已交!3-1 微波系统中电压驻波比的测量第9周三 5-8节
3-1 微波系统中电压驻波比的测量
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不同. 从图3-1-1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3-1-1 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(10-9～10-12s)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．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.
4．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景.
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.
微波实验是近代物理实验的重要组成部分.
国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例高达50%以上. 据统计美国为66%，日本为50%，法国为54%. 我国自1956年从东德引进第一套微波通信设备以来，经过仿制和自发研制过程，已经取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之
λ/m
3
6
109
1012
1015
1018
10-9
10-11
10-6
10-3
100
103
106
f /Hz 广播 电视
红外
可见光 紫外
电波
无线电波
光波
X 射线
微波
间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙. 九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力. 在当今世界的通信革命中，微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一.
【实验目的】
1．了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用. 2．掌握驻波测量线的正确使用方法.
3．掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法.
【实验原理】
1．微波的基本知识 （1）电磁波的基本关系 描写电磁场的基本方程是：
ρ=??D 0=??B
t -
??=??B
E t ??+=??D
j H （3-1-1）
和
E D ε=， H B μ=， E j γ=. （3-1-2）
方程组(3-1-1)称为Maxwell 方程组，方程组(3-1-2)描述了介质的性质对场的影响.
对于空气和导体的界面，由上述关系可以得到边界条件(左侧均为空气中场量)
0=t E ，o
n E εσ=， i H t = ，
=n H .
（3-1-3）
方程组(3-1-3)表明，在导体附近电场必须垂直于导体表面，而磁场则应平行于导体表面.
（2）矩形波导中波的传播
在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，
b x
a
图3-1-2 矩形波导管
而必须改用微波传输线. 常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线，本实验用的是矩形波导管如图3-1-2所示，波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线.
根据电磁场的普遍规律——Maxwell 方程组或由它导出的波动方程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，我们实验用的TE 10波就是矩形波导中常用的一种波型.
① TE 10型波
在一个均匀、无限长和无耗的矩形波导,如图3-1-3所示，从电磁场基本方程组(3-1-1)和(3-1-2)出发，可以解得沿z 方向传播的TE 10型波的各个场分量为
)(0)sin(
z t j y e a
x
E E βωπ-=,0==Z x E E
)(0)sin(z t j x e a
x
E H βωπωμβ--
=， 0=y H )(0)cos(z t j z e a
x
E a j
H βωπωμπ-?= （3-1-4） 其中：ω为电磁波的角频率，f πω2=，f 是微波频率；
a 为波导截面宽边的长度；β为微波沿传输方向的相位常数 g λπβ/2=
λg 为波导波长，2
)2(
1a
g λ
λ
λ-=
（3-1-5）
图3-1-3和式（3-1-4）均表明，TE 10波具有如下特点：
a) 存在一个临界波长c λ＝2a ，只有波长λ<λC 的电磁波才能在波导管中传播. b) 波导波长λg >自由空间波长λ.
c) 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.
d) 磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线.
e) 电磁场在波导的纵方向(z )上形成行波. 在z 方向上，Ey 和Hx 的分布规律相同，也就是说Ey 最大处Hx 也最大，Ey 为零处Hx 也为零，场的这种结构是行波的特点. ② 波导管的工作状态
如果波导终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波的所有能量全部被吸收，这时波导
图 3-1-4（a ）行波,（b ）混合波,(c)驻波
中呈现的是行波. 当波导终端不匹配时，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. 为描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数Γ定义为
φj i r E E e /Γ==Γ.
驻波比ρ定义为：
min
max
E E =
ρ （3-1-6） 其中：max E 和min E 分别为波腹和波节点电场E 的大小.
不难看出：对于行波，ρ=1；对于驻波，ρ→∞；而当1<ρ<∞,是混合波. 图3-1-4为行波、混合波和驻波的振幅分布示意图.
2．电压驻波比的测量
驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和品质因数(Q 值)等其它参量. 在测量时，通常测量电压驻波系数，即波导中电场最大值与最小值之比，见（3-16）.
测量驻波比的方法与仪器种类很多，本实验着重熟悉用驻波测量线测驻波系数的几种方法
.
图3-1-3 （a ）,（b ）,(c) TE 10波的电磁场结构 (d)波导壁电流分布
(1) 直接法：
直接法是测量沿线驻波的量大和最小场强，然后根据（3-1-6）式直接求出电压驻波比. 这种方法适用于测量中、小电压驻波比.
当驻波比较小时，晶体二极管为平方检波，如果驻波腹点和节点处指示电表读数分别为I max 和I min ，则 (3-1-1) 式可写成
min
max I
I =ρ （3-1-7）
① 驻波比在1.005≤ρ≤1.5时：如图3-1-5所示，此时驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据，然后取平均值再进行计算. 若驻波腹点和节点处电表读数分别为I max ，I min ，则电压驻波系数为 n
n n
n
I I I I I I E E E E E E min 2min 1min max 2max 1max min 2min 1min max 2max 1max +???+++???++=
++++++=
ρ （3-1-8）
② 中驻波比(1.5 ≤ ρ ≤ 6 ) 时
此时，只须测一个驻波波腹和一个驻波波节，即直接读出I max 、I min ，如图3-1-6所示. min
max
min max
I I E E ==
ρ （3-1-9）
(2) 等指示度法：
等指示度法适用于测量大、中电压驻波比（ρ>6）. 此时，波腹振幅与波节振幅的区别很大，因此在测量最大点和最小点电平时，晶体工作在不同的检波律，如仍按直接法测量，则产生较大误差，所以采用等指示度法，也就是通过测量驻波波节点附近场的分布规律的间接方法(见图3-1-7).
图 3-1-5 小驻波比时的驻波图
图3-1-6 中驻波比时的驻波图
图3-1-7 大驻波比时的驻波图
根据传输线上场强与终端反射系数Γ的关系，并确定驻波节点两旁等指示度之间的距离，可得到如下关系
222
2
min 212cos()
(1)
n
g W
I k I πλ+Γ-Γ??==
?-Γ??
（3-1-10）
式中I min 为驻波节点的值，I 为驻波节点相邻两旁的等指示值，W 为等指示度之间的距离. 经过三角变换，式（3-1-10）变为
)sin(
)
(
cos 2/2g
g n W
k λλπρ-=
（3-1-11）
我们测量驻波节点的值I min 、节点两旁等指示度的值I 及它们之间的距离W ，其中
当k =2时，若n =2（探头晶体为平方律检波），则有
)(
sin 112g
W
λπρ+
= （3-1-12）
这种方法称为“二倍最小值法”或“三分贝法”.
