微波技术实验指导书

微波技术实验指导书内蒙古工业大学信息工程学院电子系2009年8月实验一、实验二、实验一、实验二、实验三、衰减的测量 -.16.- 微波技术实验指导书目录微波传输线频率和波长的测量 -2-微波传输线驻波比的测量 -8-实验要求一、 预习要求：实验前必须充分预习，完成指定的预习任务。认真阅读实验指导书，分析、掌握实验电路的工作原理，并进行必要的计算。复习实验中所用各仪器的使用方法及注意事项。熟悉实验任务，完成各实验“预习要求”中指定的内容，写好预习报告。二、 实验要求：使用仪器前必须了解其性能、操作方法及注意事项，在使用时应严格遵守。实验时应注意观察，若发现有破坏性异常现象（例如有元件冒烟、发烫或有异味）应立即关断电源，保持现场，报告指导教师。找出原因、排除故障后，经指导教师同意再继续实验。在进行微波测试时，终端尽量不要开口，以防止微波能量泄露。实验过程中应仔细观察实验现象，认真纪录实验结果（数据、波形、现象）。所纪录的实验结果经指导教师审阅签字后再拆除实验线路。实验结束后，必须关断电源，并将仪器、设备、工具等按规定整理。实验后每个同学必须按要求独立完成实验报告并按时上交。实验一、微波传输线频率和波长的测量一、 实验目的学会使用基本微波器件。了解微波振荡源的基本工作特性和微波的传输特性。学习利用吸收式测量频率和波长的方法；掌握用测量线来测量波长和频率的方法。二、 实验原理微波的传输特性为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响，采用标准矩形波导管为微波传输线，并用TE1（^型。波导管具有三种工作状态：①当终端接“匹配负载”时，反射波不存在，波导中呈行波状态；②当终端接“短路片”、开路或接纯电抗性负载时，终端全反射，波导中呈纯驻波状态；③一般情况下，终端是部分反射，波导中传输的既不是行波，也不是纯驻波，而是呈行驻波状态。微波频率的测量用吸收式频率计PX16（直读式），测量范围8.2GHZ-12.4GHZ，误差忍土0.3%，当传输线中相当一部分功率进入频率计谐振腔内，而另一部分从耦合元件处反射回去。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产生谐振，用选频放大器测量，信号源须用内方波，重复频率

