实验一 微波测量仪器和元件的认识

1、实验一 认识微波测量系统及常用微波元器件【实验目的】1了解三厘米微波测量系统的组成及各部分的作用。2学会正确调整和使用测量线。【实验仪器】三厘米微波参数测量系统【实验原理】（一）微波与电磁波微波是一种波长较短的电磁波，频率范围处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，约为300MHz-300GHz ，波长范围约为1m-1mm ，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者，波长较长的分米波（1m 至10cm ）和无线电波的性能相近，而波长较短的毫米波（1mm 至1cm ）与光波的性质相似。 根据Maxwell 方程组导出的波动方程以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有横电波和横磁波两大类波能够在矩形

2、波导中传播。横电波又称为磁波，简写为TE 波或H 波，磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。横磁波又称为电波，简写为TM 波或E 波，电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。在实际应用中，一般让波导中存在一种波型，而且只传输一种波型，我们实验用的10TE 波就是矩形波导中常用的一种波型。如果波导终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波的所有能量全部被吸收，这时波导中呈现的是行波。当波导终端不匹配时，就有一部分波被反射，波导中的任何不均匀性也会产生反射，形成所谓混合波。 矩形波导中TE 模的电磁场结构矩形波导10TE 波具有如下特点：1 存在一个临界波长2a =，只有波长c <

3、;的电磁波才能在波导管中传播。2 波导波长g >（自由空间波长）。3 电场只存在横向分量，电力线从一个导体壁出发，终止在另一个导体壁上，并且始终平行于波导的窄边。4 磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线。5 电磁场在波导的纵方向z 上形成行波。在z 方向上，y E 和x H 的分布规律相同，即y E 最大处xH 也最大，y E 为零处x H 也为零，场的这种结构是行波的特点。（二）微波测量系统:微波沿普通的双股导线传输时，会大量向周围空间辐射，同时由于电流的趋肤效应，导线的热损耗也急剧增大，这些都使微波能量无法有效地传输，因此一般不用双导线来传输微波。常用的微波传输线为同轴线

4、、波导管、带状线等。微波在波导中传输具有横电波（TE 波）、横磁波（TM 波）和横电波与横磁波的混合波三种形式。本实验使用三厘米标准矩形波导，仅能传输TE10波。一个完整的微波测量系统通常由信号源、测量装置和指示器三部分组成。实际测量中可根据具体情况，对测量系统进行简化，实验室所用测量系统如下图所示。 1信号源部分。包括微波信号发生器、隔离器以及功率、频率监视单元。信号发生器提供测量所需的微波信号，它具有一定频率和足够的功率电平。功率、频率监视单元是利用定向的耦合器分出一小部分微波能量，经过检测指示来显示信号源的工作情况是否稳定，以便及时调整。隔离器的作用是减少负载对信号源影响，可变衰减器用来

5、根据测量需要改变信号源输出功率电平。2测量装置部分：包括测量线、调配元件、待测元件和辅助元件（如短路器，匹配负载），以及电磁能量检测器（如晶体检波器，功率计探头等）。3指示器部分：指示器是显示测量信号与特性的仪表，常用的有直流电流表、测量放大器、功率计、示波器、光电检流计和数字功率计等。（三）常用微波元件在微波系统中，实现对微波信号的定向传输、衰减、隔离、滤波、相位控制、波型与极化变换、阻抗变换与调配等功能作用的，统称为微波元（器）件。1. 同轴波导转换器 同轴线的主模是TEM 模，矩形波导的主模是TE10模， 同轴波导转换器使TEM 模变成TE10模。 2. 矩形波导 横截面为矩形的空心导波

6、装置，TE 和TM 电磁波可在其导体空腔内传播。可以避免外界干扰和辐射损耗。导体损耗低、功率容量大。 3. 隔离器 隔离器是一种不可逆的衰减器，当微波信号正向通过时衰减器量很小，约0.5-db ，反向通过时衰减量很大，达20-40db ，两个方向的衰减量之比称为隔离度。隔离器应用于传输系统和测量系统起隔离或消除反射的作用。使用时注意方向性，不能接反。 4. 衰减器 是一种用来衰减微波功率的微波器件，也可作为负载与信号源之间的去耦元件。衰减器分为固定衰减器和可变衰减器两种。衰减器的衰减量定义为在衰减器终端负载匹配的条件下，其输入微波功率与输出微波功率之比的分贝数。衰减量包含吸收衰减、反射衰减。