当驻波比很大(ρ>6)时，W 很小，有
W
g πλρ=
（3-1-13）
由（3-1-12）、（3-1-13）两式可以看出：W 与g λ的测量精度对测量结果影响很大，因此必须用高精度的探针位置指示装置(如百分表)进行读数.
(3) 功率衰减法：
这种方法适用于任意驻波比值的测量.
用直接法测量驻波比的精度与晶体的检波律有关，因而要求在同一测量中须保持同一检波律，这给测量带来一定的困难. 等指示度法虽然在一定程度上解决了这一矛盾，但当驻波比较大时，对W 的测试要求很高. 功率衰减法测量驻波比能克服以上两种方法的缺点，它是用精密可变衰减器测量驻波腹点和节点两个位置上的电平差，因而与晶体的检波律无关，主要取决于衰减器的精度和系统的匹配情况. 用该方法测量驻波比是通过改变精密可变衰减器的衰减量，使探针位于驻波腹点和节点指示电表的读数相同，则驻波比可用下式计算
20
m in
m ax 10
A A -=ρ （3-1-14）
式中max A 、min A 分别为探针在波腹点和波节点处，指示电表读数相同时所对应的精密可变衰减器的读数.
min
I I k 最小点读数测量读数=
【实验仪器】
实验装置如图3-1-8所示. 各部分的作用介绍如下:
1．波导管：本实验所使用的波导管型号为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 ，截止频率为6.557GHz.
2．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. 隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用.
3．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.
4．谐振式频率计（波长表）：
电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，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频率.
5．晶体检波器：从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调节其短路活塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率.
6．驻波测量线：驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器. 在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中. 由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出.
7．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.
【实验内容与步骤】
由于微波的波长很短，传输线上的电压、电流既是时间的函数，又是位置的函数，使得电磁场的能量分布于整个微波电路而形成“分布参数”，
导致微波的传输与普通无线电波完
图3-1-8 实验装置示意图
全不同. 在微波系统中，测量参量主要包括功率、波长和驻波参量，这也是和低频电路不同的. 本实验我们将学习运用驻波测量线，测量大、中、小电压驻波比.
1. 开启微波信号源（DH1121C），选择频率约为9.37GHz，预热15分钟.
2. 将测量线探针插入适当深度，用选频放大器测量微波的大小，选择较小的微波输出功
率并进行驻波测量线的调谐.
3. 选信号源的工作方式为“等幅”、“点频”用直读频率计测量微波频率，并计算微波波导
波长.
4. 微波源工作方式选择“方波”. 测量线终端接短路板，用交叉读数法读出两个相邻波节
点的位置，计算波导波长并与计算值比较. 具体方法如下：在所测波节点两端取读数相等的两点d i1、d i2，记录数据. 二者的平均值代表波节点的位置d01，两相邻波节间的距离为波导波长的一半.
5. 关闭微波电源，取下短路器，接上单螺旋调配器和匹配负载.
6. 调节单螺钉穿伸度为3mm，移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压
值，判断是驻波状态，分析此时的驻波比的大小.
7. 移动探针至驻波腹点，调节指示器灵敏度，使电表读数达满偏（或接近满偏）
8.将探针移至测量线的最右端，向左依次测量驻波腹点和节点的幅值I max，I min，记录
数据；
9. 反向移动测量线探针，重复测量.
10. 调节螺钉穿伸度为5mm，移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，
判断驻波状态，分析此时的驻波比的大小.
11. 选择驻波的一个波腹点及其相邻的波节点，测量其电压值，记录数据，重复5次；
12. 调节螺钉穿伸度为7mm，移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，
判断驻波状态，分析此时的驻波比的大小.
13. 等指示度法测量电压驻波比，具体方法如下：
（1）测量线探针移至驻波节点. 调整微波可变衰减器、指示器的灵敏度，使指示器电表指针为满度的一半，读取驻波节点幅度值I min.
（2）缓慢移动探针，在驻波点两旁找到电表指示读数为2I min的两个指示度点，应用测量线标尺或百分表读取二个等指示点对应的探针位置的读数值d1、d2. 重复5次.
（3）记录数据，并计算驻波比.
【数据记录与处理】
微波频率：
1. 波导波长的测量
2. 小电压驻波比
3. 中电压驻波比
4.大电压驻波比（等指示度法测量）
【思考题】
1．驻波节点的位置在实验中精确测准不容易，如何比较准确的测量?
2．如何比较准确地测出波导波长?
3．在对测量线调谐后，进行驻波比的测量时，能否改变微波的输出功率或衰减大小? 【参考文献】
1. 近代物理实验讲义. 华南师范大学.
2. 吴思诚等. 近代物理实验. 北京:北京大学物理实验2005
【附录】
波导测量线说明书
DH364A00型三厘米波导测量线是探测三厘米波段的波导中驻波分布情况的仪器. 它通常用来测量波导元件、波导系统的驻波系数、阻抗，还可测量波导波长、相移等多种参数，是一种通用的微波测量仪器.
1. 主要技术指标
(1)工作频率范围:8.2～12.4GHz
(2)合成电压驻波系数:≤1.03
(3)探针插入波导深度:1.5mm
(4)探头行程:95mm
(5)波导规格:BJ-100 (波导内口尺寸:22.86mm×10.16mm)
(6)连接法兰规格:FBP-100
(7)外形尺寸:247×170×144(mm)
2. 仪器的工作原理和结构
三厘米波导测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成. 开槽波导中的场由不调谐探头取样，探头的移动靠滑架上的传动装置，探头的输出送到显示装置，就可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息. 测量线外形如图3-1-9所示:
图3-1-9 测量线外形
测量线开槽波导是一段精密加工的开槽直波导,此槽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，此外，槽端还有阶梯匹配段，两端法兰具有尺寸精确的定位和连接孔，从而保证开槽波导有很低的剩余驻波系数.
不调谐探头由检波二极管、吸收环、盘形电阻、弹簧、接头和外壳组成，安放在滑架的探头插孔中. 不调谐探头的输出为BNC接头，检波二极管经过加工改造的同轴检波管，其内导体作为探针伸入到开槽波导中，因此，探针与检波晶体之间的长度最短，从而可以不经调谐，而达到电抗小、效率高，输出响应平坦.
滑架是用来安装开槽波导和不调谐探头的，其结构见图3-1-10.
图3-1-10 滑架结构图
滑架各部分的名称、作用说明如下：
⑴水平调整螺钉用于调整测量线高度
⑵百分表止挡螺钉细调百分表读数的起始点
⑶可移止挡粗调百分表读数
⑷刻度尺指示探针位置
⑸百分表插孔插百分表用
⑹探头插孔装不调谐探头
⑺探头座可沿开槽线移动
⑻游标与刻度尺配合，提高探针位置读数分辨率
⑼手柄旋转手柄，可使探头座沿开槽线移动
⑽探头座锁紧螺钉将不调谐探头固定于探头插孔中
⑾夹紧螺钉安装夹紧百分表用
⑿止挡固定螺钉将可移止挡⑶固定在所要求的位置上
⒀定位垫圈（图中未示出）用来控制探针插入波导中的深度.
