合肥工業(yè)大學 微波實驗指導書

1、實驗一 微波常規(guī)測量系統的熟悉與調整一、實驗目的 1、了解常用微波常規(guī)測量系統的組成，認識常用微波元件，熟悉其特性、在系統中 的作用及使用方法。 2、熟悉常用微波儀器的調整和使用方法。二、實驗原理 1、實驗系統簡介圖1-1 常規(guī)微波測量系統微波常規(guī)測量系統如圖1-1所示。系統中的儀器和主要元件作用如下：(1)、信號源：產生微波信號。常用的簡易信號發(fā)生器，包括速調管振蕩器、速調管電源和調制器。速調管振蕩器產生并輸出需要的連續(xù)或調制信號，速調管電源供給速調管振蕩器所需各組穩(wěn)壓電源，調制器產生方波調制信號（重復頻率一般為1000Hz ）,對速調管振蕩器進行方波調制。標準信號發(fā)生器主要有速調管和體效應

2、管兩類，在包含上述功能的基礎上增加了輸出幅度調節(jié)器（可變衰減器）以及頻率計等。(2)、頻率與功率監(jiān)視部分：由正向接入的定向耦合器從主通道中耦合出一部分能量，通過對該部分信號的監(jiān)測，確定其信號源的頻率并監(jiān)視輸出功率的穩(wěn)定性，標準信號源往往附有監(jiān)測系統。(3)、隔離器：是一種鐵氧體器件，用于消除負載反射對信號源的影響。理想的隔離器只允許信號由源向負載單方向通過（即對入射波衰減為零）。而全部吸收由負方載向源的反射功率（即對反射波衰減為無窮大）。利用其單向傳輸特性，既保證了信號的正常傳輸，又防止反射波進入信號源影響其輸出功率和振蕩頻率的穩(wěn)定。實用的隔離器正向衰減為零點幾分貝，反向衰減為幾十分貝。在沒有

3、隔離器時，可用固定衰減器代替。此時，對正向、反向信號有同樣衰減。(4)、衰減器：分固定衰減器和可變衰減器兩種。為電平元件，用來調節(jié)輸出功率的大小。調整可變衰減器的衰減量，可以控制到達負載的功率，使指示器有適度的指示。固定衰減器也可以用定向耦合器代替。(5)、測量線：用來測量負載在傳輸線上造成的駐波分布，確定駐波系數、駐波最小點位置和波導波長等，以便計算各種待測參數。 (6)、指示器：指示檢波電流的大小，對連續(xù)波信號、常用微安表、光點檢流計等指示器。而對調制波信號，常用選頻放大器做指示器。(7)、負載：包括匹配負載、短路器及其它任何待測終端器件。(8)、頻率計：用于測量信號源頻率。在簡單的測量系

4、統中也可以將其接在主通道中，接在副通道中的目的在于防止對主通道產生影響。在進行微波參數測量之前，首先要對系統進行調整。主要包括：根據要求調整信號源頻率及輸出功率；調整可變衰減器使功率電平滿足要求；系統調配；測量線探頭調諧，該部分調節(jié)本實驗系統可不進行。主要調整步驟和原理介紹如下：(1)、信號源的調整 試驗過程中可能會接觸到不同型號按“點頻”方式工作的信號源，其機械調諧旋鈕置于某一位置時，輸出相應的單一頻率信號。信號源的調整主要包括：調整頻率旋鈕，選擇需要的頻率；系統調配使振蕩器處于最佳工作狀態(tài)且輸出功率最大；調整輸出衰減器，使信號源輸出功率滿足測量要求。在使用信號源之前，請仔細閱讀說明書。(2

5、)、諧振式頻率計的使用 在厘米波段，廣泛使用諧振式頻率計（也稱為諧振式波長計）。測量微波頻率，實際上是使用一只一端尺寸可調（一般用短路活塞）的單模諧振腔，將其以適當方式接入到測量電路中，調整短路活塞（即改變腔體長度），使之與信號源頻率諧振，諧振時活塞位置刻度所對應的頻率值，即為待測頻率。諧振式的頻率計讀數方式通常有兩種：一種是頻率計上僅有用螺旋測微器讀出的活塞位置刻度，使用前先用外差式頻率計或數字頻率計校準，做出刻度一頻率校正曲線（或校正表）；使用時根據讀數從校正曲線或校正表上查出頻率。另一種是直讀式，即將校準的頻率值直接標注在測微器的外側圓筒上，使用時可直接讀出頻率。根據諧振式頻率計藕合元件

