合肥工业大学 微波实验指导书要点

实验一微波常规测量系统的熟悉与调整

一、实验目的

1、了解常用微波常规测量系统的组成，认识常用微波元件，熟悉其特性、在系统中的作用及使用方法。

2、熟悉常用微波仪器的调整和使用方法。

二、实验原理

1、实验系统简介

图1-1 常规微波测量系统

微波常规测量系统如图1-1所示。系统中的仪器和主要元件作用如下：

(1)、信号源：产生微波信号。常用的简易信号发生器，包括速调管振荡器、速调管电源和调制器。速调管振荡器产生并输出需要的连续或调制信号，速调管电源供给速调管振荡器所需各组稳压电源，调制器产生方波调制信号（重复频率一般为1000Hz ）,对速调管振荡器进行方波调制。标准信号发生器主要有速调管和体效应管两类，在包含上述功能的基础上增加了输出幅度调节器（可变衰减器）以及频率计等。

(2)、频率与功率监视部分：由正向接入的定向耦合器从主通道中耦合出一部分能量，通过对该部分信号的监测，确定其信号源的频率并监视输出功率的稳定性，标准信号源往往附有监测系统。

(3)、隔离器：是一种铁氧体器件，用于消除负载反射对信号源的影响。理想的隔离器只允许信号由源向负载单方向通过（即对入射波衰减为零）。而全部吸收由负方载向源的反射功率（即对反射波衰减为无穷大）。利用其单向传输特性，既保证了信号的正常传输，又防止反射波进入信号源影响其输出功率和振荡频率的稳定。实用的隔离器正向衰减为零点几分贝，反向衰减为几十分贝。在没有隔离器时，可用固定衰减器代替。此时，对正向、反向信号有同样衰减。

(4)、衰减器：分固定衰减器和可变衰减器两种。为电平元件，用来调节输出功率的大

小。调整可变衰减器的衰减量，可以控制到达负载的功率，使指示器有适度的指示。固定衰减器也可以用定向耦合器代替。

(5)、测量线：用来测量负载在传输线上造成的驻波分布，确定驻波系数、驻波最小点位置和波导波长等，以便计算各种待测参数。

(6)、指示器：指示检波电流的大小，对连续波信号、常用微安表、光点检流计等指示器。而对调制波信号，常用选频放大器做指示器。

(7)、负载：包括匹配负载、短路器及其它任何待测终端器件。

(8)、频率计：用于测量信号源频率。在简单的测量系统中也可以将其接在主通道中，接在副通道中的目的在于防止对主通道产生影响。

在进行微波参数测量之前，首先要对系统进行调整。主要包括：①根据要求调整信号源频率及输出功率；②调整可变衰减器使功率电平满足要求；③系统调配；④测量线探头调谐，该部分调节本实验系统可不进行。

主要调整步骤和原理介绍如下：

(1)、信号源的调整

试验过程中可能会接触到不同型号按“点频”方式工作的信号源，其机械调谐旋钮置于某一位置时，输出相应的单一频率信号。信号源的调整主要包括：①调整频率旋钮，选择需要的频率；②系统调配使振荡器处于最佳工作状态且输出功率最大；③调整输出衰减器，使信号源输出功率满足测量要求。

在使用信号源之前，请仔细阅读说明书。

(2)、谐振式频率计的使用

在厘米波段，广泛使用谐振式频率计（也称为谐振式波长计）。测量微波频率，实际上是使用一只一端尺寸可调（一般用短路活塞）的单模谐振腔，将其以适当方式接入到测量电路中，调整短路活塞（即改变腔体长度），使之与信号源频率谐振，谐振时活塞位置刻度所对应的频率值，即为待测频率。

谐振式的频率计读数方式通常有两种：一种是频率计上仅有用螺旋测微器读出的活塞位置刻度，使用前先用外差式频率计或数字频率计校准，做出刻度一频率校正曲线（或校正表）；使用时根据读数从校正曲线或校正表上查出频率。另一种是直读式，即将校准的频率值直接标注在测微器的外侧圆筒上，使用时可直接读出频率。

