止波长c c，波导，波导 波长波长g g，相移系数，相移系数，反射系数，反射系数，驻波系数，驻波系数S S等特性参数等特性参数 来描述电磁波在波导中的传输特征。来描述电磁波在波导中的传输特征。 在实际应用中，传输线在实际应用中，传输线 不可能无限长，所以波导管不可能无限长，所以波导管 中的电磁波是由中的电磁波是由入射波与反入射波与反 射波叠加射波叠加而成的，其状态决而成的，其状态决 定于定于负载负载的情况：的情况： 终端接匹配负载终端接匹配负载，微波功

4、率全部被负载吸收，无反，微波功率全部被负载吸收，无反 射波，在波导中呈行波状态，在这种情况下，射波，在波导中呈行波状态，在这种情况下，=0=0， S=1.S=1. 终端被短路、开路或接纯电抗性负载终端被短路、开路或接纯电抗性负载，形成全反射，形成全反射 波导中为纯驻波，在这种情况下，波导中为纯驻波，在这种情况下，=1=1，S S= =. . 终端接一般性负载终端接一般性负载，即既有电阻又有电抗的负载，即既有电阻又有电抗的负载， 这就会形成部分反射，波导中的电磁波为行波状态，在这就会形成部分反射，波导中的电磁波为行波状态，在 这种情况下，这种情况下，001,1S1,1S. . (2)(2)微波信

5、号源：微波信号源： 微波微波信号源是提供微波信号信号源是提供微波信号 的必备仪器，一般实验室中常用的必备仪器，一般实验室中常用 的是反射速调管振荡器。的是反射速调管振荡器。 但是近来一些新型的微波固态信号源（体效应振荡器）但是近来一些新型的微波固态信号源（体效应振荡器） 被广泛应用，其被广泛应用，其具有具有体积小、重量轻、能耗低、工作可靠等体积小、重量轻、能耗低、工作可靠等 优点优点，在，在本本次次实验实验中中所所选选用的用的微波信号源微波信号源就是固态就是固态信号信号源源 （体效应振荡器体效应振荡器）。 体效应振荡器是一个负阻振荡器，其由体效应振荡器是一个负阻振荡器，其由体效应管体效应管、谐

6、振谐振 腔腔和和阻抗变换器阻抗变换器组成组成。体效应管体效应管利用砷化镓一类利用砷化镓一类III-III- V V族化族化 合物半导体单晶材料制成，当两电极间加上足够高的直流电合物半导体单晶材料制成，当两电极间加上足够高的直流电 压时，会发生微波振荡现象。压时，会发生微波振荡现象。谐振腔谐振腔提供必要的电抗，以便提供必要的电抗，以便 对体效应管的振荡进行调谐并构成调谐回路。对体效应管的振荡进行调谐并构成调谐回路。阻抗变换器阻抗变换器是是 将负载阻抗变换到适当值，以便与体效应管阻抗匹配，并使将负载阻抗变换到适当值，以便与体效应管阻抗匹配，并使 谐振腔产生射频谐振电压。谐振腔产生射频谐振电压。 (

7、3)(3)微波谐振腔：微波谐振腔： 微波谐振腔微波谐振腔是一段封闭的金属导体空是一段封闭的金属导体空 腔，具有腔，具有储能、选频储能、选频等特性等特性，常用的谐振，常用的谐振 腔有腔有矩形和圆形矩形和圆形两种。矩形谐振腔又分为两种。矩形谐振腔又分为 通过式通过式谐振腔和谐振腔和反射式反射式谐振腔。通过式谐谐振腔。通过式谐 振腔由两个耦合孔，一个孔输入微波以激振腔由两个耦合孔，一个孔输入微波以激 励谐振腔，另一个孔输出微波能量，其输励谐振腔，另一个孔输出微波能量，其输 出功率与输入功率之比称为传输系数。出功率与输入功率之比称为传输系数。 反射式谐振腔即把一段标准矩反射式谐振腔即把一段标准矩 形波

8、导管的一端加上带有耦合孔的形波导管的一端加上带有耦合孔的 金属板，另一端加上封闭的金属板，金属板，另一端加上封闭的金属板， 它只开一个孔，该孔既是能量输入它只开一个孔，该孔既是能量输入 口，又是能量输出口，其输入端的口，又是能量输出口，其输入端的 反射功率之比与入射功率之比称为反射功率之比与入射功率之比称为 反射式谐振腔的相对反射系数。反射式谐振腔的相对反射系数。 （4 4）隔离器：）隔离器： 隔离器隔离器是一种不可逆是一种不可逆衰减器衰减器，当微波，当微波 信号信号正向正向通过它时，衰减量很小通过它时，衰减量很小，大约为，大约为 0.5dB-1dB0.5dB-1dB。当微波信号。当微波信号反