7、5. 波长计（频率计） 6. 波导测量线波导测量线是探测三厘米波导中驻波分布情况的仪器，通常用来测量波导元件、波导系统的驻波系数、阻抗，还可以测量波导波长、相移等多种参数，是一种通用的微波测量仪器。 7晶体检波器 微波检波系统采用半导体点接触二极管（称微波二极管），外壳为高频铝瓷管，形状象子弹。晶体检波器就是一段波导和装在其中的微波二极管。 8. 匹配负载 是终端元件，当需要传输系统工作于行波状态时，需要用到匹配负载，它能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。匹配负载要求宽频带、小输入驻波比且有一定的功率容量。 9. 单螺调配器 插入矩形波导中的一个深度可以调节的螺钉，并沿着矩形波导宽壁中心的无辐

8、射缝作纵向移动，通过调节探针的位置使负载与传输线达到匹配状态。调匹配过程的实质，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而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射而达到匹配。 10. 环形器 可以控制微波功率的流向。11. 短路负载 将电磁波的能量全部反射回去，将波导的终端短路。实用中短路负载都做成可调的称为可调的短路活塞。12. 微波信号源。它提供所需微波信号，频率范围在86GHz 一96GHz 内可调，其工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。13选频放大器 主要用于测量微弱低频交流信号，信号经升压、放大，选出1kHz 附近的信号，经整流平滑后由

9、输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。【实验内容及步骤】注意：开机前将系统中的全部仪器必须可靠接地，否则，功率头极易烧毁。1了解微波测量系统：（1）观看常用微波元件形状，结构，了解其作用，主要性能和使用方法。（2）按照系统方框图，把微波测量系统连接好。2调整信号源：（1）调整标准信号发生器，。（2）选择合适的工作状态和调制信号的频率。 （3）选择实验所需信号输出功率。（4）按下电源按键，指示灯亮，预热15分钟。 3功率计的调整：（1） 根据测试频率范围和功率选用合适的功率探头。接到功率计输出端。 （2） 接通电源，预热。（3） 根据测量功率和选用探头选择合适的量程。（4） 调节

10、零点，“粗调”和“细调”配合调节使表头指示为零，然后把功率探头接入被测信号源输出端，减少信号源衰减量，调到是实验所需信号的功率。 （5） 测试完毕，关闭电源，功率探头取下。（6） 用同轴电缆连接信号源与测量系统，把微波信号送到微波测量系统。 【思考题】连接隔离器注意什么？为什么？实验二 驻波测量【实验目的】1 掌握谐振式频率计（波长表）测量频率的方法。 2 掌握直接法测驻波比及波导波长的方法。 【实验仪器】三厘米微波参数测量系统 【实验原理】驻波比（或反射系数）能表征电磁场的分布规律，所以驻波测量是微波测量中最基本的和最总要的内容之一，因负载阻抗和波导特性阻抗不匹配而产生驻波，因此通过驻波比测

11、量，就可以检查系统的匹配情况，进而明确负载的性质。驻波系数测量不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、波长、相位移、衰减、Q 值等其它参量，传输线上存在驻波时，能量不能有效地传到负载，这就增加了损耗；驻波测量是将探针在开槽的传输线中移动，探针经过窄槽插入波导内并与电场平行，其感应电动势经同轴探针座送到晶体检波器，被检波后从测量放大器电表读出。当探针座沿波导移动时，放大器读数就间接地表示了波导内电场大小的分布，找出电场的最大值与最小值及其位置，就能求出驻波大小及相位。 1驻波比测量当信号电压较小时，检波二极管基本遵守平方律特性，检波电流I 与信号电压U 间的关系为2I U ，即检波电流I

12、 与输入功率成正比。考虑到U E (E为波导内场强，所以E ，即 max minE E =maxminI I =，故可知的取值范围为1，通常按的大小可分三类：3为小驻波比；310为中驻波比；10为大驻波比。如果不知道检波律，必须用晶体检波特性曲线求出场强和指示器读数的关系再求得。驻波比的测量，应根据驻波比的大小采用不同的方法，以保证测量的精度。 确度，可移动探针多测几个波腹和波节的场强，然后取其平均值max1max 2max min1min 2min . . n nE E E E E E +=+。当驻波比很大时，驻波波腹点与波节点的电平相差较大，在一般的指示仪表上，很难将两个电平同时准确读出，

13、晶体检波律在相差较大的两个电平可能也不同，因此不能将它们相比求出驻波系数。功率衰减法测量大驻波系数，应用可变衰减器测量驻波腹点和节点两个位置上的电平差，使得测量精度主要决定于衰减器精度和系统的匹配情况，而与晶体检波律无关。方法是改变测量电路中可变衰减器的衰减量，使探针位于驻波腹点和节点时指示电表读数相同，则驻波系数min min2010A A -=，式中min min A A 、分别为探针位于驻波腹点和节点时可变衰减器的衰减量，单位为dB 。 2微波频率测量通过测量波长推算出频率，在分米波与厘米波段，常用谐振式频率计（波长表）测量波长。电磁波通过耦合孔进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，