声速的测量
物理实验报告 一、【实验名称】 超声波声速的测量 二、【实验目的】 1、了解声速的测量原理 2、学习示波器的原理与使用 3、学习用逐差法处理数据 三、【仪器用具】 1、SV-DH-3型声速测定仪段 2、双踪示波器 3、SVX-3型声速测定信号源 四、【仪器用具】 1.超声波与压电陶瓷换能器 频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。 图1 压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器
及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图1为纵向换能器的结构简图。 2.共振干涉法（驻波法）测量声速 假设在无限声场中，仅有一个点声源S1（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器S2）。当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即接收换能器平面），并且只产生一次反射。 在上述假设条件下，发射波ξ1=Acos （ωt+2πx /λ)。在S2处产生反射，反射波ξ 2 =A 1cos （ωt+2πx /λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A 1＜A 。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加， 合成波束ξ 3 ξ3=ξ1+ξ2=(A 1+A 2）cos （ωt-2πx /λ)+A 1cos （ωt+2πx /λ) =A 1cos(2πx /λ)cos ωt+A 2cos （ωt - 2πx /λ) 由此可见，合成后的波束ξ3在幅度上，具有随cos(2πx /λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx /λ)呈周期变化的特性。 图4所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按cos(2πx /λ)变化的特征。 图2 换能器间距与合成幅度 实验装置按图7所示，图中S1和S2为压电陶瓷换能器。S1作为声波发射器，它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作为声波的接收器，压电效应将接收到的声压转换成电信号。将它输入示波器，我们就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接收的声波、发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播，二者在S1和S2区域内产生了波的干涉，形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况。移动S2位置（即改变S1和S2之间的距离），你从示波器显示上会发现，当S2 在某此位置时振幅有最小值。根据波的干涉理论可以知道：任何 发射换能器与接收换能器之间的距离
驻波测量线的调整与电压驻波比测量
实验一驻波测量线的调整 一、实验目的 １、熟悉测量线的使用及探针的调谐。 ２、了解波到波导波长的测量方法。 二、实验原理 1、微波测量系统的组成 微波测量一般都必须在一个测试系统上进行。测试系统包括微波信号源，若干波导元件和指示仪表三部分。图1是小功率微波测试系统组成的典型例子。 图1 小功率波导测试系统示意图 进行微波测量，首先必须正确连接与调整微波测试系统。信号源通常位于左侧，待测元件接在右侧，以便于操作。连接系统平稳，各元件接头对准，晶体检波器输出引线应远离电源和输入线路，以免干扰。如果连接不当，将会影响测量精度，产生误差。 微波信号源的工作状态有连续波、方波调制和锯齿波调制三种信号通过同轴—波导转换接头进入波导系统（以后测试图中都省略画出同轴—波导转换接头）。隔离器起去耦作用，即防止反射波返回信号源影响其输出功率和频率的稳定。可变衰减器用来控制进入测试系统的功率电平。频率计用来测量信号源的频率。驻波测量线用来测量波导中驻波的分布。波导的输出功率是通过检波器进行检波送往指示器。
若信号为连续波，指示器用光点检流计或直流微安表。若信号输出是调制波，检波得到的低频信号可通过高灵敏度的选频放大器或测量放大器进行放大，或由示波器数字电压表、功率计等来指示。后一种测量方法的测量精度较高，姑经常采用调制波作被测信号，测试系统的组成应当根据波测对象作灵活变动。 系统调整主要指信号源和测量线的调整，以及晶体检波器的校准。信号源的调整包括振谐频率、功率电平及调谐方式等。本实验讨论驻波测量线的调整和晶体检波器的校准。 2、测量线的调整及波长测量 （1）驻波测量线的调整 驻波测量线是微波系统的一个常用测量仪器，它在微波测量中用处很广，如测驻波、阻抗、相位、波长等。 测量线通常由一端开槽传输线，探头（耦合探针，探针的调谐腔体和输出指示）、传动装置三部分组成，由于耦合探针深入传输线而引起不均匀性，其作用相当于在线上并联一个导纳，从而影响系统的工作状态（详见第二部分二）。为了减小影响，测试前必须仔细调整测量线。 实验中测量线的调整一般包括选择合适的探针穿深度，调谐探头和晶体检波特性。 探针电路的调谐方法：先使探针的穿深度适当，通常取~，然后测量线终端接匹配负载，移动探针至测量线中间部分，调节探头活塞，直至输出指示最大。 （2）波长测量 测量波长常见的方法有谐振法和驻波分析法。前者用谐振式波长计（为使用方便，直接以频率刻度，故也称直读式频率计）测量。后者是用驻波测量线测量，当测量线终端短路时，传输线上形成纯驻线，移动测量线探针，测出两个相临驻波最小点之间的距离，即可求得波导波长。 在传输电磁波的同轴系统中，按上述方法测出的波导波长就是工作波长，即λg=λ；而在波导系统中，测量线册出的波长是波导波长λg，根据波导波长和工作波长的关系式：
微波基本参数测量
浙江师范大学实验报告 实验名称微波基本参数测量班级物理071 姓名陈群学号07180116 同组人刘懿钧实验日期09/10/27 室温气温 微波基本参数测量 摘要：微波是一种波长较短的电磁波。在电磁波波谱表中，微波的波长介于无线电波与光波之间。波长较长的分米波和无线电波的性能相近，波长较短的毫米波则 与光波的性质相一致。本实验有以下目的（1）了解微波传输系统的组成部分。 （2）掌握微波的基本测量：频率、功率、驻波比和波导波长 关键词：微波功率驻波比频率特性阻抗波长可变衰减器 引言：微波通常是指波长从1米（300MHZ）到1毫米（300GHZ）范围内的电磁波，其低频端与超短波波段相衔接，高频端与远红外相邻，由于它比一般无线电波的 波长要短的多，故把这一波段的无线电波称为微波，可划分为分米波，厘米波 和毫米波。微波有以下基本特征：1.微波的波长极短，比地球上一些物体的几 何尺寸小得多，因此当微波照射到这些物体上时，产生显著的反射，其传播特 性与几何光学相似，具有“似光性”直线传播的特点；2.微波的频率极高，即 振荡周期极短（10-9~10-12秒），与一般电真空器械中的电子渡越时间同一数量 级；3.微波可以毫无阻碍地穿过电离层，具有穿透性；4.许多的原子和分子发 射和吸收原子电磁波波长正好处于微波波段内；5.研究方法和测量技术上，要 从“电磁场”的概念去研究和分析，测量功率、驻波比、频率和特性阻抗等。 近年来，微波边缘学科，如微波超导、微波化学、微波生物学、微波医学都得 到长足的发展。 实验方案： 1、实验原理 微波的波长通常被认为在1mm～1M之间，其频率范围相当于300GHz～300MHz。如此之高的振荡频率，势必会引起一系列新的问题。现将微波与无线电波的主要不同点简述如下：（1）微波的产生具有其独特性 电子管中，电子由阴极到达阳极的时间称为“电子渡越时间”，一般是在s的数 量级。这对频率较低的无线电波来讲，几乎可被忽略。但对频率高于300 MHZ的微波，则将受到制约。若想从电子管中获得微波信号，只能借助于电子流与谐振腔相互交换能量的方式来进行。 （2）在研究方法上两者有明显的不同 在低频电路中，工作波长已远远超出实际电路的几何尺寸（例如：对应于50Hz的电磁波其波长值为6000KM）。电路中各点的电流和电压值可被认为是在同一时刻建立起来。
