微波基本參數的測量引言實驗目的熟悉和掌握微波測試系統中各種常用設備的結構原理及使用方法；掌握微波系統中頻率、駐波比、功率等基本參數的測量方法；按要求測出測量線中的駐波分布；實驗原理微波系統中最基本的參數有頻率、駐波比、功率等。要對這些參數進行測量，首先要了解電磁波在規則波導內傳播的特點，各種常用元器件及儀器的結構原理和使用方法，其次是要掌握一些微波測量的基本技術。（1） 導行波的概念：由傳輸線所引導的，能沿一定方向傳播的電磁波稱為“導行波”。導行波的電場E或磁場H都是x、y、z三個方向的函數。導行波可分成以下三種類型：（A）橫電磁波（TEM波）：E=0H=0TEM波的特征是：電場E和磁場H均無縱向分量，亦即： Z,Z 。電場E和磁場H，都是純橫向的。TEM波沿傳輸方向的分量為零。所以，這種波是無法在波導中傳播的。⑻橫電波（TE波）：E=0H豐0TE波即是橫電波或稱為“磁波”（H波），其特征是Z，而Z 。亦即：電場E是純橫向的，而磁場H則具有縱向分量。（C）橫磁波（TM波）：H=0E豐0TM波即是橫磁波或稱為“電波”（E波），其特征是Z，而Z 。亦即：磁場H是純橫向的，而電場E則具有縱向分量。TETMTE波和TM波均為"色散波”。矩形波導中，既能傳輸 mm波，又能傳輸 mm波（其中m代表電場或磁場在X方向半周變化的次數，n代表電場或磁場在y方向半周變化的次數）。（2） 色散波的特點：由于TE波及TM波與TEM波的性質不同。色散波就有其自身的特點：九（a） 臨界波長c：矩形波導中傳播的色散波，都有一定的“臨界波長”。只有當自由空間的波長小于臨界波長c時，電TETM磁波才能在矩形波導中得到傳播。 mm波或 mm波的臨界波長公式為：1)(m)2+(n)2fab1)九波導波長g和相速V、群速Vc：九色散波在波導中的波長用g表示。波導內由入射波與反射波疊加而成的合成波，其相平面傳播的速度稱為V*V二c2相速V。群速Vc是表示能量沿波導縱向傳播的速度，其關系為 c 。因為，波導中電磁波是成“之”九字形并以光速傳播的。所以，波導波長g將九大于自由空間的波長。同時，相速V也大于光速Co它們之間的相互關系為:2)3)圖1示出了電磁波在波導中傳播的方向。廠 P反射系數丄和駐波比:波導終端接入負載后，由于負載性質的不同，電磁波就將在終端產生不同程度的反射。如用Zc表示傳輸線的特性阻抗，用ZL表示負載阻抗。則反射系數G為：Z-Z廠=irIeg=clZ+ZCL (4)可見，反射系數廠是個復數。當特性ZZ阻抗C與負載阻抗L相等(即接入匹配IrI負載)時：=0,入射波全部被負載吸收而無反射。當終端短路(微波技術中的短路是指系z=0 r統終端接入全反射負載，即L)時：r=1，入射波被負載全部反射。 圖1平面波的傳播微波技術中，還經常使用駐波比r來描述傳輸線阻抗匹配的情況。波導中駐波比r被定義為：波導中駐波電場最大值和電場最小值之比，即P=maxEmin (5)P 廠駐波比L與反射系數丄之間的關系應為：i+1rip=1-1ri(6)由此，從圖2中(a)、(b)、(c)可看出電場在波導中的分布情況。圖2不同負載情況下電場在波導中的分布圖r P E在負載匹配情況下有：r=0及=1；波導中傳播的是“行波”，其幅值為i；r p二g 21EI在負載短路情況下有：r=1及 ；波導中傳播的是“純駐波”，其幅度值為i；r Pg r|E|在其它任意負載下有：0＜丄＜1及1〈“＜g;波導中傳播的是“行駐波”，其幅度(1+丄)i。傳輸線的目的是要無損的傳輸功率，故常希望工作在負載阻抗匹配的情況下。H10波：由公式(1)可知，矩形波導中臨界波長C的最大值應出現在m二1,n=0的情況下(此時：九二九 HHc Cmax=2a)。這就是10波。10波被稱為矩形波導中的“主波”，也是最簡單、最有用的波形。H般矩形波導所激勵的都是10波。H下面將討論，10波中電磁場的簡單結構。(a)電場結構：H10波中電場E只有yE分量。其電力線將與x-z平面處處正交。如圖3所示。在x-y平面內，