根据谐振式频率计藕合元件的不同，采用不同的方式接入测量系统中，其调谐指示曲线也不相同。

第一种：通过式频率计的接法。这种接法的频率计腔体具有两个基本耦合元件。通过输入、输出耦合元件串接在测量系统中。当腔体与待测信号失谐时，通过输入棍耦合元件进入腔体的信号很微弱，因而耦合输出也很弱，检波器指示会很小。严重失谐时，检波电流接近于零，无检波指示。当调谐腔体尺寸使之与待测信号谐振时，进入腔体的信号最强，耦合输出也最大。测量时，只要连续调节调谐机构，同时观察检波指示。当检波指示最大时，频率计所对应的频率就是待测频率。

第二种：吸收式频率计接法。该种频率计腔体只有一个耦合元件。腔体通过耦合机构与待测信号的传输系统相耦合，形成主通道的一个分支。腔体失谐时，基本上不吸收微波功率，从而不影响信号的正常传输，检波指示正常，当调谐腔体使之与待测信号谐振时，

腔体吸收功率很大，从而使检波指示明显下降。因此，在测量时只要缓慢连续调节调谐机构，同时观察检波指示。当指示突然下降到最小时，频率计所对应的谐振频率就是待测信号频率。 （3）、测量线的调整与使用

测量线的构造主要包括开槽线段（波导、同轴线或者平板式）、探头装置（包括探针、检波座和调谐器）、探头移动机构和位置测量装置等。探针伸入开槽线段中并通过轴向槽缝可以左右移动，拾取开槽线段中的电场能量，感应出与场强幅度成正比的电动势加到检波晶体上。检波输出由指示器指示。因此，指示器的指示大小可反映出开槽线段内探针所在位置的相对电场强度，再由测量线的位置刻度指示可确定一系列参数。

探针伸入波导，相当于在波导中引入不均匀性，从而影响了系统的正常工作状态，称为探针的加载作用。为了分析方便，通常把探针等效成与传输线并联的导纳p p p y g jb =+。其中p g 为探针归一化电导，反映探针吸收功率的大小；p b 为探针归一化电纳，表示探针引起附加反射的影响。在信号源和传输系统匹配的情况下，当终端接任意阻抗时，由于p g 的分流作用，将使测得的驻波幅度比真实值要小。因为驻波波腹附近为高阻抗区，p g 的影响较大。p b 的存在将使驻波波腹点和波谷位置（主要是腹点位置）发生偏移。一般情况下探针电纳p b 为容性，将使驻波波腹点向负载方向移动。反之，当p b 为感性时，将驻波波腹点向信号源方向偏移。但在终端短路或开路的情况下，由于此时驻波波节点处的输入导纳in y →∞的，所以p y 影响很小，驻波波节点位置不会发生偏移。而在驻波波腹点，p b 影响就将特别显著。

减小p g 影响方法是适当的减小插入深度。插入越深，p g 影响越大，但灵敏度越高；插入越浅，p g 影响越小，但灵敏度越低。二者存在矛盾，必须权衡得失，适当选取插入深度。基本原则是在保证灵敏度的情况下尽量减少插入深度。一般插入深度为波导窄边的10％左右。对三公分波导系统，插入深度为l ——1.5毫米为宜。

注一：交叉读数法

如图l-2所示，首先将测量线探针置于驻波波腹位置，改变可变衰减器使之测量线检波输出放大器的读数接近或达到满量程，然后移动测量线探针，在最小点两侧且在最小点附近选取场强相等的两点，即等指示度点（测量线检波指示均为1α），记下测量线探针在两个等指示度点的位置1X 和2X ，则最小点的位置为

图1-2 交叉读数法确定最小点

12

min 2

X X X +=

(1-1)

