微波基本参量测量实验报告

近代物理实验报告微波基本参量测定实验学院班级姓名学号时间2014年4月12日微波基本参量测量实验实验报告【实验目的】学习微波的基本知识，了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用；了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术；掌握驻波测量线的正确使用方法；掌握电压驻波系数的测量原理和方法。【实验原理】一、微波基本知识微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。从图1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。与无线电波相比，微波有下述几个主要特点图1电磁波的分类1．波长短(1m—1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9一10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻、电容、电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。4．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。5．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。微波实验是近代物理实验的重要组成部分。微波传输特性根据电磁场的普遍规律——Maxwell方程组以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有两大类波能够在矩形波导中传播：①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。②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，本实验采用TE10波，是矩形波导中常用的一种波型。TE10型波：在一个均匀、无限长和无耗的矩形波导中，沿z方向传播的TE10型波的各个场分量为，，，，，其中：为电磁波的角频率，，是微波频率；:波导截面宽边的长度；：微波沿传输方向的相位常数；：波导波长（在波导管里面，某些特定波长的电磁波与波导谐振，其中最长的一个波长被称为波导的特征波长，也称波导波长），：微波在自由空间波长。以上表明，TE10波具有如下特点：①存在一个临界波长，（矩形波导中传播的TE波和TM波，都有一定的“临界波长”，能在矩形波导中传播的波长最长的电磁波的波长称为波导管的临界波长）。只有波长的电磁波才能在波导管中传播②，即波导波长λg大于自由空间波长λ，（TE波和TM波在波导中的波长用表示）。波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速度称为相速，群速是表示能量沿波导纵向传播的速度，其关系为。因为，波导中电磁波是成“之”字形并以光速传播的，所以，波导波长将大于自由空间的波长。图1电磁波在波导中的传播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（坐标xyz的x轴沿波导横截面的宽边，y轴沿波导横截面的窄边，z轴沿波导的纵方向）。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，和的分布规律相同，也就是说最大处也最大，为零处也为零，场的这种结构是行波的特点。图2TE10波的电磁场结构（a）,（b）,(c)及波导壁电流分布(d)波导管的工作状态：（1）如果波导终端负载是匹配的（波导终端接入负载后，由于负载性质的不同，电磁波就将在终端产生不同程度的反射。如果用表示传输线的特性阻抗，用表示负载阻抗,若波导终端负载是匹配的，则＝），则入射波全部被负载吸收而无反射，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，即此时波导管中的微波的将沿波导管无损耗的向前传播，传播时波的幅值不衰减，能量不衰减，就像在真空中传播一样，见图3（a）。（2）当终端短路（微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即：）时，入射波被负载全部反射。这时波导管中同时有两列频率相同、振幅相同、传播方向相反的微波，一列是入射波，一列是反射波，这两列波将在波导管中形成驻波，并且是“纯驻波”，波的波腹和波节点电场E的大小0，而＝0，见图3（C）。（3）当波导终端不匹配时（任意负载下），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。混合波是一种“行驻波”，波的波腹和波节点电场E的大小0，并且0，见图3（b）。为描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数定义为。驻波比定义为：，用驻波比来描述传输线阻抗匹配的情况。其中：和分别为波腹（驻波电场最大值处）和波节（驻波电场最小值处）点电场E的大小。不难看出：对于行波，=1；对于驻波，=∞；而当1<<∞，是混合波。图3为行波、混合波和驻波的振幅分布波示意图。图3（a）行波,（b）混合波,(c)驻波【实验仪器】微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。而阻抗、波长、驻波比和功率等微波参数的测量方法有其独特之处。微波阻抗的测量是通过检测电场强度的相对值（即：驻波比）来实现。波长的测量可用谐振腔来进行（即通常所称的“吸收式波长计”）。功率的测量是利用微波的热效应，通过热电换能器进行间接的量测。本实验是使用厘米波中的X波段，其标称波长为3.2cm，中心频率为9375MHz。