1、北京郵電大學電磁場與電磁波測量實驗實驗報告實驗內容：微波測量系統的使用和信號源波長功率的測量 波導波長的測量學院：電子工程學院班級：2010211203班組員：崔宇鵬 張俊鵬 章翀2013年5月9日實驗一 微波測量系統的使用和信號源波長功率的測量一、實驗目的(1)學習微波的基本知識；(2)了解微波在波導中傳播的特點，掌握微波基本測量技術；(3)學習用微波作為觀測手段來研究物理現象。二、實驗儀器1.微波信號源微波信號源由振蕩器、可變衰減器、調制器、驅動電路、及電源電路組成。該信號源可在等幅波、窄帶掃頻、內方波調制方式下工作，并具有外調制功能。在教學方式下，可實時顯示體效應管的工作電壓和電流的關系

2、。儀器輸出功率不大，以數字形式直接顯示工作頻率，性能穩定可靠。2.隔離器位于磁場中的某些鐵氧化體材料對于來自不同方向的電磁波有著不同吸收，經過適當調節，可使其對微波具有單方向傳播的特性，隔離器常用于振蕩器與負載之間，起隔離和單向傳輸的作用。3.衰減器把一片能吸微波能量的吸收片垂直于矩形波導的寬邊，縱向插入波導管即成，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動吸收片可改變衰減量的大小。衰減器起調節系統中微波功率從以及去耦合的作用。4.波長計電磁波通過耦合孔從波導進入頻率計的空腔中，當頻率計的腔體失諧時，腔里的電磁場極為微弱，此時，它基本不影響波導中波的傳輸。當電磁波的頻率計滿足空腔的諧振條件時，發生諧振

3、，反映到波導中的阻抗發生劇烈變化，相應地，通過波導中的電磁波信號強度將減弱，輸出幅度將出現明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時的刻度，通過查表可得知輸入微波諧振頻率。5.測量線測量線是測量微波傳輸系統中電場的強弱和分布的精密儀器。由開槽波導、不調諧探頭和滑架組成。在波導的寬邊有一個狹槽，金屬探針經狹槽伸入波導。線開槽波導中的場由不調諧探頭取樣，探頭的移動靠滑架上的傳動裝置，探頭的輸出送到顯示裝置，就可以顯示沿波導軸線的電磁場變化信息。由于探針與電場平行，電場的變化在探針上就感應出的電動勢經過晶體檢波器變成電流信號輸出。6.檢波晶體微波測量中，為指示波導（或同軸線）中電磁場強度的大小，是將

4、它經過晶體二極管檢波變成低頻信號或直流電流，用電流電表的電流1來讀數的。從波導寬壁中點耦合出兩寬壁間的感應電壓，經微波二極管進行檢波，調節其短路活塞位置，可使檢波管處于微波的波腹點，以獲得最高的檢波效率。7.選頻放大器用于測量微弱低頻信號，信號經升壓、放大，選出1kHz附近的信號，經整流平滑后輸出級輸出直流電平，由對數放大器展寬供給指示電路檢測。8.匹配負載9.短路片三、實驗原理測量微波傳輸系統中電磁場分布情況，測量駐波比、阻抗、調匹配等，是微波測量的重要工作，該實驗系統主要的工作原理如圖所示：微波信號源隔離器波長表檢波指示器檢波器隔離器測量線單螺調配器可變衰減器選頻放大器圖1 實驗原理框圖四

5、、實驗內容和實驗步驟1.微波測量系統的使用(1)觀察測量系統的微波儀器連接裝置，衰減器，波長計，波導測量線的結構形式；(2)熟悉信號源的使用將信號源的工作方式選擇為：等幅位置，將衰減至于較大位置，輸出端接相應指示器，觀察輸出；將信號源的工作方式選擇為：方波位置，將衰減至于較大位置，輸出端接相應指示器，觀察輸出；(3)熟悉選頻放大器的使用；(4)熟悉諧振腔波長計的使用方法微波的頻率測量是微波測量的基本內容之一。其測量方法有兩種：諧振腔法；頻率比較法。本實驗采用了吸收式波長計測量信號源頻率，為了確定諧振頻率，用波長表測出微波信號源的頻率。具體做法是：旋轉波長表的測微頭，當波長表與被測頻率諧振時，將