=Esin( )=Esin( )e(?x-vz)0a說明電場強度只與x有關，且按正弦規律變化。在x=0及x=a處（即：波導中的E=0 E=E兩個窄邊上）。y 。在x=a/2處（即：波導寬邊中央），y ymax由于，能量是沿Z方向傳播的。因此，yE將沿Z方向呈行波狀態，并在x=a/2的縱剖E面內，y沿z軸也是按正弦分布。（b）磁場結構：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"H HH E10波中磁場H只有z及z分量。其磁力線將分布在x-z平面內。由于，y和Hx決定\o"CurrentDocument"EH E H著電磁波沿z方向傳播的能量，就必然要求y與z同相，即沿z方向在y最大處， z也\o"CurrentDocument"H E H E最大，在x方向上，z是呈正弦分布（與y同相）。所以x在橫截面和縱剖面的分布情況也與y相同。H H x=0x=a在討論z分布時，必須注意到，在z=0的截面上， z沿x方向是呈余弦變化，即在x0及xa處，HHx有最大值，而在x=a/2處，則有z=0oH10波場的特點可以歸結為：EHH只存在y，x，z三個分量；EH H EH Hy和x均按正弦規律分布，z按余弦規律分布。因而y和x同相，并與z反相。H圖3顯示了10波電磁場在矩形波導中的分布。應當注意到，這些電力線和磁力線的分布情況將隨著時間的順延，而以一定的速度沿z方向在波導中向前移動著。頻率的測量是微波測量技術中的一個重要方面。本實驗將采用“直接”和“間接”兩種不同的方法來測量頻率。(a)直接測量法使用外差式頻率計或是數字微波頻率計就能直接讀出頻率的數值。亦可以使用吸收式空腔波長計，利用空腔做為諧振系統，并通過機械裝置進行調諧。當吸收式波長計的腔體被調節到諧振點時，輸入到指示器的功率最小。此時即可由波長計中的螺旋測微計的讀數D,通過D?f曲線查出被測的微波頻率。本實驗就是使用這種方法作為直接測量的。(b)間接測量法九一般是使用測量線，先測出波導波長g，然后由公式:gg計算出待測微波信號在自由空間的波長1,最后再由波長l與頻率f的關系求出頻率。九 2上式中：g――波導波長； 一一自由空間波長；2c――波導的截止波長。H在三公分微波系統中，波導的尺寸：aXb=22.86mmX10.16mm。對于10波而言，截2止波c=2a=45.72mm。微波系統中接入不匹配負載時，就將出現駐波，使用測量線就能很方便地測量出相鄰D-D」兩個波長點之間的距離：2 1 '2。2圖4示出了通過駐波波節點的位置來找出波導波長g的方法：由于在駐波波節處指示儀器的JLJ廠、廣\說1/!|\/!\/ ：V： |\/：——?Di 1-圖Di 1-圖4用等電位法找駐波的波節變化很陡，因而就很難找到波節點準確位置。為了提高測量的精度，可利用波節點兩側波形對稱的特點，采用“等電位法”進行。所謂等電位法，就是先在任意一個/ / 1A，則此波節點的正確位置為：波節點D1的左右兩側找出1及2兩個位置，使指示儀器微安表的讀數均為1A，則此波節點的正確位置為：同理，可在相鄰波節點D2的左右兩側找出"3及04，則:所以，彳+所以，彳+彳入‘2=D2-Di=亠廠0+0——1 22（6）駐波比的測量：產生駐波的原因是由于負載阻抗與波導特性阻抗不匹配。