其它主要设备有：测量线：三厘米驻波测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。其内腔尺寸为a＝22.86mm，b＝10.16mm。其主模频率范围为8.60～9.6.GHz，对于TE10波而言，截止波长＝45.72mm，截止频率为6.557GHz。开槽直波导位于波导宽边的正中央，平行于波导轴线，不切割高频电流，因此对波导内的电磁场分布影响很小，开槽波导中的场由不调谐探针取样，探针感应出的电动势经过晶体检波器变成电信号输出，可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息。实验中就是通过探测测量线中电磁场的分布达到测量微波的各种参数目的。图4DH364A00型3cm测量线外形直波导管：型号为BJ—100，其内腔尺寸为a＝22.86mm，b＝10.16mm。其主模频率范围为8.20～12.50GHz，对于TE10波而言，截止波长＝45.72mm，截止频率为6.557GHz，实验中作为连接件使用。隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性。实验中隔离器用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。可变衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。波长表：电磁波通过耦合孔从波导进入波长表的空腔中，当波长表的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它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，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振波长。匹配负载：波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。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。【实验内容】一、频率测量微波频率测量的方法有两种：一是谐振腔法；二是频率比较法。实际测量中主要使用谐振腔法，只有在作精密测量和校准时才使用频率比较法。 谐振腔法的测量设备是谐振腔波长计，谐振腔波长计有两种不同方法与微波系统连接：传输式和吸收式。在本实验中采用的是吸收式谐振腔波长计。其测量频率的工作原理在于谐振腔只有一个输入端与微波传输线相连接，以形成传输线内微波的能量分支。微波信号器微波信号器隔离器可变衰减器波长表被测器测量线选频放大器按如图所示连接。将检波指示器和检波器接到被测件位置上，利用波长表可以测出微波信号源的频率。旋转波长表的侧微头当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰，反应在检波指示器上的指示是一跌落点，读出测量头读数，在附录表中查出对应频率。二、功率测量微波功率测量包括两种方法：1.相对测量——确定微波功率的相对大小；2.绝对测量——确定微波功率的绝对值。在测量工作中常常需要检测微波功率的存在或估计其相对大小，借助检波晶体管的建波电流，在可以简单地估计功率的大小。 在实验中，微波绝对功率的测量时利用吸收式微瓦功率计。其探头的结构是由两种不同金属组成的回路，如果加热其中一个结点，造成两个结点之间的温度差，于是在此回路中将产生正比于温差的热电动势，这就是温差热电偶，它可将微波能量转变成直流电势，这种转变是通过探头中的铋-锑热电偶膜片来实现。功率绝对测量 按如图所示连接电路。将检波器输出接探头和微瓦功率计，并选择合适的量程，并把功率探头通过波导——同轴转换接到被测功率源上，此时功率计上的指示几位测得微波功率的绝对值。三、微波驻波比测量驻波测量可以判断微波传输系统是否处于良好的匹配状态，还可以测量波导波长、衰减、阻抗、谐振腔Q值等。 驻波测量的方法和仪器种类很多，在本实验中用驻波测量线，根据直接法测量中、小驻波比，等指示度法（或称二倍最小功率法）测大驻波比。 驻波比依据不同的负载，结合大，小驻波比，分别使用二倍最小功率法，直接测量法测量。（1）小、中驻波比的测量。电压驻波比是传输线中电场最大值与最小值之比，表示为：具体步骤是：按照下面的图连接，在选频放大器上选择合适的电压以及量程和增益按钮，调节频率旋钮，使放大器的表头数字最大。再移动探测头使其分别移到波腹和波谷处，记录下表头读数，按照公示计算。（2）测量大驻波比（二倍法适用于S>10）当待测器件驻波比大于10时，驻波波腹和波节相差很大。因而使晶体检波输入处于不同的检波律。这样用直接法测量驻波比会带来较大的误差（即最大值和最小值相差太大，某个读数有很大误差）。而二倍法是采用测量驻波波节点附近驻波分布规律来进行驻波比测量的方法。具体步骤是：当E最小值小到难以读数时，适当增加放大电压，使其最小值读数变大。我们只需要测量驻波波节点处的幅值Imin和2Imin时测量线探针间距d＝｜d1-d2｜。当检波器的检波律是平方检波时，负载的驻波比可以按下式作近似计算：，当S较大时，很小，上式可以简化为：。而驻波波长的测量则可通过探针任意选取驻波上某个点，记录下读数，再向一个方向移动过相同数值第三次时，此时的读数与第一次的读数之差就是驻波的波长。【数据记录与处理】1、频率测量谐振腔读数（mm）微波信号源频率值（MHz）标准对照读数（MHz）相对误差（%）6.60912192301.18%6.64911591260.12%6.77910291110.01%6.86909191020.12%6.99908090860.01%2、功率测量微波信号源频率值（GHz）3、驻波比的测量实验中我们发现右下部分为小驻波比处，左上为中驻波比处，右上为大驻波比处。小、中驻波比我们采用直接法。小驻波比：6043.875143.57中驻波比：6934.807134.86大驻波比：【实验分析及思考】本次实验主要是对驻波比的测量，那么在测量前我们就必须搞清楚什么是驻波比，