9、向反向通过它时衰通过它时衰 减量很大减量很大，可以达到，可以达到20dB-40dB20dB-40dB，这两个，这两个 方向的衰减量之比称为隔离度。方向的衰减量之比称为隔离度。 一般一般把隔离器紧接在振荡把隔离器紧接在振荡 器之后，利用隔离器的单向性器之后，利用隔离器的单向性 在信号源与负载之间起到隔离在信号源与负载之间起到隔离 作用，以减小因负载端的变化作用，以减小因负载端的变化 而造成的对信号源频率和输出而造成的对信号源频率和输出 功率的影响。实际操作中要特功率的影响。实际操作中要特 别注意隔离器的别注意隔离器的方向性方向性，不要，不要 接反方向。接反方向。 （5 5）衰减器：）衰减器： 衰

10、减器衰减器是用来是用来降低降低微波系微波系 统中的统中的功率电平功率电平，在实验中应，在实验中应 用较多的是可变吸收式衰减器用较多的是可变吸收式衰减器， 它依靠它依靠把部分进入的微波功率把部分进入的微波功率 通过吸收片吸收，并以热量的通过吸收片吸收，并以热量的 形式发散掉，从而得到衰减的。形式发散掉，从而得到衰减的。 衰减器衰减量的增减可通衰减器衰减量的增减可通 过调整吸收片在器件内的过调整吸收片在器件内的位置位置 来实现，吸收片越移近波导宽来实现，吸收片越移近波导宽 壁的正中间，衰减量越大。这壁的正中间，衰减量越大。这 种衰减器衰减量一般在种衰减器衰减量一般在30dB-30dB- 40dB4

11、0dB范围内改变。范围内改变。 （6 6）频率计（波长计）频率计（波长计） 频率计频率计是用来是用来测量测量 信号频率信号频率的一种微波元的一种微波元 件件，它它由由传输波导和谐传输波导和谐 振腔振腔构成构成。 根据根据其结构上的特点，其在测量系统中的连接方其结构上的特点，其在测量系统中的连接方 式可以划分为式可以划分为 “通过式通过式”与与“吸收式吸收式”两种两种。对于对于 “通过通过式式”频率计频率计当信号频率与谐振腔一致时当信号频率与谐振腔一致时，传输传输 到负载端的能量最大。对于到负载端的能量最大。对于“吸收式吸收式”频率计，当信频率计，当信 号频率与谐振腔一致时，号频率与谐振腔一致时

12、，谐振腔谐振腔吸收一部分能量吸收一部分能量使使得得 传输传输到负载到负载端端的的功率减小。功率减小。现在实验室中最为常用的现在实验室中最为常用的 频率计为频率计为“吸收式吸收式”频率计。频率计。 （7 7）晶体检波器和测量放大器：）晶体检波器和测量放大器： 晶体晶体检波器是把检波二极管检波器是把检波二极管 跨接在矩形波导宽壁中心线上，跨接在矩形波导宽壁中心线上， 使使波导中的最大波导中的最大电场沿二极管轴电场沿二极管轴 向加在其向加在其PNPN结上。用波导终端的结上。用波导终端的 短路活塞调配器进行调配，使输短路活塞调配器进行调配，使输 出的检波电流达到出的检波电流达到极大值极大值，用以，用以

13、 指示微波相对功率的大小。指示微波相对功率的大小。 当当微波功率很低微波功率很低时，晶体检波时，晶体检波 器的输出很微弱，这种情况下希望器的输出很微弱，这种情况下希望 把检波器输出的电流加以放大。通把检波器输出的电流加以放大。通 常使用常使用1000Hz1000Hz的的方波调制方波调制信号源使信号源使 晶体检波器输出晶体检波器输出1000Hz1000Hz的方波。这的方波。这 时再用一个时再用一个1000Hz1000Hz的窄带选频放大的窄带选频放大 器对检波器的输出进行放大，这种器对检波器的输出进行放大，这种 放大器称为测量放大器。放大器称为测量放大器。 （8 8）驻波测量线）驻波测量线： 驻波