（五）晶体检波器

驻波幅度分布的测量表现为晶体检波电流的测量。预先知道指示器读数与开槽线中相对场强的函数关系曲线。

加到晶体检波器两端的电压V 和检波电流I 的关系，一般表示为

n I KV =

式中K 为比例系数，n 为检波律。在一定电压范围内n 可以认为是常数。

通常检波电平较低小（对调制波而言，输出电压不大于几毫伏。对连续波而言，输出电流不大于10μA ）时，即为小信号检波，可以近似认为是平方律检波，即n=2。

在精确测量中，晶体的检波律n 可利用对数关系。

三、实验内容

1、 调整信号源，调整输出信号电平。

2、测量工作频率，计算工作波长。

3、调整测量线，用测量线测波导波长，计算工作波长，并与2中的结果比较。

四、实验步骤

在实验开始之前，必须仔细阅读各仪器使用说明书，熟悉基本原理和使用方法。 （一）准备工作

1、按图1-1检查测试系统，负载为短路片。

2、将可变衰减器都置于最大衰减量位置。 （二）信号源调整

1、阅读信号源使用说明书，按其说明进行调整。

2、减小可变衰减器1和3的衰减量，使指示器2有明显指示。 （三）频率调整

1.缓慢调整检波器的短路活塞，反复调整检波器的调配螺钉，使检波器指示器2指示较大或接近满量程。

2.缓慢调整谐振式频率计，使谐振于信号源频率（对吸收式频率计，检波指示器 2 突然减到最小。对通过式频率计，检波指示器2突然增到最大）。实验中用的是吸收式频率

计。

3、读取频率计上的频率值或读取谐振时测微计刻度值，记录信号源频率，并计算工作波长。

（四）测量线的调整

1．减少可变衰减器2的衰减量，使测量线检波指示器1有明显指示。（最大偏转有三分之二刻度以上）

2．移动测量线探针至驻波最大点位置（注意:在移：过程中分需随时调整可变衰减器2使检波指示适中）。

（五）波导波长的测量。

1、移动测量线探针，用交叉读数法（注一方法）测量测量线（开槽波导）中的驻波最小点位置。两相邻驻波最小点之间的距离为

2

g

λ玉，计算平均波导波g λ。 1、 由公式

式中

2c a λ=（BJ-100型波导：22.86a mm =，10.16b mm =。BJ-48型波导：

47.55a mm =，22.15b mm =。可得

λλ=

（1-9）

按照式（1-9）计算工作波长，并与步骤（三）的结果相比较。 思考题：

1、在实验报告中需画出微波常规测量系统图，并说明各元件和仪器在系统中作用

2、在实验报告中给出调整测量线为最佳输出状态的步骤。

3、如何用谐振式频率计监测工作频率？

4、确定波导波长时，若用确定驻波最大点位置的方法，与用确定驻波最小点位置的 方法有何区别？

g λ=（1-8）

实验二 驻波系数测量(一)

一、实验目的

掌握用直接法测量驻波系数（电压驻波比）的原理和方法。 二、实验原理

如图2-1所示，测量单口器件的驻波系数时，待测器件接在测量线输出端；测量双口（或多口）器件的驻波系数时，需要输出口接 1.02s <的匹配负载。

图 2-1 电压驻波比测量电路

* 直接法

对中小驻波系数（一般6S <或更小），可以用接法测量，即移动测量探针，根据在驻波最大点和最小点时指示器的指示max α和min α，按下式计算待测器件的驻波系数。

1max min n

αρα??

= ???