声速测定讲稿
3 声速测定 声速测量的常用方法有两类：第一类是测量声波传播距离l 和时间间隔t ，然后根据公式 t l v /=计算声速v （时差法） ；第二类是测出频率f 和波长λ，再计算声速v 。本实验采用第二类测量方法。 【实验原理】 由于超声波具有波长短、易于定向发射和不可闻等优点，所以在超声波段测量声速是比较方便的。超声波的发射和接收一般是通过电磁振动和机械振动的相互转换来实现的，主要是利用压电效应和磁致伸缩效应。本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压和电压之间的转换。 当换能器的压电晶体的固有频率与外界信号频率一致时就会产生谐振，此时压电陶瓷换能器能够较好地进行声能与电能的相互转换，可以获得最大的声波压强。所以实验时应调节信号发生器的输出频率（34.0~36.0kHz ），使其与换能器谐振（示波器上信号幅度最大），此时的频率即为压电陶瓷的谐振频率。 1. 驻波法（共振干涉法） 实验原理如图所示。S 1、S 2为压电陶瓷换能器。S 1装在固定端，接受器S 2可以移动。带有功率输出的信号发生器产生的超声频率段的正弦交变电压信号接在S 1上，使S 1产生受迫振动，向周围空间定向发出一近似的平面波。S 2为接收换能器，它接收到声波后产生与声源同频率的电振动。当S 1和S 2的表面互相平行时，声波就在两个平面间往返，形成驻波。当两个换能器之间的距离l 为半波长的整数倍时，出现稳定的驻波共振现象，声压波幅最大。在接收器的反射面处是振幅的“波节”位置，同时是声压的“波腹”位置，即该处位移为零，声压最大。连续改变l 值，声压波幅将在最大与最小之间周期性的变化。接收器S 2上的电压与该处声压成正比，测量接收器电压随两个换能器距离的变化情况，相邻两次电压最大对应的距离变化就是半波长，由此可以得到波长λ。再根据公式λf v =可直接算出v ，其中声波的频率f 即驱动电压的频率，可从信号发生器面板上直接读出。 2. 行波法（相位比较法） S 1与S 2处的声波有一定的相位差，当两者距离为l 时，相位差为2l ?πλ=，因此可以通过测量?来求得声速2v lf π?=。连续改变距离l 的值，测出相位差的π2变化，对应的距离变化就是一个波长。 【实验内容与步骤】 1. 驻波法 1）调节信号发生器输出信号的频率，达到与换能器谐振。 2）移动S 2，测出各振幅极大值点S 2对应的位置坐标l ，记录在自制的数据表格中。要求至少记录12组数据，同时记录所对应的信号频率f ，以便采用逐差法处理数据。 3）测试过程中应注意保持S 2与S 1表面的平行。 2. 相位比较法
电压驻波比
电压驻波比（VSWR）是射频技术中最常用的参数，用来衡量部件之间的匹配是否良好。当业余无线电爱好者进行联络时，当然首先会想到测量一下天线系统的驻波比是否接近1:1， 如果接近1:1，当然好。常常听到这样的问题：但如果不能达到1，会怎样呢？驻波比小到几，天线才算合格？为什么大小81这类老式的军用电台上没有驻波表？ VSWR及标称阻抗 发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果发射机的阻抗不同，要求天线的阻抗也不同。在电子管时代，一方面电子管本输出阻抗高，另一方面低阻抗的同轴电缆还没有得到推广，流行的是特性阻抗为几百欧的平行馈线，因此发射机的输出阻抗多为几百欧姆。而现代商品固态无线电通信机的天线标称阻抗则多为50欧姆，因此商品VSWR表也是按50欧姆设计标度的。 如果你拥有一台输出阻抗为600欧姆的老电台，那就大可不必费心血用50欧姆的VSWR计来修理你的天线，因为那样反而帮倒忙。只要设法调到你的天线电流最大就可以了。 VSWR不是1时，比较VSWR的值没有意义 正因为VSWR除了1以外的数值不值得那么精确地认定（除非有特殊需要），所以多数VSWR表并没有象电压表、电阻表那样认真标定，甚至很少有VSWR给出它的误差等级数据。由于表内射频耦合元件的相频特性和二极管非线性的影响，多数VSWR表在不同频率、不同功率下的误差并不均匀。 VSWR都＝1不等于都是好天线 影响天线效果的最重要因素：谐振 让我们用弦乐器的弦来加以说明。无论是提琴还是古筝，它的每一根弦在特定的长度和张力下，都会有自己的固有频率。当弦以固有频率振动时，两端被固定不能移动，但振动方向的张力最大。中间摆动最大，但振动张力最松弛。这相当于自由谐振的总长度为1/2波长的天线，两端没有电流（电流波谷）而电压幅度最大（电压波腹），中间电流最大（电流波腹）而相邻两点的电压最小（电压波谷）。 我们要使这根弦发出最强的声音，一是所要的声音只能是弦的固有频率，二是驱动点的张力与摆幅之比要恰当，即驱动源要和弦上驱动点的阻抗相匹配。具体表现就是拉弦的琴弓或者弹拨的手指要选在弦的适当位置上。我们在实际中不难发现，拉弓或者拨弦位置错误会影响弦的发声强度，但稍有不当还不至于影响太多，而要发出与琴弦固有频率不同的声响却是十分困难的，此时弦上各点的振动状态十分复杂、混乱，即使振动起来，各点对空气的推动不是齐心合力的，发声效率很低。
微波基本参数的测量原理
微波基本参数的测量 一、实验目的 1、了解各种微波器件； 2、了解微波工作状态及传输特性； 3、了解微波传输线场型特性； 4、熟悉驻波、衰减、波长（频率）和功率的测量； 5、学会测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。 二、实验原理 微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。要对这些参数进行测量，首先要了解电磁波在规则波导内传播的特点，各种常用元器件及仪器的结构原理和使用方法，其次是要掌握一些微波测量的基本技术。 １、导行波的概念： 由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。导行波的电场E 或磁场H 都是x 、y 、z 三个方向的函数。导行波可分成以下三种类型： (A) 横电磁波（TEM 波）： TEM 波的特征是：电场E 和磁场H 均无纵向分量，亦即：0=Z E ,0=Z H 。电场E 和磁场H ，都是纯横向的。TEM 波沿传输方向的分量为零。所以，这种波是无法在波导中传播的。 (B) 横电波（TE 波）： TE 波即是横电波或称为“磁波”（H 波），其特征是0=Z E ,而0≠Z H 。亦即：电场E 是纯横向的，而磁场H 则具有纵向分量。 (C) 横磁波（TM 波）： TM 波即是横磁波或称为“电波”(E 波)，其特征是0=Z H ，而0≠Z E 。亦即：磁场H 是纯横向的，而电场E 则具有纵向分量。 TE 波和TM 波均为“色散波”。矩形波导中，既能传输mm TE 波，又能传输mm TM 波（其中m 代表电场或磁场在x 方向半周变化的次数，n 代表电场或磁场在y 方向半周变化的次数)。 ２、波导管： 波导管是引导微波电磁波能量沿一定方向传播的微波传输系统，有同轴线波导管和微带等，波导的功率容量大，损耗小。常见的波导管有矩形波导和圆波导，本实验用矩形波导。 矩形波导的宽边定为x 方向，内尺寸用a 表示。窄边定为y 方向，内尺寸用b 表示。10TE 波以圆频率ω自波导管开口沿着z 方向传播。在忽略损耗，且管内充满均匀介质（空气）下，波导管内电磁场的各分量可由麦克斯韦方程组以及边界条件得到： ()sin()j t z o y x E j e ωβωμππα-=-， ()sin()j t z o x x H j e ωβμαππα -=