14、测量线是是微波测量中常用驻波测量线是是微波测量中常用 的仪器，用来测量的仪器，用来测量驻波的分布驻波的分布，并求，并求 得系统的驻波比、波导波长及负载阻得系统的驻波比、波导波长及负载阻 抗等。抗等。 驻波测量线是驻波测量线是由由一段沿纵向开有细长槽的一段沿纵向开有细长槽的直波导直波导与一与一 个可沿槽移动的带有微波晶体检波器的个可沿槽移动的带有微波晶体检波器的探针探头探针探头组成组成。探探 针是一根直径为针是一根直径为0.2mm-0.5mm0.2mm-0.5mm的金属丝，其作用是从开槽的金属丝，其作用是从开槽 中耦合出一部分能量，经检波后指示探针处的场强。探针中耦合出一部分能量，经检波后指示探

15、针处的场强。探针 和探针的调谐回路构成测量线的探头。和探针的调谐回路构成测量线的探头。 使用测量线要先进行调整，主要步骤为使用测量线要先进行调整，主要步骤为选择合适的探选择合适的探 针穿深度针穿深度和和调谐探头调谐探头: :探针穿深度要尽可能小，以减小探探针穿深度要尽可能小，以减小探 针的反射。调谐探头可使进入探头的功率最大，从而提高针的反射。调谐探头可使进入探头的功率最大，从而提高 测量的灵敏度。测量的灵敏度。 （9 9）环形器：）环形器： 环形环形器是一器是一种常用的多种常用的多 端口不可逆器件，一般有三端口不可逆器件，一般有三 端口和四端口两类。在理想端口和四端口两类。在理想 的环行器中

16、电磁波的传输只的环行器中电磁波的传输只 能沿能沿单方向环行单方向环行。 环形环形器是一种常用的微波铁氧体器件，具有多种用途。器是一种常用的微波铁氧体器件，具有多种用途。 环形器的原理依然是磁场偏置铁氧体材料各向异性特性。环形器的原理依然是磁场偏置铁氧体材料各向异性特性。 微波结构有微带式、波导式、带状线和同轴式，其中以微微波结构有微带式、波导式、带状线和同轴式，其中以微 带三端环形器用的最多，用带三端环形器用的最多，用铁氧体铁氧体材料作介质，上置导带材料作介质，上置导带 结构，加恒定磁场，就具有环行特性。如果改变偏置磁场结构，加恒定磁场，就具有环行特性。如果改变偏置磁场 的方向，环行方向就会改

17、变。的方向，环行方向就会改变。 （1010）滑动单螺钉调配器：）滑动单螺钉调配器： 滑动滑动单螺钉调配器是用来在单螺钉调配器是用来在 传输线中产生一个反射波以抵消传输线中产生一个反射波以抵消 传输线中因阻抗不匹配所引起的传输线中因阻抗不匹配所引起的 反射，从而达到反射，从而达到匹配匹配的调配元件。的调配元件。 匹配技术是微波技术中的一个重要概念，通常包含两方匹配技术是微波技术中的一个重要概念，通常包含两方 面意义：一是面意义：一是微波源的匹配微波源的匹配，二是，二是负载的匹配负载的匹配。构成小功率。构成小功率 微波源匹配最简单的办法就是在信号源输出端接一个隔离器。微波源匹配最简单的办法就是在信

18、号源输出端接一个隔离器。 负载的匹配，要解决如何消除负载反射的问题。因此，调配负载的匹配，要解决如何消除负载反射的问题。因此，调配 的实质就是使调配器产生一个反射波，其幅度和失配元件产的实质就是使调配器产生一个反射波，其幅度和失配元件产 生的反射波幅度相等，相位相反，从而抵消失配元件在系统生的反射波幅度相等，相位相反，从而抵消失配元件在系统 中引起的反射而达到匹配。中引起的反射而达到匹配。 滑动滑动单螺钉调配单螺钉调配器能对任何有损耗负载进行调配，器能对任何有损耗负载进行调配，没有没有 禁区禁区。 （二）波长测量（二）波长测量 （1 1）谐振法：）谐振法： 谐振法是使用谐振法是使用谐振腔式波长

19、表谐振腔式波长表来测量微波信号的来测量微波信号的 波长的方法，通过波长的方法，通过调节波长表的活塞杆，改变谐振腔调节波长表的活塞杆，改变谐振腔 的固有频率，当的固有频率，当谐振腔的频率与信号源频率一致谐振腔的频率与信号源频率一致时，时， 高高Q Q值的谐振腔吸收信号的能量突然增大到一个最大值的谐振腔吸收信号的能量突然增大到一个最大 值，使信号传输到终端的能量突然减小到一个最低值，值，使信号传输到终端的能量突然减小到一个最低值， 记下这时波长表上螺旋测微计的刻度数，再通过查对记下这时波长表上螺旋测微计的刻度数，再通过查对 波长表的校准数据表格或校准曲线，即可得到信号的波长表的校准数据表格或校准曲