14、腔里的电磁场极为微弱，此时，基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可以读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可以得知输入微波谐振频率。 3 波导波长工作波长是微波源发射的电磁波在波导中传播的波长，它是连续的等幅波。在自由空间或波导中传播时工作波长是相同的。 波导波长g 则是工作电磁波在波导中两侧壁来回反射形成电磁场，其场强沿波导传播方向的周期性分布，这种周期就对应于波导波长g ，即在波导管中传播的合成波的两个相邻波峰或波谷之间的距离，数值上等于相邻两个驻

15、波极值点（波腹或波节）距离的两倍。g 可用表示为g =，c 为截止波长（与传输模式及波导的截面尺寸有关，实 验中为2a ）。在测量线中入射波与反射波的叠加为接近纯驻波，由于场强在极大值点附近变化缓慢，峰顶位置不易确定，而且探针位于波节点处对场分布的影响最小，所以实际采用测定驻波极小点的位置来求出波导波长。为提高测量精度，通常采用交叉读数法确定波节点的位置，即在两个相邻波节点附近找出输出幅度相等的两点的位置L 1min 、L 2min ，取这两点坐标的平均值作为波节点的坐标。实验中由于可变电抗的反射系数接近1，测量方法如下图所示，不直接测量最小点的位置，而是在最小点两侧找到两个电流读书相同的点&

16、#39; ''11X X、，则' '' 111min2X X L +=，同理' '' 222min 2X X L +=。由此可得波导波长2min 1min 12g L L =-。 电场沿测量线分布图I ：为选频放大器的指示值L ：为驻波在波导测量线中的相对位置4微波的衰减将微波元件接在匹配信号源与匹配负载之间，插入元件的输入功率与输出功率之比的分贝数定义为衰减，即10logP A P =入出，式中P 入为插入元件前负载吸收功率，P 出为插入元件后负载吸收功率，元件的衰减是唯一的，与外部环境无关。实验中分别直接测量功率比法和替代法测

17、量衰减。功率比法（直接测量法）：接入被测器件前，调整调配器，使测量线上测得得检波部分为匹配状态，并从指示器上读得电流I 1；接入被测器件后，从指示器上读得电流2I 。当检波器为平方律检波时210logI A I =1。 高频替代法:被测器件接入前，调节精密可变衰减器至A 1，使指示器指示为I 。被测器件接入后，调节精密可变衰减器至A 2，使指示器指示仍为I 。被测器件的衰减量A=A2-A 1，此法比直接测量法精确, 其测试精度取决于衰减器的精度。 【实验内容与步骤】注意：开机前将系统中的全部仪器必须可靠接地，否则，功率头极易烧毁。 1 用频率计（波长表）测量频率 频率测量框图（1）关闭所有电源

18、，按上图连接微波实验系统。（2）将可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。 （3）打开选频放大器电源，“频率”选择“1KHz ”，量程置于“*10”位置，“增益”置于较小位置，“输入电源”细调至中间位置，“输入电压”步进开关置于较大位置。检查此时在没有输入信号的情况下指示是否为零。（4）打开微波信号源，选择“方波”(频率1KHz 调制，调节“频率”至合适值（表头显示和真实频率有误差，约40MHz 以内）。预热15分钟左右，以使输出频率更稳定。（5）调节可调衰减器，左右移动测量线探针位置，适当调制增益等，使选频放大器指示值在表头中间偏右位置（即选频放大器既不

19、超出量程，示数又不会太小）。（6）缓慢旋动频率计（波长表）的测微头在10GHz 附件，当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰。反映在检波指示器上的指示是一跌落点，(参下图）此时读出波长表测微头的读数，再从波长表频率与刻度曲线上查出对应的频率，就是所测信号源的频率。由于频率计的测量精度小于0.3%，所以这种测量的精度很高。检波电流I波长表测微头位置波长表谐振点曲线（7）在读完数后调节频率计使其失谐，以免影响后面的实验内容。 实验记录： 2 小电压驻波比测量 信号源 选频放大器 隔离器 波长表 可变衰减器 测量线 单螺调配器 匹配负载 小驻波比测量框图 （1）关闭所有电源，按上图连接微波实验系统，