6、出現吸收峰。反映在檢波指示器上的指示是一跌落點，此時，讀出波長表測微頭的讀數，再從波長表頻率與刻度曲線上查出對應的頻率。2.信號源波長的測量(1)微調單螺調配器，使腔偏離匹配狀態，檢波電流計上一定有示數；(2)調節波長計是檢波電流計再次出現最小值的時刻，讀出此處波長計的刻度值；(3)按照波長計的刻度值去查找“波長計-頻率刻度對照表”，就可以得到相應的信號源頻率值；(4)改變信號頻率，從8.6G開始測到9.6G，0.1G測一次，記錄在數據表格中。五、實驗結果信號源頻率（GHz）波長表讀數(mm)查表的頻率(GHz)信號源誤差(GHz)8.613.1168.6320.0328.711.7848.7

7、300.0308.810.7868.8140.0148.99.6758.9130.0149.08.6879.0110.0119.17.9499.0890.0119.27.2879.1640.0369.36.3969.2740.0269.45.6259.3770.0239.54.9199.4800.0209.64.2659.5810.019平均誤差：0.021GHz表1 信號源波長測量表實驗二 波導波長的測量一實驗內容波導波長的測量【方法一】兩點法實驗原理如下圖所示： 按上圖連接測量系統，可變電抗可以采用短路片?？勺兯p器微 波信 號 源波長表選 頻放 大 器可變電抗 隔離器測量線當矩形波導（單

8、模傳輸TE10模）終端（Z0）短路時，將形成駐波狀態。波導內部電場強度（參見圖三之坐標系）表達式為：在波導寬面中線沿軸線方向開縫的剖面上，電場強度的幅度分布如圖三所示。將探針由縫中插入波導并沿軸向移動，即可檢測電場強度的幅度沿軸線方向的分布狀態（如波節點和波腹點的位置等）。終端短路面0圖 三ZXaYb兩點法確定波節點位置將測量線終端短路后，波導內形成駐波狀態。調探針位置旋鈕至電壓波節點處，選頻放大器電流表表頭指示值為零，測得兩個相鄰的電壓波節點位置（讀得對應的游標卡尺上的刻度值和），就可求得波導波長為：由于在電壓波節點附近，電場（及對應的晶體檢波電流）非常小，導致測量線探針移動“足夠長”的距離

9、，選頻放大器表頭指針都在零處“不動”（實際上是眼睛未察覺出指針有微小移動或指針因惰性未移動），因而很難準確確定電壓波節點位置，具體測法如下：把小探針位置調至電壓波節點附近，盡量加大選頻放大器的靈敏度（減小衰減量），使波節點附近電流變化對位置非常敏感（即小探針位置稍有變化，選頻放大器表頭指示值就有明顯變化）。記取同一電壓波節點兩側電流值相同時小探針所處的兩個不同位置，則其平均值即為理論節點位置：最后可得（參見圖四）圖 四【方法二】間接法矩形波導中的H10波，自由波長0和波導波長滿足公式：其中：，通過實驗測出波長，然后利用儀器提供的對照表確定波的頻率，利用公式0=cf 確定出0，再計算出波導波長。

10、校準晶體二極管檢波器的檢波特性由于微波晶體檢波二極管的非線性, 在不同信號幅度時具有不同的檢波律。在一般測量精度要求的場合, 可認為在小信號時為平方律檢波,大信號時為直線律檢波, 或在系統信號幅度范圍內做平均檢波律定標。晶體檢波二極管的定標準確與否, 直接影響微波相關參數的測量精度。微波頻率很高, 通常用檢波晶體(微波晶體二極管)將微波信號轉換成直流信號檢測出來。微波晶體二極管是一種非線性元件, 檢波電流I 同微波場強E 之間不是線性關系,在一定范圍內, 兩者關系為: 晶體檢波二極管的檢波電流隨其微波電場而變化, 當微波場強較大時近似為線性檢波律, 當微波場強較小時近似為平方檢波律。因此, 當