声速的测定实验报告
声速的测定实验报告 1、实验目的 （1）学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。 （2）进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。 （3）学会用逐差法处理数据。 2、实验仪器 超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B 、示波器ST16B 。 3、实验原理 3．1 实验原理 声速V 、频率f 和波长λ之间的关系式为λf V =。如果能用实验方法测量声波的频率f 和波长λ，即可求得声速V 。常用的测量声速的方法有以下两种。 3．2 实验方法 3．2．1 驻波共振法（简称驻波法） S 1发出的超声波和S 2反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。当波源的 频率和驻波系统的固有频率相等时，此驻波的振幅才达到最大值，此时的频率为共振频率。 驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关，还取决于边界条件，在声速实验中， S 1、S 2即为两边界，且必定是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波的共振条件为： Λ Λ3,2,1,2 ==n n L λ （1） 即当S 1和S 2之间的距离L 等于声波半波长的整数倍时，驻波系统处于共振状态，驻波振幅最大。在示波器上得到的信号幅度最大。当L 不满足（1）式时，驻波系统偏离共振状态，驻波振幅随之减小。 移动S 2，可以连续地改变L 的大小。由式（1）可知，任意两个相邻共振状态之间，即 S 2所移过的距离为： () 22 2 11λ λ λ = ? -+=-=?+n n L L L n n （2） 可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于L 改变了2λ。此距离2λ 可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得，频率可由低频信号发生器上的频率计读得，根据f V ?=λ，就 可求出声速。 3．2．2 两个相互垂直谐振动的合成法（简称相位法） 在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李沙如图形。其轨迹方程为： ()()φφφφ122122122 12 2-=-- ???? ??+???? ??Sin Cos A A XY A Y A X （5） 在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。当相位差 12=-=?φφφ时，由（5）式，得 x A A y 12=，即轨迹为一条处在于第一和第三象限的直线[参见图16—2(a)]。
实验五天线的输入阻抗与驻波比测量
实验五天线的输入阻抗与驻波比测量 一、实验目的 1.了解单极子的阻抗特性，知道单极子阻抗的测量方法。 2.了解半波振子的阻抗特性，知道半波振子阻抗与驻波比的测量方法。 3.了解全波振子的阻抗特性，知道全波振子阻抗与驻波比的测量方法。 4.了解偶极子的阻抗特性，知道偶极子阻抗与驻波比的测量方法。 二、实验器材 PNA3621及其全套附件，作地用的铝板一块，待测单极子3个，分别为Φ1，Φ3，Φ9，长度相同。短路器一只，待测半波振子天线一个，待测全波振子天线一个，待测偶极子天线一个。 三、实验步骤 1.仪器按测回损连接，按【执行】键校开路； 2.接上短路器，按【执行】键校短路； 3.拔下短路器，插上待测振子即可测出输入阻抗轨迹。 4.拔下短路器，接上待测半波振子天线，按菜单键将光标移到【移+0.000m】处，设置移参数据约0.184m，再将光标上移到【矢量】处，按【执行】键。 5.拔下短路器，接上待测全波振子天线，按菜单键将光标移到【移+0.000m】处，设置移参数据约0.133m，再将光标上移到【矢量】处，按【执行】键。 6.拔下短路器，接上待测偶极子天线，按菜单键将光标移到【移+0.000m】处，设置移参数据约0.074m，再将光标上移到【矢量】处，按【执行】键。 四、实验记录
单极子?3： 单极子?2： 单极子?1： 偶极子： 半波振子： 全波振子： 五、实验仿真 以下为实验仿真及其结果： 六、实验扩展分析 单极子天线是在偶极子天线的基础上发展而来的。最初偶极子天线有两个臂，每个臂长四分之一波长，方向图类似面包圈；研究人员利用镜像原理，在单臂下面加一块金属板，变得到了单极子天线。单极子天线很容易做成超宽带。至于其他方面的电性能，基本与偶极子天线相似。 上图左边为单极子，右边为偶极子。虚线根据地面作为等势面镜像而来，单极子是从中心馈电点处切去一半并相对于地面馈电的偶极子。单极子是从中心馈电点处切去一半并相对于地面馈电的偶极子。因此可以理解为：上半个偶极子+对称面作为接地=单极子。由于单极子接地面就是偶极子的对称面，因此单极子馈电部分输入端的缝隙宽度只有偶极子的一半，根据电压等于电场的线积分，这导致输入电压只有偶极子的一半。又因为对称性，单极子和偶极子的电流大小相同，因此单极子的输入阻抗是偶极子的一半。同理，辐射电阻或辐射功率也是偶极子的一半。 由于单极子只辐射上半空间，而偶极子辐射整个空间，因此单极子的方向性是偶极子的
大连理工微波系统中电压驻波比
实验题目： 微波系统中电压驻波比的测量 实验仪器：（注明规格和型号） 导波管（BJ-100）、隔离器、衰减器、谐振式频率计、晶体检波器、驻波测量线（DH364A00）、匹配负载 实验目的： （1） 了解驻波导测量系统，熟悉基本微波原件的作用； （2） 掌握驻波测量线的正确使用方法； （3） 掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法。 实验原理简述： 1. 微波的基本知识 1.1 电磁波的基本关系 ρ=??D 0=??B t B E ??- =?? t D j H ??+ =?? （3-1-1） E D ε=，H B μ=，E J γ= （3-1-2） 如上所示， 方程组（3-1-1）为Maxwell 方程组，方程组（3-1-2）描述了介质的性质对场的影响。 1.2 矩形波导中波的传播 在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，而必须改用微波传输线。 本实验中使用的是矩形波导管， 同时对应使用的是在矩形波导中常用的微波TE 10 1.2.1 TE 10型波。 一个均匀、无限长和无耗的矩形波导。（图3-1-3）经过计算可以得到波导波长2 )2( 1a g λ λ λ-= 特点： 1，存在一个临界波长c λ=2a ，只有波长c λλ<的电磁波才能在波导管中传播 2，导波波长g λ>自由空间波长λ 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，并且始终平行于导波的窄边 4，磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线 5，电磁场的波导的纵方向（z ）上形成行波