6、的不同，采用不同的方式接入測量系統中，其調諧指示曲線也不相同。第一種：通過式頻率計的接法。這種接法的頻率計腔體具有兩個基本耦合元件。通過輸入、輸出耦合元件串接在測量系統中。當腔體與待測信號失諧時，通過輸入棍耦合元件進入腔體的信號很微弱，因而耦合輸出也很弱，檢波器指示會很小。嚴重失諧時，檢波電流接近于零，無檢波指示。當調諧腔體尺寸使之與待測信號諧振時，進入腔體的信號最強，耦合輸出也最大。測量時，只要連續(xù)調節(jié)調諧機構，同時觀察檢波指示。當檢波指示最大時，頻率計所對應的頻率就是待測頻率。第二種：吸收式頻率計接法。該種頻率計腔體只有一個耦合元件。腔體通過耦合機構與待測信號的傳輸系統相耦合，形成主通道的

7、一個分支。腔體失諧時，基本上不吸收微波功率，從而不影響信號的正常傳輸，檢波指示正常，當調諧腔體使之與待測信號諧振時，腔體吸收功率很大，從而使檢波指示明顯下降。因此，在測量時只要緩慢連續(xù)調節(jié)調諧機構，同時觀察檢波指示。當指示突然下降到最小時，頻率計所對應的諧振頻率就是待測信號頻率。 （3）、測量線的調整與使用 測量線的構造主要包括開槽線段（波導、同軸線或者平板式）、探頭裝置（包括探針、檢波座和調諧器）、探頭移動機構和位置測量裝置等。探針伸入開槽線段中并通過軸向槽縫可以左右移動，拾取開槽線段中的電場能量，感應出與場強幅度成正比的電動勢加到檢波晶體上。檢波輸出由指示器指示。因此，指示器的指示大小可反

8、映出開槽線段內探針所在位置的相對電場強度，再由測量線的位置刻度指示可確定一系列參數。探針伸入波導，相當于在波導中引入不均勻性，從而影響了系統的正常工作狀態(tài)，稱為探針的加載作用。為了分析方便，通常把探針等效成與傳輸線并聯的導納。其中為探針歸一化電導，反映探針吸收功率的大小；為探針歸一化電納，表示探針引起附加反射的影響。在信號源和傳輸系統匹配的情況下，當終端接任意阻抗時，由于的分流作用，將使測得的駐波幅度比真實值要小。因為駐波波腹附近為高阻抗區(qū)，的影響較大。的存在將使駐波波腹點和波谷位置（主要是腹點位置）發(fā)生偏移。一般情況下探針電納為容性，將使駐波波腹點向負載方向移動。反之，當為感性時，將駐波波腹

9、點向信號源方向偏移。但在終端短路或開路的情況下，由于此時駐波波節(jié)點處的輸入導納的，所以影響很小，駐波波節(jié)點位置不會發(fā)生偏移。而在駐波波腹點，影響就將特別顯著。減小影響方法是適當的減小插入深度。插入越深，影響越大，但靈敏度越高；插入越淺，影響越小，但靈敏度越低。二者存在矛盾，必須權衡得失，適當選取插入深度?；驹瓌t是在保證靈敏度的情況下盡量減少插入深度。一般插入深度為波導窄邊的10左右。對三公分波導系統，插入深度為l1.5毫米為宜。注一：交叉讀數法如圖l-2所示，首先將測量線探針置于駐波波腹位置，改變可變衰減器使之測量線檢波輸出放大器的讀數接近或達到滿量程，然后移動測量線探針，在最小點兩側且在最