因此，通過對駐波比的測量，就能檢查系統的匹配情況，進而明確負載的性質。本實驗一般都是在小信號狀態下進行測試，為此檢波晶體二極管都是工作在平方律檢波區域（檢波電流ZE2ZE2），故應有:iIp= |max【.mmII使用測量線測試駐波比，可直接由測量線探針分別處于駐波波腹及波節位置時的電流表讀數max及min,求出駐波比。但是為了提高檢測靈敏度，最好還是將微波信號源加以1KC的方波信號進行調制。此信號由選頻放大器放大。在其指示電表上就能讀出有關的電流值、分貝值或是直接讀出駐波比值。（7）功率的測量：本實驗使用DH4861B型微瓦功率計來測量微波功率。當功率計探頭接入系統終端時，就構成了微波系統的負載。探頭內裝有鉍銻熱電偶，可將微波產生的熱能轉換成電能，并直接由功率計表頭上的讀數得知被測功率值。ZZ如果忽略傳輸線本身對信號的衰減，并假設功率計探頭的阻抗L與微波系統的特性阻抗C相匹配（即:ZZl=C），則信號源輸出的功率將全部為負載所吸收。但在一般情況下，功率計探頭的輸入阻抗ZL不可能Z Z豐Z做得完全與微波系統的特性阻抗C相匹配（即：LC），則一部分功率將會由探頭反射回來，它正比「2 p二p（1—Ir|2）于探頭的功率反射系數丄2。這種損耗稱為：“反射損耗”。此時功率計所吸收的功率應為：LH其中：PL其中：PL――功率計所測得的功率值;pH――系統終端輸出的真實功率r——反射系數另外，在傳輸系統中，傳輸線本身也會對信號源的輸出功率P0產生一定的衰減，這種衰減稱為“插入損耗”。p它主要是由于系統中的隔離器、可變衰減器等元件對信號功率0產生的衰減所致（其他元器件的衰減可忽略不計）。隔離器的正向功率衰減為ldb（即：經隔離器后，輸入功率就有1.259倍的衰減）。只要可變衰減器的指針是放在“0”的位置，就不會引入衰減。為此，經傳輸系統衰減后，系統終端的實際功率為：P二P/K二P/1.259） 1//KH0 0 式中，1//K是以倍數表示的微波元件的插入損耗；至此，不難得出微波信號源所發出的功率應為：(8)Po_1—Ir|2?Pl(8)（9）光速的測量光速是物理學中十分重要的一個基本常數。用微波測光速是所有測試手段中精度最高的一種。當然，使用高級專用設備進行測量這不是我們微波實驗所必須要求的。我們主要是利用實驗室中現有的設備去了解光速測量的九基本原理。其方法僅需通過對頻率f及波導波長g的測定，并由公式（2）換算出自由空間的波長l后，即可由C= 去計算光速。實驗裝置圖5實驗裝置框圖實驗內容根據講義中介紹的常用微波器件和實驗室提供的儀器使用說明書，掌握它們的工作原理及使用方法。頻率的測量：(a)直接測量法：仔細旋轉吸收式波長計上螺旋測微計的刻度細心觀察微安表電流值的變化。在找到最大吸收點時，記下波長計的讀數Do要求操作三次，取其均值，然后由給出的D?f曲線查出被測的頻率。(b)間接測量法：九/2將吸收式波長計從吸收點移開。用等電位法，找出位于測量線中部兩個波節點的位置(即：g)。再計算出被測頻率。測出測量線中駐波場的分布：在整段測量線范圍內，使用用選頻放大器做出駐波分布曲線，并繪制成圖。為保證駐波曲線精度，請自行選擇“步長”。同時還應注意測量線的空程。駐波比的測量：按下微波源“方波”按鈕。在系統終端分別接短路板和全匹配負載，觀察駐波場。p在終端分別接失配負載A和B。選擇合適的方法測出“。功率的測量：在實驗室預定衰減值和增加1/2衰減下分別測出相對功率和絕對功率，并比較測量結果。\