20、负载终端不能开路或短路（ r = ¥ ） 。 （2）将可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。 （3）打开选频放大器电源， “频率”选择“1KHz” ，量程置于“×10”位置， “增益”置于较小位置， “输入电源”细调至中间位置， “输入电压”步进开关置于较大位置。检查此时在没有输入信号的 情况下指示是否为零。 （4）打开微波信号源，选择“方波”(频率 1KHz调制，缓慢调节“频率”至合适值（表头显示和 真实频率有误差，约 40MHz 以内） 。预热 15 分钟左右，以使输出频率更稳定。 （5）调节可调衰减器，左右移动测量线探针位置，适

21、当调制增益等，使选频放大器指示值在表头 中间偏右位置（即选频放大器既不超出量程，示数又不会太小） 。 （6）移动测量线探针位置，用选频放大器测出波导测量线位于相邻波腹和波节点上的 Im ax 和 Im in ， 利用平方律检波计算驻波比 r 。 序号 1 2 Im ax Im in r r 3 大驻波系数的测量 选频放大器 信号源 隔离器 波长表 可变衰减器 精密衰减器 测量线 被测元件 匹配负载 功率衰减法连接框图 （1）关闭所有电源，按上图连接微波实验系统。 （2）将可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。 （3）打开选频放大器电源， “频率”选择“1

22、KHz” ，量程置于“×10”位置， “增益”置于较小位置， “输入电源”细调至中间位置， “输入电压”步进开关置于较大位置。检查此时在没有输入信号的 情况下指示是否为零。 （4）打开微波信号源，选择“方波”(频率 1KHz调制，缓慢调节“频率”至合适值（表头显示和 真实频率有误差，约 40MHz 以内） 。预热 15 分钟左右，以使输出频率更稳定。 （5）精密衰减器置于“零”衰减刻度。 （6）将测量线的探针调到驻波波节点，调节精密可变衰减器，使电表指示在 80 刻度附近，并记下 该指示值。 （7）将测量线的探针调到驻波波腹点，并增加精密衰减器的衰减量，使电表指示恢复到上述指示 值，

23、读取精密衰减器刻度并换算出衰减量的分贝值 A。 （8）计算被测驻波系数。 4 波导波长的测量（驻波测量线法） 信号源 选频放大器 隔离器 波长表 可变衰减器 测量线 可变电抗 波导波长测量框图 （1）关闭所有电源，按上图连接微波实验系统。 （2）将可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。 （3）打开选频放大器电源， “频率”选择“1KHz” ，量程置于“*10”位置， “增益”置于较小位置， “输入电源”细调至中间位置， “输入电压”步进开关置于较大位置。检查此时在没有输入信号的 情况下指示是否为零。 （4）打开微波信号源，选择“方波”(频率 1KHz调制

24、，调节“频率”至合适值（表头显示和真实 频率有误差，约 40MHz 以内） 。预热 15 分钟左右，以使输出频率更稳定。 （5）调节可调衰减器，左右移动测量线探针位置，适当调制增益等，使选频放大器指示值在表头 中间偏右位置（即选频放大器既不超出量程，示数又不会太小） 。 （6）移动测量线滑动装置，记录相邻波节点位置，分别记录同一波节点两侧电流值相同时（电流 值越小越精确）探针所处的两个不同位置 X 1、X 1 和 X 2、X ' '' ' '' 2 ，则其平均值即为理论节点位置： 在波节点附近， 电场非常小对应的晶体检波电流很小， 导致测量线探针

25、移动 “足够长” 的距离， 选频放大器表头指针都在零处“不动” ，因而很难准确确定电压波节点位置时，可把探针位置调至 电压波节点附近，调节选频放大器的灵敏度（减小衰减量） ，使波节点附近电流变化对位置非常 敏感） 。 注 意 ： 测出一个电压波节点位置之后，将探针向相邻波节点移动时，要随 时 加 大 选 频 放大器的衰减量，以防选频放大器电流表过载损坏！ 序号 1 2 X '1 X ''1 L1min X '2 X ''2 L2 min lg lg （7）根据波导波长与工作波长的公式，验证上述波导波长 l g 结果的正确性。 5 功率测量 信号源 检波指示器 隔离器 选频放大器 波长表 功率计 检波器 功率头 隔离器 可变衰减器 测量线 波导开关 调配器 功率测量微波系统框图 （1）关闭所有电源，按上图连接微波实验系统。 （2）将可变衰减器调到最大衰减，以免造成开机后选频放大器指针超出量程，使表头机械损坏。 （3）打开选频放大器电源， “频率”选择“1KHz” ，量程置于“×10”位置， “增益”置于较小位置， “输入电源”细调至中间位置， “输入电压”步进开关置于较大位置。检查此时在没有输入信号的 情况下指