11、微波功率變化較大時a 和k 就不是常數, 且和外界條件有關, 所以在精密測量中必須對晶體檢波器進行定標。本實驗中采用兩種定標方法第一種定標方法檢波電壓U 與探針的耦合電場成正比。晶體管的檢波律n 隨檢波電壓U 改變。在弱信號工作（檢波電流不大于10 A）情況下，近似為平方律檢波，即n=2；在大信號范圍，n 近似等于1，即直線律。測量晶體檢波器校準曲線最簡便的方法是將測量線輸出端短路，此時測量線上載純駐波，其相對電壓按正弦律分布，即：式中 ，d 為離波節點的距離，Umax為波腹點電壓，g 為傳輸線上波長。因此，傳輸線上晶體檢波電流的表達式為根據上式就可以用實驗的方法得到圖所示的晶體檢波器的校準曲

12、線。將上兩式聯立, 并取對數得到：作出曲線, 若呈現為近似一條直線, 則直線的斜率即是微波晶體檢波器的檢波律。第二種定標方法測量線終端短路，測出半峰值讀數間的距離W，晶體檢波率可以根據下式計算：n=log0.5logcos(Wg)二實驗步驟（1）、按照圖示連接好測量系統（2）、利用兩點法測量，將波導測量線終端短路，調測量放大器的衰減量和可變衰減器使當探針位于波腹時，放大器指示電表接近滿格，用公式兩點法測量波導波長（3）、利用間接法測量波導波長。（4）、將探針沿測量線由左向右移動，按測量放大器指示每改變最大值刻度的10%，記錄一次探針位置，給出U沿線分布的圖形（5）、設計表格，用駐波測量線校準晶

13、體的檢波特性三實驗結果分析(1)波導波長第一點(mm)第二點(mm)第三點(mm)左104.6129.7156.2右107.8133.7159.1平均106.2131.7157.65第一，二點測得：g=51mm第二，三點測得：g=51.9mm平均：g=51.45mm間接法測量波導波長=52.098mm（2）、給出檢波晶體的校準曲線，求出晶體檢波率。波導波長g=51.45mm波節點位置：158.3mm相對電場強度00.10.20.30.40.50.60.70.80.91理論值00.8171.6442.4983.3634.2885.256.3527.5679.18812.863測量值01.92.5

14、2.93.54.34.75.46.16.98.4實際位置158.3156.4155.8155.4154.8154153.6152.9152.2151.4149.9U08162432404856647280E'(絕對)018.725198424.4705228.2270333.7280540.7656944.1375649.7707855.0271660.5221169.17401E（相對）'00.234064980.3058810.3528380.4216010.5095710.551720.6221350.687840.7565260.864675相對場強與U的曲線Log（u

15、）與log（e）的曲線利用線性擬合法擬合出一條直線。擬合后直線的斜率為N=1.7141，所以晶體檢波率為1.7141（3）、第二種定標法n=log0.5logcos(Wg)=log0.5logcos13.8*51.25=1.687四思考題（1）、波導系統終端短路的情況下，插入具有導納的指針后，駐波圖形如何改變？答：駐波比會減小，即波腹點的電壓值會減小。但是，因為指針的導納十分微小，故不會有顯著的變化。（2）、用波長表測量自由空間中的信號振蕩頻率后，為什么還要失諧頻率計答：電磁波通過耦合孔從波導進入頻率計的空腔中，當頻率計的腔體失諧時，腔里的電磁場極為微弱，此時，它基本上不影響波導中波的傳輸。當電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時，發生諧振，反映到波導中的阻抗發生劇烈變化，相應地，通過波導中的電磁波信號強度將減弱，輸出幅度將出現明顯的跌落，即如果不失諧頻率計，波導中傳播的電磁波會十分微弱 （3）、在測試過程中需要采取哪些措施來實現小信號答：使用衰減器：衰減器是把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波導的寬邊，縱向插入波導管，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動吸收片可改變衰減量的大小。衰減器起調節系統中微波功率的作用。（4）、為什么要測量晶體檢波率，指示電表讀數和微波場強E