为1KHZ左右，谐振时可从选放上观察到信号幅度明显减少，以减幅最大位置为判断频率测量值的论据。微波功率的测量用GX2C小功率计配小功率探头直接测量连续或脉冲调制的射频平均功率。GX2C属于热电偶型，热电偶膜片既是传输线终端负载电阻，又见电磁场能一热能一直流电动势的转换器件。波导波长入g的测量入在数值上为相邻两个驻波极值点（波腹或波节）距离的两倍，常采用g测定驻波极小点的位置来求出入g。（D用平均值法。找出两个相邻最小点的位置Di和Dy移动探针在驻波的位置di和d2,的位置di和d2,同样找出D2点左右的d3和d「则人=2|d2-DJ=(d3+d4)-(d1+d2)Di、D2的位置在测量线上通过标尺读出。(2)用可变短路器。首先找出第一点最大点D1时，将选频放大器增益放大，来回转动可变短路器，记下最小点时可变短路器上的刻度位置X1,然后改变可变短路器，找出另一个相邻最小点D2,再记下可变短路器上刻度位置X2,则上=|x_X1,通过测出尢，可计算出频率和自由空间波长，有一一对应的关系。三、 实验装置YM1123标准信号发生器，GX2B小功率计，YM3892选频放大器，TC2b波导型测量线，(TS7厘米波导精密衰减器，PX16直读式频率计)，BD-20A三厘米波导系统，探头若十。四、 实验内容与步骤熟悉有关仪器的基本原理和使用方法，连接好仪器。连接线路如图1-1所示：测量面打开标准信号发生器的电源，电流调零，输出功率调到中档，输出频率调到10GHZ。信号工作方式置于“内方波”，重复频率用“X10档”1KHZ左右。将选频放大器衰减档置于40dB档位，输入阻抗置200。，通频带置于32HZ。将选频放大器接到晶体检波器输出端，缓慢旋转频率计在10GHZ左右，当输出幅度降低达到最低的时候，谐振腔(频率计)处于谐振状态，此时频率计的读数就是信号源的输出频率f。当频率计不处于谐振状态时，将选频放大器接到TC2b测量线上，测量端口接上可变短路器，缓慢移动测量探针，测出相邻两个极值点附近的两点坐标，测两组数据；再用平均值方法，计算波导波长人=(d+d)-(d+d)，测三组数据。位置1(mm)位置2(mm)人(mm)did3d'2d'4d"id"3d"2d"4d'"1dLd2”4X1X2标准信号源仍开机不动。将功率计开机调整，并将校准因子调节好（例信号源为10.0GHZ时，标准因子调95%），再接上gx-广探头。然后把GX2-T3功率探头与信号源和功率计连接，慢慢增大信号源的输出功率，当输出最大时记录所测功率。测量完毕，一定要先拆下功率探头，再关功率计和信号源。五、 微波实验注意事项：旋动频率计要缓慢，否则塑料红指针易卡断。在起始端和终了端要切忌不能使劲转动。移动测量线探针的同时，要适当调整选频放大器的放大倍数，避免在输出最大位置时选放指针打表。合适调节信号源的输出功率。（衰减约37dB）。每次改变信号源频率时，都须重新调整E-H面阻抗调配器、品体检波器、测量线，使之处于谐振输出最大状态。测量功率时须保证被测系统中各连接头接触可靠，并保证信号源和功率计外壳等电位。测试过程中切不可大范围调节被测功率源的频率。每次换档时，要重新调零（功率计）。在装拆连接同轴探头时一定要小心，要先将信号源和功率计开机并调试好，再接上功率探头；测好后先功率探头拆下再关机。切不可在接上功率探头的情况下，开、关被测功率源的开关（易烧毁膜片）。六、思考与讨论驻波测量线测定波导波长的方法。波导波长与自由空间波长的大小关系如何？为什么有时晶体检波器在调速管和检波二极管都完好的情况下，会出现输出信号很小的现象，如何调节？实验二、微波传输线驻波比的测量一、 实验目的熟悉整个测量系统，主要是驻波测量线的使用方法；学会测量线的定标；掌握常用的大、中、小电压驻波比的测量方法，以及如何精确测量。二、 实验原理驻波比的测量是微波测量中最基本、最重要的内容之一。电压驻波比（简称驻波比）定义是：传输线中电场最大值与最小值之比，〜艮即S=Emax=一顽式中E为电场的归一化值（相对场强）。〜EEmin .min直接法直接法测量传输线驻波的波幅点与波节点场强，由定义求得驻波比的方法称为直接法。该方法适用于测量中、小驻波比（即S<6）。如果测得驻波波幅点与波节点的指示器读数分别为imax与i血『根据品体定标曲线可读得相应的|E|与|£，则驻波比S为：max min〜（2-1）E（2-1）S=maxEmin在实验中所使用的功率电平范围内，一般可近似地认为是平方律检波，〜I〜I1E=1 Imax，E=\minminmaxI即:〜〜I=CE2，I=CEmax即:〜〜I=CE2，I=CEmaxmin2maxmin式中C为比例系数，则:〜E〜maxEminSI~max\Imin(2-2)等指示度法等指示度法是在驻波波节点附近测量数据再根据驻波分布规律求其驻等指示度法是在驻波波节点附近测量数据再根据驻波分布规律求其驻波比。由长线理论可知，合成波波节点处相对场强可表示为:max=c(1-r)minmaxmin从波节点向两侧移动探针，使指示器读数均为波节点指示器读数的K倍，等指示度（KI）的宽度为W。KI对应处的相对场强等指示度（KI）的宽度为W。KI对应处的相对场强E为:minmin=[1+rI 2兀W1-2r|cos(—)]2KI=c[1KI=c[1+rI2-2ircos(min厂）］2人g由于cos由于cos20=2cos29-1|「|=。则S+1兀w(2-3)（2-4）K2-cos2(-^―)(2-3)（2-4） g—兀wsin(L人g若K=2，且n=2（平方律检波），则:TOC\o"1-5"\h\z1 1S= '1+. 兀wsin2(二)\ 人g当S>10时，sin（也）很小，上式可简化为：gS='（K=2，n=2）兀W功率衰减法功率衰减法测量驻波比是一种简便而准确的方法，它的测量精确度主要决定于标准可变衰减器的校准误差和测量线路的失配误差，而与晶体检波律无关，它可测量任意驻波比。功率衰减法是利用标准可变衰减器改变入射波振幅（或功率），使检波指示不变来测量驻波波幅点与波节点的电平差，由电平值（分贝值）来计算驻波比。设信号源送入可变衰减器的入射波为|气|，通过波为\e\，由被测元件产生的反射波为|re\，第一次在测量线内合成波波节点处有：