下图所示， 为TE10型波的电磁场结构 1.2.2导波的工作状态 如果导波终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波的所有能量被吸收，这时波导中呈现的是行波。当导波终端不匹配时，就是一部分波被反射，波导中的任何不均匀性也会产生反射，形成所谓混合波。为了描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数Γ定义为 φ j i r e E E ||/Γ==Γ 驻波比ρ定义为min max E E = ρ （3-1-6），其中式中，max E 和min E 分别为波腹和波节点电场E 的大小 不难看出：对于行波，1=ρ；对于驻波，∞=ρ；而当∞<<ρ1，是混合波（如上图所示） 2. 电压驻波比的测量 驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一。在测量时，通常测量电压驻波系数，即波导中电场最大与最小之比 2.1 直接法 直接法是测量沿线驻波的最大与最小场强，然后根据驻波比定义式（见上页）直接求出电压驻波比。这种方法适用于测量中、小电压驻波比 当驻波比较少时，晶体二极管为平方检波，如果驻波腹点和节点处指示电表读数分别为max I 和min I ，则式（3-1-6）可写成min max /I I = ρ 当驻波比分别在5.1005.1≤≤ρ， 以及65.1≤≤ρ时， 驻波图像分别如下所示
用驻波法测声速教学资料
用驻波法测声速
用驻波法测声速实验目的 1?学会用驻波法测空气中的声速 2.学会用逐差法处理实验数据 实验仪器
实验原理 频率介于20Hz ?20kHz 的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于 20kHz ?500MHz 的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超 声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一 般都在20KHz- 60kHz 之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波 的发射器、接收器、效果最佳。 使S1发出一平面波。S2作为超声波接收头，把接收到的声压转换成交变的 正弦电压信号后输入示波器观察，示波器置扫描方式。 S2在接收超声波的同时 还反射一部分超声波。这样，由 S1发出的超声波和由S2反射的超声波在S1和 S2之间产生定域干涉。 当S1和S2之间的距离L 恰好等于半波长的整数倍时，即 L k —， k = 0，1，2，3 ....... ； 2 形成驻波共振。任意两个相邻的共振态之间， S2的位移为， 所以当S1和S2之间的距离L 连续改变时，示波器上的信号幅度每一次周期性 L L k 1 L k (k 1) 2 k 2 2
变化，相当于S1和S2之间的距离改变了一。此距离一可由读数标尺测得，频 2 2 率f由信号发生器读得，由f即可求得声速。 实验步骤 只有当换能器S1和S2发射面与接收面保持平行时才有较好的接收效果；为 了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到发射换能器S1谐振频率点处，才能较好地进行声能与电能的相互转换，提高测量精度，以得到较好的实验效果。 超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节声速测试仪信号源输出电压（100mV- 500m\之间），调节信号频率（在25?45kHz）,观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5?37.5kHz之间）电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点，记录频率v，改变S1和S2之间的距离，适当选择位置（即：至示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置），再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均值—°。 将测试方法设置到连续波方式，把声速测试仪信号源调到共振工作频率（根据 共振特点观察波幅变化进行调节）。 在共振频率下，将S2移近S1处，依次记下各振幅最大时的读数标尺位置 L i、L2…共10个值； 记下室温t ;
驻波比的测量 微波原理
电子信息工程系实验报告课程名称：微波原理 实验项目名称：驻波比的测量实验时间：2010-5-27 班级：通信072 姓名：学号：710705229 实验目的: 掌握测量驻波比的原理和常用方法 【实验内容】 在测量线系统中，选用合适的方法测量给定器件的电压驻波系数。 【实验框图与仪器】 网络分析仪信号源被测件频谱仪 b. c. 图1 驻波比测量系统图 【实验原理】 测试微波传输系统内电磁场的驻波分布情况，包括场强的最大点、最小点的幅度及其位置，从而得到驻波比（或反射系数）和波导波长。通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和Q值等其它参量。 测量电压驻波系数：
可直接由测量线探针分别处于波腹及波节位置时的电流表读出Imax 和Imin ，求出驻波比。 若驻波腹点和节点处电表读数分别为m ax I ，m in I 则电压驻波系数ρ： min max min max I I E E == ρ （1－2） 当电压驻波系数在1.05<ρ<1.5时，驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可采用节点偏移法。 节点偏移法测量驻波比的测试系统如图5示。 测量方法：逐点改变短路活塞的位置（读数S ），在测量线上用交叉读数法跟踪测得某一波节点的位置（读数为D ），作出S 和（D+S ）+KS 的关系曲线，其中12 1 -= λλK ,1λ是取下待测元件，固定短路活塞位置，移动测量线探针测得的测量线中的波长；2λ是固定测量探针，移动短路活塞，用交叉读数法在短路活塞上测得的波长。由所得实验曲线求得最大偏移量?，按下式求出驻波比 ) sin(1)sin( 1 1πλπρ?-?+= （1－18） 当?很小时，可近似为1 21λπρ? +≈ （1－19） 中等驻波比测量（6≤ρ），可采用直接测量沿线驻波最大点和最小点场强的直接法来测量。为了提高 精确度，可以测量多个最大点和最小点，然后按下式求得驻波比 其中m ax I 和m in I 为指示器上对应的最大值和最小值（直线律检波）或其方根值（平方律检波）。 2、等指示度法（大驻波比 5>ρ） 当被测器件的驻波系数大于5时，驻波腹点和节点的电平相差很大，如果在最小点检波晶体的输出能使仪表有足够的指示读数，则在最大点上检波晶体的特性从平方律转向直线律，因而无法在同一情况下测得最大点和最小点，按直接法求取大驻波系数会带来较大的误差，因此采用等指示度法，也就是通过测量驻波图形中波节点附近场的分布规律的间接方法，求出驻波系数，如图6。 ??? ? ?????? ??-= g g n W W k λπλπρsin cos 2/2 （1.2.4） 式中 min min I kI k 最小点读数测量点读数= n 为晶体检波律，一般n=2，' h h l l W -=＝2d ，g λ为测量线上的 波长即波导波长 3、 功率衰减法 方法是：改变测量电路中可变衰减器的衰减量，使探针位于驻波腹点和节点时指示电表的读数相同， 图5 节点偏移法测量驻波比的测试系统