20、线，即可得到信号的 频率，然后，频率，然后，由由 c=c=0 0f f 计算计算出信号的出信号的波长波长0 0。 （2 2）驻波法）驻波法: : 用用测量线测量线来测量来测量波导波长波导波长g g，当测量线终端短路时，当测量线终端短路时， 传输线中形成纯驻波，移动测量线的探针，测出两个相邻驻传输线中形成纯驻波，移动测量线的探针，测出两个相邻驻 波最小点即节点之间的距离，即可求得波最小点即节点之间的距离，即可求得波导波长波导波长g g。 为了为了提高测量精度提高测量精度，通常采用，通常采用 “交叉读数法交叉读数法”确定波节确定波节点的位置，点的位置， 并测出几个波导波长，再求其平均并测出几个波导

21、波长，再求其平均 值。交叉读数法即在波节点两旁附值。交叉读数法即在波节点两旁附 近找出指示电表读数相等的两个对近找出指示电表读数相等的两个对 应位置应位置d d11 11、 、d d12 12、 、d d2l 2l、 、d d22 22，然后分别 ，然后分别 取其平均值来确定波节的取其平均值来确定波节的位置的方位置的方 法。法。 （三）驻波系数的测量：（三）驻波系数的测量： 运用测量线通过运用测量线通过直接法直接法和和等指示度法等指示度法测量电压驻波比：测量电压驻波比： （1 1）直接法：）直接法： （2 2）等指示度法：）等指示度法： 等等指示度法适用于指示度法适用于大驻波比大驻波比的测量。

22、当被测器的测量。当被测器 件驻波比较大时，驻波腹点和节点的读数相差悬殊，件驻波比较大时，驻波腹点和节点的读数相差悬殊， 使检波晶体二极管工作在不同的检波律上，这就会使检波晶体二极管工作在不同的检波律上，这就会 产生较大的误差，因此必须采用等指示度法产生较大的误差，因此必须采用等指示度法（二倍（二倍 极小点功率法）极小点功率法）。 2.2.实验内容实验内容 （一）创建实验系统（一）创建实验系统 信号源信号源隔离器隔离器 可变衰可变衰 减器减器 波长表波长表 测量线测量线 短路板短路板 选频放选频放 大器大器 直流微直流微 安表头安表头 （1 1）测量波导波长实验系统）测量波导波长实验系统 连续波

23、法连续波法 调制波法调制波法 信号源信号源隔离器隔离器 可变衰可变衰 减器减器 波长表波长表 测量线测量线 待测器待测器 件件 选频放选频放 大器大器 直流微直流微 安表头安表头 （2 2）测量驻波比实验系统）测量驻波比实验系统 连续波法连续波法 调制波法调制波法 匹配负匹配负 载载 （二）波导波长的测（二）波导波长的测 量量 （三）驻波比的测量（三）驻波比的测量 3.3.拟定的实验方案拟定的实验方案 （1 1）将实验室内的实际实验用品及仪器根据）将实验室内的实际实验用品及仪器根据“波导波长测波导波长测 量量”的实验装置方框图搭建成一套可用的微波测量系统，以的实验装置方框图搭建成一套可用的微波

24、测量系统，以 备实验。备实验。 （2 2）根据实验内容中的要求调整信号源、测量线、晶体检）根据实验内容中的要求调整信号源、测量线、晶体检 波器等需要调整的实验仪器，以更好地完成实验，提高测量波器等需要调整的实验仪器，以更好地完成实验，提高测量 精度。精度。 （3 3）分别使用驻波法和谐振法测量波导的波长和自由空间）分别使用驻波法和谐振法测量波导的波长和自由空间 的波长，并通过相应的关系式验证测量结果的准确性。的波长，并通过相应的关系式验证测量结果的准确性。 （4 4）在原先实验系统的基础上进行调整，使之成为）在原先实验系统的基础上进行调整，使之成为“测量测量 驻波比驻波比”的一套实验系统。的一套实验系统。 （5 5）再次调整信号源与测量线，使之达到这组实验的实验）再次调整信号源与测量线，使之达到这组实验的实验 要求，以备实验。要求，以备实验。 （6 6）利用直接法和等指示度法分别对驻波比进行测量，并）利用直接法和等指示度法分别对驻波比进行测量，并 将实验结果进行比较。将实验结果进行比较。 4.4.实验预习中的一些问题实验预习中的一些问题 （1 1