|e|=\e1（1-|rI）min 1改变可变衰减器，使指示器得到一个明确而便利的读数，衰减器的衰减量为A讪，可见：A=20lg[-^1]min Emin再把探针移到波幅点，同时加大衰减器的衰减量，使该点处的合成波|e|与|e|相等，即e| =Ie ，也即保持两次指示器读数不变，此时衰减量为Amax，同理：A=20lg[气(1*「)]max |E(1+r)则：A=20lg[^±^]max Emax2maxmin=201gS1+r=maxmin=201gS1-r因此"max"minS因此"max"minS=10 20（2-5）三、实验装置YM1123标准信号发生器，GX2B小功率计，YM3892选频放大器，TC2b波导型测量线，（TS7厘米波导精密衰减器，PX16直读式频率计），BD20-A三厘米波导系统，喇叭天线，探头若干。四、实验内容与步骤

四、实验内容与步骤被测负载为喇叭天线按图2-2或图2-3连接实验线路，开启信号源，调整测量线。1）直接法、等指示度法图2-2直接法测量驻波比将被测负载接于测量线路终端，移动探针，测Imax和、疽等指示度法测驻波比1） 将被测负载接于测量线终端，移动探针至波节点处，测得、疽2） 在波节点两侧1=21讪处测得标尺刻度di和d2,重复三次。功率衰减法测驻波比1） 将被测负载接于测量线终端。2） 将探针移至波节点，同时改变衰减器，使指示器得到一个明确而便利的读数I1（应该大于1/2满刻度），并读得衰减器刻度*。3） 将探针移到波幅点，改变可变衰减器，使指示器读数仍保持为"，并读得衰减器的读数％。五、数据处理与表格根据、和Imin，由品体定标曲线查得相应的E与E，由max min〜ES=max

〜Emin计算S，并与由SS=计算得到的S进行比较。由三次测得的d「d2,计算W的平均值，并将W的平均值与人^代入（2-4）式计算S。根据测得的A2与％，由衰减量、x（dB）与%*），并代入（2-5）式计算S。六、注意事项等指示度法中侧W最好用指针式测微计，但作为学习测量原理与方法，也可以直接用测量线上的标尺。功率测量法必须用已校准的精密衰减器测量，用一般可变衰减器测量不能保证精度，但可作为学习测量原理与方法使用。七、思考与讨论分析实验中用三种方法测量所得结果，你认为引起误差的原因是什么？应如何减小测量误差？可能的话，在实验中试一下。附参考数据表格1.直接法数据波幅点i （mA）波节点I （mA）驻波比S2.等指示度法数据次数Imin2i.对应的探针位置W=d1-d2(mm)W平均（mm）人&平均（mm）Sd（mm）d（mm）123功率衰减法数据A1Amin(dB)A2Amax(dB)Amax -\n(dB)S实验三、衰减的测量用功率比测量衰减；用替代法测量衰减。一、 实验目的熟练掌握用平方律检波法与高频替代法测量衰减量的技术;了解定向耦合器的参数及其衰减的测量方法。二、 实验原理参考前述章节中电源方向驻波系数测量及衰减测量的有关部分。定向耦合器是一种很有用的微波元件，它具有在一定方向上耦合电磁能量的特性，因而可用作精密分功率器，微波反射计等，在功率监视系统、大功率设备中更是不可缺少的器件。定向耦合器的种类很多，其结构示意图如下：能量从主波导输入端输入，其中一部分通过主波导到主波导输出端，另一部分通过耦合结构到辅波导。辅波导中向左传输的能量由于它的定向性而相互抵消，剩余部分为终端负载所吸收；向右部分通向辅波导输出端。定向耦合器主要参量有：1） 耦合系数也称过渡衰减，表示能量从主波导耦合到辅波导的大小，如图所示。Pj表示主波导输入能量；七为耦合到辅波导输出端能量，则用分贝表示的耦合系数C定义为：C=10lgP（dB）Pa2） 方向系数亦称方向性，表示定向性能的好坏，如图中到达辅波导反向端的能量PB越小，定向性越好。用分贝表示的方向系数D定义为：D=10lgLPB3） 输入驻波系数，为主、辅波导输出端均外接匹配负载时，输入端的驻波系数；4） 频带宽度，为耦合度、方向性及输入驻波系数都满足技术指标要求时的工作频带宽度。三、实验装置YM1123标准信号发生器，GX2B小功率计，YM38