声速测量实验报告
声速测量实验报告 【实验目的】 1.学会测量超声波在空气中的传播速度的方法。 2.理解驻波和振动合成理论。 3.学会用逐差法进行数据处理。 4.了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。 【实验仪器】 信号发生器、双踪示波器、声速测定仪。 【实验原理】 声波的传播速度v与声波频率f和波长的关系为： 可见，只要测出声波的频率f和波长 ，即可求出声速。f可由声源的振动频率得到，因此，实验的关键就是如何测定声波波长。 根据超声波的特点，实验中可以采用驻波法和相位法测出超声波的波长。 1. 驻波法（共振干涉法） 如右图所示，实验时将信号发生器输出的 正弦电压信号接到发射超声换能器上，超声发 射换能器通过电声转换，将电压信号变为超声 波，以超声波形式发射出去。接收换能器通过 声电转换，将声波信号变为电压信号后，送入示波器观察。 由声波传播理论可知，从发射换能器发出一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收换能器。如果接收面和发射面严格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射波相互干涉形成驻波。此时，两换能器之间的距离恰好等于其声波半波长的整数倍。在声驻波中，波腹处声压（空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强）最小，而波节处声压最大。当接收换能器的反射界面处为波节时，声压效应最大，经接收器转换成电信号后从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值，所以可从接收换能器端面声压的变化来判断超声波驻波是否形成。 移动卡尺游标，改变两只换能器端面的距离，在一系列特定的距离上，媒质中将出现稳定的驻波共振现象，此时，两换能器间的距离等于半波长的整数倍，只要我们监测接收换能器输出电压幅度的变化，记录下相邻两次出现最大电压数值时（即接收器位于
已交!3-1 微波系统中电压驻波比的测量第9周三 5-8节
3-1 微波系统中电压驻波比的测量 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不同. 从图3-1-1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3-1-1 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(10-9～10-12s)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．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. 4．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景. 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. 微波实验是近代物理实验的重要组成部分. 国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例高达50%以上. 据统计美国为66%，日本为50%，法国为54%. 我国自1956年从东德引进第一套微波通信设备以来，经过仿制和自发研制过程，已经取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之 λ/m 3 6 109 1012 1015 1018 10-9 10-11 10-6 10-3 100 103 106 f /Hz 广播 电视 红外 可见光 紫外 电波 无线电波 光波 X 射线 微波
声速测定以及声速数据处理
【实验目的】 1．了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。 2．学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。 3．通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。 【实验原理】 在波动过程中波速V 、波长λ和频率f 之间存在着下列关系：λ?=f V ，实验中可通过测定声波的波长λ和频率f 来求得声速V 。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。 声波传播的距离L 与传播的时间t 存在下列关系：t V L ?= ，只要测出L 和t 就可测出声波传播的速度V ，这就是时差法测量声速的原理。 1．共振干涉法（驻波法）测量声速的原理： 当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。对于波束1：)/X 2t cos(A F 1λ?π-ω?=、波束2：()λ?π+ω?=/X 2t cos A F 2，当它们相交会时，叠加后的波形成波束3：()t cos /X 2cos A 2F 3ω?λ?π?=，这里ω为声波的角频率，t 为经过的时间，X 为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按()λ?π/X 2cos 变化。如图28.1所示。 压电陶瓷换能器1S 作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器2S 则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。声源1S 发出的声波，经介质传播到2S ，在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面（2S ）与发射面（1S ）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与发射波相干涉形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器2S 处的振动情况。移动2S 位置（即改变1S 与2S 之间的距离），你从示波器显示上会发现当2S 在某些位置时振幅有最小值或最大值。根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最
微波测量系统调试与频率测量