10、小點附近選取場強相等的兩點，即等指示度點（測量線檢波指示均為），記下測量線探針在兩個等指示度點的位置和，則最小點的位置為圖1-2 交叉讀數法確定最小點 (1-1)（五）晶體檢波器 駐波幅度分布的測量表現為晶體檢波電流的測量。預先知道指示器讀數與開槽線中相對場強的函數關系曲線。加到晶體檢波器兩端的電壓V和檢波電流I的關系，一般表示為式中K為比例系數，n為檢波律。在一定電壓范圍內n可以認為是常數。通常檢波電平較低?。▽φ{制波而言，輸出電壓不大于幾毫伏。對連續(xù)波而言，輸出電流不大于）時，即為小信號檢波，可以近似認為是平方律檢波，即n=2。在精確測量中，晶體的檢波律n可利用對數關系。三、實驗內容1、

11、調整信號源，調整輸出信號電平。2、測量工作頻率，計算工作波長。3、調整測量線，用測量線測波導波長，計算工作波長，并與2中的結果比較。四、實驗步驟 在實驗開始之前，必須仔細閱讀各儀器使用說明書，熟悉基本原理和使用方法。（一）準備工作 1、按圖1-1檢查測試系統，負載為短路片。2、將可變衰減器都置于最大衰減量位置。（二）信號源調整 1、閱讀信號源使用說明書，按其說明進行調整。 2、減小可變衰減器1和3的衰減量，使指示器2有明顯指示。（三）頻率調整 1.緩慢調整檢波器的短路活塞，反復調整檢波器的調配螺釘，使檢波器指示器2指示較大或接近滿量程。 2.緩慢調整諧振式頻率計，使諧振于信號源頻率（對吸收式頻

12、率計，檢波指示器2 突然減到最小。對通過式頻率計，檢波指示器2突然增到最大）。實驗中用的是吸收式頻率計。 3、讀取頻率計上的頻率值或讀取諧振時測微計刻度值，記錄信號源頻率，并計算工作波長。（四）測量線的調整 1減少可變衰減器2的衰減量，使測量線檢波指示器1有明顯指示。（最大偏轉有三分之二刻度以上） 2移動測量線探針至駐波最大點位置（注意:在移：過程中分需隨時調整可變衰減器2使檢波指示適中）。 （五）波導波長的測量。 1、移動測量線探針，用交叉讀數法（注一方法）測量測量線（開槽波導）中的駐波最小點位置。兩相鄰駐波最小點之間的距離為玉，計算平均波導波。1、 由公式 （1-8） 式中（BJ-100型

13、波導：，。BJ-48型波導：，。可得 （1-9） 按照式（1-9）計算工作波長，并與步驟（三）的結果相比較。思考題：1、在實驗報告中需畫出微波常規(guī)測量系統圖，并說明各元件和儀器在系統中作用2、在實驗報告中給出調整測量線為最佳輸出狀態(tài)的步驟。3、如何用諧振式頻率計監(jiān)測工作頻率？4、確定波導波長時，若用確定駐波最大點位置的方法，與用確定駐波最小點位置的 方法有何區(qū)別？實驗二 駐波系數測量(一)一、實驗目的掌握用直接法測量駐波系數（電壓駐波比）的原理和方法。二、實驗原理如圖2-1所示，測量單口器件的駐波系數時，待測器件接在測量線輸出端；測量雙口（或多口）器件的駐波系數時，需要輸出口接的匹配負載。圖

14、2-1 電壓駐波比測量電路 * 直接法對中小駐波系數（一般或更?。梢杂媒臃y量，即移動測量探針，根據在駐波最大點和最小點時指示器的指示和，按下式計算待測器件的駐波系數。 （2-1）式中n為晶體檢波律。在檢波功率電平最小（小信號檢波）的情況下，可取n=2，則 （2-2）為了消除由于檢波律不確定而引起的計算誤差，可以按實驗一的方法預先對晶體定標，確定出檢波律，然后計算待測器的駐波系數。 三、實驗步驟（1） 按實驗一的方法，調整測量線為最佳輸出狀態(tài)；（2） 用直接法測量以下五種不同負載情況下的駐波系數：(a) 短路片；(b) 開路負載；(c) 匹配負載；(d) 任意負載；(e) 喇叭天線；（3）

