实验三微波波导波长与频率的测量

1、实验三微波波导波长与频率的测量、分析和计算时间:2021.02. 11创作：欧阳计一、实验目的(1)熟悉微波测量线的使用；学会测量微波波导波长和信号源频率；分析和计算波导波长及微波频率。二、实验原理测量线的基本测量原理是基于无耗均匀传输线理论，当终 端负载与测量线匹配时测量线内是行波；当终端负载为短路 或开路时，传输线上为纯驻波，能量全部反射。根据驻波分 布的特性，在波导系统终端短路时，传输系统中会形成纯驻 波分布状态，在这种情况下，两个驻波波节点之间的距离即 为波导波长的V2，所以只要测量出两个驻波波节点之间的 距离，就可以得到信号源工作频率所对应的波导波长。方法一：通过测量线上的驻波比，然

2、后换算出反射系数模 值，再利用驻波最小点位置dmin便可得到反射系数的幅角 以及微波信号特性、网络特性等。根据这一原理，在测得一 组驻波最小点位置dl, d2, d3, d4 .后，由于相邻波节点 的距离是波导波长的 昭，这样便可通过下式算出波导波长。（3-1）方法二：交叉读数法测量波导波长，如图3-1所示。图3-1交叉读数法测量波节点位置为了使测量波导波长的精度较高（接近实际的波导波 长），采用交叉读数法测量波导波长。在测试系统调整良好状 态下，通过测定一个驻波波节点两侧相等的电流指示值10 （可选取最大值的20%）所对应的两个位置dl> d2,则取dl> d2之和的平均值，得到

3、对应驻波波节点的位置dminl。用 同样的方法测定另一个相邻波节点的位置dmin2,如图3-1 所示，则dminl、dmin2与系统中波导波长之间的关系为:"mini = +2）；min2 =亍（3 +4）（3-2）心=2|dmin2 - "mini |（3-3）在波导中，还可利用下面公式计算波导波长:A>一（仏2/）(3-4)式中，入0为真空中自由空间的波长。本实验中波导型号 为BJ-100,其宽边为a =22.86 mm ,代入上式计算出波导 波长。信号源工作频率f （对应工作波长入）可由下式求得：（其中:3x10A(3-5)信号源工作频率亦可用吸收式频率计测量。

4、实验中采用 的吸收式频率计连在信号源与检波器之间。当吸收式频率计 失谐时，微波能量几乎全部通过频率计，此时选频放大器指 示最大。使用时，缓慢旋转频率计套筒，即调节吸收式频率 计，当调节频率计至谐振状态时，选频放大器指示表上观察 到信号大小发生明显的变化，并达到最小处，此时一部分能 量被频率计吸收，并可以确定此时读得吸收式频率计上指示 的频率即为信号源工作频率。三、实验内容和步骤1.按图1-1所示连接微波测量系统，打开信号源、选频放 大器的电源，将信号源设置在方波调制工作方式，将衰减器 调整到合适位置，使选频放大器输岀指示不超过满量程，即 使系统工作在最佳状态。2测量线终端接短路板，从负载端开始

5、旋转旋钮，移动测量 线上探头座，使选频放大器指示最小，此时即为测量线等效 短路面，记录此时的探针初始位置，记作dminO,并记录数 据；3. 继续旋转移动探头座位置，选择合适的驻波波节点，一般 选在测量线的有效行程的中间位置，并选择一个合适的检波 指示值(10),如图3-1中所示，然后按交叉读数法测量波导 波长。测量三组数据，取算术平均值作为波导波长的测量值, 记入表3-1；4. 将数据代入式(3-1).式(32)计算出波导波长。5. 用频率计测量信号源工作频率：缓慢旋转频率计套筒，即 调节吸收式频率计，当调节频率计至谐振状态时，选频放大 器指示表上观察到信号大小发生明显的变化，并达到最小 处

6、，此时一部分能量被频率计吸收，并可以确定此时读得吸 收式频率计上指示的频率即为信号源工作频率。读取频率值 时，在频率计上两条水平红线之间读取竖向红线处的频率刻 度值。反复测3次，取其平均值，记入表3-2 o6. 将频率计测量结果、波导波长测量结果及计算结果进行比 较。注意事项：(1)频率计是用来测量频率的仪器，而不是用来调整频率的 微波元器件。测完频率后应将频率计调至失谐。波导波长的测量方法中要注意指示值不要太大，尽量不要 在测量线的两端，而是放在测量线的中端进行测量，读数要 仔细。测量波长时，测量线探针座位置应该向一个方向移动，以 免引入机械回差。四、实验结果及数据处理探针初始位置dmin0

7、=79.72mm表3-1 (a)方法一的测量波导波长数据记录表(单位：mm)位置读数一_一测量次数"mini"min2"min31103. 04124. 44147. 162102. 06125. 10146. 883103. 76124. 72146. 28表3<L (b)方法二的测量波导波长数据记录表(单位:mm)测量次数位置、£minimin2199. 12105. 74121. 18127. 84102. 06125. 10299. 10106. 08120. 70128. 24103. 76124. 72399. 12105. 88120

8、. 90128. 10103. 04124. 44注：上表中心讪和"mm2为实际测量值。计算得：方法一：第1次测量：心=彳心0叫空¥壘+ 4一心。=45.44川 第2次测量：2?=|仏血no +仏一;/mm(>十心_心。=44.94"” 第3次测量：4 =討人mm() +仏-严)+£_认= 45.81"” 方法二第1次测量："mini =于(4+心)=1°24中讪=2 <-2 - <inl| = 44-16"min2 =才£ + 心)T 245 1/讪第2次测量："mini =

9、|(+2) = 10259mm心=2Kn2-<inl| = 43-76"min2 =仏 + 4)T 2447W第3次测量：= +(%+2)= 1°25伽""1=2 <-2 - <inl| = 44/W»"min2 =仏+4)= 1 2450""表32频率测量数据记录表频率测量次数123f (GHz)9. 3689. 3669. 368计算得:第1次测量:第2次测量:第3次测量:3x10s2 = 0.032/7f.3xlO8 Z = 0.0337?经比较分析可知：方法一测量计算得波导波长为2 = 4

10、5.39mm,工作波长为 A = 32.21mm ,工作频率为 f=9.313GHz;A方法二测量计算得波导波长为心=43.97"，工作波长为 2 = 31.69"”，工作频率为/=9.466GHz;而频率计测量的工作频 率为/ = 9.367GHz,计算得工作波长为几=32呦。计算值和测量 值近似相等。五、思考及体会：测量线为什么在波导中心线开槽？微波测量线是测量波导中微波电场分布的精密仪器，它 的结构是一段在宽边中心线上开槽的波导管和可沿槽线滑 动的探针，它在微波测量中用途很广，可测驻波，阻抗，相 位，波长等，测量线通常由一段开槽的传输线，探头，传动 装置三部分组成，由于耦合探针伸入传输线而引入不均匀 性，其作用相当于在线上并联一个导纳，从而影响到系统的 工作状态。矩形波导中的主模为TE20模，而由TE10的管壁电 流