实验B1 微波测量系统调试与频率测量 【实验目的】 1．了解微波测量系统的基本组成，学会一般的调试方法。 2．了解反射速调管微波信号源原理及特性，掌握调整参数使微波源实现最佳工作状态的方法。 3．了解微波谐振腔的基本特性，掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本方法。 4．学会用谐振腔波长表测量微波频率。 【实验原理】 一．微波测量系统 微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成。微波等效电源部分即微波发送器，包括微波信号源、工作状态（频率、功率等）监视单元、隔离器等。测量装置部分也称测量电路，包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等）以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率插头等）。测量指示仪器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等。 二．反射速调管微波信号源 微波信号源有许多类型，本实验中使用的是反射式速调管信号源 1．反射速调管的工作原理 反射式速调管有阴极、阳极（谐振腔）、反射极三个电 极，结构原理如图2所示。阴极发射电子；阳极利用耦合环和同轴线输出微波功率；反射极用以反射电子。由阴极发出电子束，受直流电场加速后，进入谐振腔。电子以不同的速度从谐振腔飞出来而进入反射极空间。在谐振腔和反射极间的直流排斥电场，使电子未飞到反射极就停下来，反射回谐振腔。 2．反射式速调管的工作特性和工作状态 在一定条件下，反射式速调管的功率和频率特性曲线如图3所示。 （1）反射式速调管只有在某些特定的反射极电压值才能振荡。有振荡输出功率的区域叫做速调管的振荡模，用n 表示震荡模的序号。 （2）对于振荡模，当反射极电压V R 变化时，速调管的输出功率P 和振荡频率f 都随之变化。 （3）输出功率最大的振荡模叫最佳振荡模（图3中n ＝3的振荡模）。 （4）各个振荡模的中心频率f 0相同通常称为速调管的工作频率。 通常调整速调管的振荡频率有电子调谐和机械调谐两种方法。可利用反射极电压的变化无惯性的进行频率调节，这种方法称为“电子调谐”。如果要在比较大的范围内改变速调管的振荡频率，采用“机械调谐”的方法，改变腔体的固有谐振频率。 反射式速调管的工作状态一般有三种：连续振荡状态、方波调幅状态、锯齿波调频状态。 图2 反射式速调管的结构原理
实验五--微波电压驻波比与反射系数的测量
实验五--微波电压驻波比与反射系数的测量
实验五微波电压驻波比与反射系数的测量、分析与计算 一、实验目的 (1)学会驻波比的测量、分析和计算； (2)通过驻波比及驻波波节点测量数据，学 会分析和计算反射系数。 二、实验原理 在任何的微波传输系统中，为了保证传输效率，减少传输损耗和避免大功率击穿，必须实现阻抗的匹配。描述系统匹配程度的参数有电压驻波比和反射系数。 驻波比测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一。在传输线中若存在驻波，将使能量不能有效地传给负载，因而增加损耗。在大功率情况下由于驻波存在可能发生击穿现象。因此驻波测量是非常重要的内容。在测量时，通常是测量电压驻波比，即波导中电场(电压) 最大值与最小值之比，即： 测量驻波比的方法与仪器有多种。驻波比的各种测量方法如表5-1 所示。 表5-1 驻波比的各种测量方法 测量方法适用范围特点
直接法 中、小驻波比 (ρ<6) 测量方法简便，测量误差除与信号源和测量线的系统有关外，主要决定于指示器的读数误差 等指示度法 大驻波比 (ρ>6) 测量方法简单，ρ 值测量时需要确定晶体检波律。测量误差决定于等指示度宽带 w 的读数误差，探针导纳对测量精度影响较小 功率衰减法 任意驻波比(常用于测量大驻波比) 测量方法复杂，标准衰减器两端匹配良好(ρ<1.02)时可得到较高 精度 移动终端法 小驻波比 (ρ<1.1) 能分离两个混合在一起的小反射波，测量精度与直接法相同，由于已将两种反射分离开，所以准确度大大提高 S 曲线法(即 节点偏移法) 任意驻波比(常用于测量小驻波比) 测量方法复杂，测量准确度较高，但测量精度受到信号源的频率 漂移影响较大 本实验仅介绍直接法和等指示度法。 1. 直接法 直接测量沿线驻波的最大点和最小点场强，由式(5-1)直接求出电压驻波比的方法称为直接法。此方法适用于中小电压驻波比 (ρ<6) 的测量。 若驻波波腹点和波节点处电表指示读数分别为 I max 、I min ，对于小驻波比，晶体二极管为平方律(n =2)检波时，则上式驻波比为： min max min max I I E = = E ρ （5-2） 当电压驻波比在 1.05<ρ<1.5 时，驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测量准。
微波技术实验报告
微波技术实验指导书目录 实验一微波测量仪器认识及功率测量 实验目的 （1）熟悉基本微波测量仪器； （2）了解各种常用微波元器件； （3）学会功率的测量。 实验内容 一、基本微波测量仪器 微波测量技术是通信系统测试的重要分支，也是射频工程中必备的测试技术。它主要包括微波信号特性测量和微波网络参数测量。 微波信号特性参量主要包括：微波信号的频率与波长、电平与功率、波形与频谱等。微波网络参数包括反射参量（如反射系数、驻波比）和传输参量（如[S]参数）。 测量的方法有：点频测量、扫频测量和时域测量三大类。所谓点频测量是信号只能工作在单一频点逐一进行测量；扫频测量是在较宽的频带内测得被测量的频响特性，如加上自动网络分析仪，则可实现微波参数的自动测量与分析；时域测量是利用超高速脉冲发生器、采样示波器、时域自动网络分析仪等在时域进行测量，从而得到瞬态电磁特性。 图1-1 是典型的微波测量系统。它由微波信号源、隔离器或衰减器、定向耦合器、波长/频率计、测量线、终端负载、选频放大器及小功率计等组成。 图 1-1 微波测量系统 二、常用微波元器件简介 微波元器件的种类很多，下面主要介绍实验室里常见的几种元器件： （1）检波器（2）E-T接头（3）H-T接头（4）双T接头 （5）波导弯曲（6）波导开关（7）可变短路器（8）匹配负载 （9）吸收式衰减器（10）定向耦合器（11）隔离器 三、功率测量 在终端处接上微波小功率计探头，调整衰减器，观察微波功率计指示并作相应记录。 微波元器件的认识 螺钉调配器 E-T分支与匹配双T 波导扭转 匹配负载 波导扭转 实验总结：在实验中我们认识了各种的微波元器件，让我们更好的理解课本上的知识，更是为了以后的实验做了准备。 实验二测量线的调整与晶体检波器校准 实验目的
现代微波跟天线测量技术_第1讲
现代微波与天线测量技术 第一讲：概述 彭宏利博士 2008.09 微波与射频研究中心 上海交通大学－电信学院－电子工程系
1.意义 谈论“现代微波与天线测量技术”的意义，不能不先从“电磁场与微波技术”的意义谈起。 1870年，Maxwell创立的电磁场方程组标志人类对于电场和磁场本质认识的统一。这一认识后被Richard Feynman称之为19世纪人类科学的最高成就。在21世纪之初的今天，全世界仍然有无数的电磁科学家和工程师继续在采用计算机，努力地在寻找19世纪Maxwell方程组的解。针对这种现象，人们不禁会问：“投入大量资源，继续研究电磁场与微波技术对于当今社会意义何在？” 下面回答这个问题。 20年前，人们研究“电磁场与微波技术”的动力主要来自于国防军事需要。 近20年来，电磁场与微波技术的研究主要动力迅速从军用转到了高速通信和高速计算等民用需要方面。 1.1.军用领域 2战期间，UHF和微波雷达对于拯救England以及盟军的后来胜利，发挥了至关重要的作用。随后的45年，雷达技术与反雷达技术在空中防御力量的较量，一刻也没有停止过。雷达技术，始终是围绕着一系列电磁技术而开展工作的。图1给出了用100MHz雷达波束照射喷气式飞机，在飞机导体上激起表面电流的计算结果。 图1 100MHz雷达波束在飞机导体上激起表面电流的计算结果 问题1:这架飞机能承受多强的照射？能隐性吗？如何进行测试验证？ 1960年后，刺激人们研究电磁技术的因素是原子弹爆炸后会产生强烈的电磁脉冲EMP，该EMP能量巨大，足以烧地面上方圆数百英里之内的所有电子设备。由此产生了EMP预测和防护技术。 问题2:如何进行EMP测试验证？ 1980年后，高功率微波HPM尖锐波束技术的出现，吸引人们研究HPM透射机理