15、 結合傳輸線上不同工作狀態(tài)的特性分析，聯系以上實驗結果，深入理解傳輸線工作狀態(tài)與所接負載的關系。四、思考題1、 結合實驗內容，說明在測量線終端接以上不同負載時，傳輸線分別工作在什么狀態(tài)？此時選頻放大器的指示有何特點？如何解釋該現象。實驗三 阻抗測量與匹配技術一、實驗目的1、掌握測量線法測量微波器件阻抗參數的原理和方法。2、熟悉阻抗（或導納）圓圖在阻抗測量中的應用。3、熟悉阻抗調配技術。二、實驗原理（一） 駐波法測量微波器件阻抗參數的原理當微波傳輸系統的終端負載與傳輸線的特性阻抗不匹配時，就會產生反射，在系統中形成行駐波或純駐波。由傳輸線理論知道，對于一段無耗傳輸線，距負載參考面距離為d的任一點

16、的阻抗和負載阻抗，傳輸線特性阻抗之間的關系為： （4-1）又因為在電壓駐波電小點的輸入阻抗為： （4-2）所以，當線上某一電壓駐波最小點距負載的距離為時，該點的輸入阻抗同時滿足（4-1）和（4-2）式，即簡化此式，得到、S、之間的關系為 (4-3)歸一化負載阻抗為 (4-4)設 則 (4-5) (4-6)阻抗測量裝置如圖4-1所示。圖4-1 阻抗測量裝置圖為了避免復雜的運算，可以利用阻抗圓圖求解，如圖4-2所示。 在圖圓上，以測得的S做等S圓。從等S圓與極小點軌跡的交點A處做沿等S圓逆時針（向負載方向）轉動電長度到B點，則B點的阻抗即為歸一化負載數阻抗。圖4-2 用阻抗圓圖求解負載阻抗（二）駐

17、波最小點的位置的確定通常測量線探針至負載參考面有較長的一段距離，不能直接測出負載至第一個駐波最小點的距離，需要采用間接的方法。其原理如圖4-3所示。圖4-3 最小點偏移量的確定終端接短路片，將探針置于測量線終端短路時的駐波最小點位置，設標尺刻度為，該點至短路面的距離為。去掉短路片，接上待測器件，則駐波圖形將發(fā)生變化，最小點將向信號源方向移動。向信號源方向移動測量線探針，找到鄰近的第一個駐波最小點位置，設標尺刻度為，則距終端的距離為 （4-7）（三）匹配技術為了使負載與傳輸系統匹配，可以在負載與傳輸系統間加入調配元件。調節(jié)調配元件，使之產生一個附加反射，它與由于負載不匹配而產生的反射波大小相等，

18、相位相反，互相抵消，從輸入端看去沒有反射。調配元件種類很多，可以根據不同的場合和要求靈活選用。例如可以在系統中加入隔離器（主要用于源端匹配）、膜片、銷釘等。也可以加入可移單螺釘、固定位置的多螺釘、支節(jié)線等。以可移單螺調配器為例，說明調配原理。在一段開槽波導段上安裝一個位置可調的螺釘，螺釘插入波導中，插入深度亦可調，就構成可移單螺釘調器。將其接在測量線與被調配負載之間，即可進行調配。圖4-7 調配原理圖解設系統終端負載的歸一化導納為，在圓圖上處于位置A點，如圖4-7所示，移動單螺釘的位置和插入深度，就是要找這樣一個位置，在這個位置參考面上向負載端看入一輸入導納為。在圓圖上相當于從A點沿等圓移動到等S圓與圓的交點B（或交點C），（圖上B點導納值，C點導納值為）在這個位置改變螺釘插入深度，相當于傳輸系統上并聯一電納，使與原來的相抵消。此參考面上總的導納值為1。實現匹配。在圓圖上相當于從B或C點點沿的圓移動到原點。此時S=1達到了阻抗匹配的目的。實際上，通常采用逐步減小駐波系數法進行調配。即先把測量線探針置于駐波波谷點處，