（2-1）

式中n 为晶体检波律。在检波功率电平最小（小信号检波）的情况下，可取n=2，则

ρ=

（2-2） 为了消除由于检波律不确定而引起的计算误差，可以按实验一的方法预先对晶体定标，确定出检波律，然后计算待测器的驻波系数。

三、实验步骤

（1） 按实验一的方法，调整测量线为最佳输出状态；

（2） 用直接法测量以下五种不同负载情况下的驻波系数：

(a) 短路片； (b) 开路负载； (c) 匹配负载； (d) 任意负载； (e) 喇叭天线；

（3）结合传输线上不同工作状态的特性分析，联系以上实验结果，深入理解传输线工作状态与所接负载的关系。

四、思考题

1、结合实验内容，说明在测量线终端接以上不同负载时，传输线分别工作在什么状态？

此时选频放大器的指示有何特点？如何解释该现象。

实验三 阻抗测量与匹配技术

一、实验目的

1、掌握测量线法测量微波器件阻抗参数的原理和方法。

2、熟悉阻抗（或导纳）圆图在阻抗测量中的应用。

3、熟悉阻抗调配技术。 二、实验原理

（一） 驻波法测量微波器件阻抗参数的原理

当微波传输系统的终端负载与传输线的特性阻抗不匹配时，就会产生反射，在系统中形成行驻波或纯驻波。

由传输线理论知道，对于一段无耗传输线，距负载参考面距离为d 的任一点的阻抗in

Z 和负载阻抗L Z ，传输线特性阻抗0Z 之间的关系为：

00

022L g

in L g

d

Z jZ tg

Z Z d

Z jZ tg

πλπλ+=+ （4-1） 又因为在电压驻波电小点的输入阻抗为：

in Z Z ρ

=

（4-2）

所以，当线上某一电压驻波最小点距负载的距离为min d 时，该点的输入阻抗同时满足（4-1）和（4-2）式，即

min

00

max

022L g

L g

d Z jZ tg

Z Z d Z jZ tg

πλπρ

λ+=+

简化此式，得到L Z 、0Z 、S 、min d 之间的关系为

min

min

0212g

L g

d j tg

Z Z d Z j tg

πρλπρλ-=+ (4-3)

归一化负载阻抗L Z 为

min

min

0212g L

L g

d j tg

Z Z d Z jtg πρλπρλ-=

- (4-4)

设L L L Z R jX =+ 则

22

2

min

min

22cos sin L g

g

R d d ρ

ππρλλ=

+ (4-5)

()2

min

min

22

2

min

min

221sin

22cos

sin

g

g L g

g

d

d COS X d d ππρλλππρλλ-?=

+ (4-6)

阻抗测量装置如图4-1所示。

图4-1 阻抗测量装置图

为了避免复杂的运算，可以利用阻抗圆图求解，如图4-2所示。 在图圆上，以测得的S 做等S 圆。从等S 圆与极小点轨迹的交点A 处做沿等S 圆逆时针（向负载方向）转动min

g

d λ电长度到B 点，则B 点的阻抗即为归一化负载数阻抗。

图4-2 用阻抗圆图求解负载阻抗

（二）驻波最小点的位置的确定

通常测量线探针至负载参考面有较长的一段距离，不能直接测出负载至第一个驻波最小点的距离min d ，需要采用间接的方法。其原理如图4-3所示。

图4-3 最小点偏移量min d 的确定

终端接短路片，将探针置于测量线终端短路时的驻波最小点位置1D ，设标尺刻度为1d ，

该点至短路面的距离为

2

g n λ。去掉短路片，接上待测器件，则驻波图形将发生变化，最小

点1D 将向信号源方向移动。向信号源方向移动测量线探针，找到邻近1D 的第一个驻波最小点位置2D ，设标尺刻度为2d ，则2D 距终端的距离为

212

g n d d λ+-

min 2121d D D d d =-=- （4-7）

（三）匹配技术

为了使负载与传输系统匹配，可以在负载与传输系统间加入调配元件。调节调配元件，使之产生一个附加反射，它与由于负载不匹配而产生的反射波大小相等，相位相反，互相抵消，从输入端看去没有反射。

调配元件种类很多，可以根据不同的场合和要求灵活选用。例如可以在系统中加入隔离器（主要用于源端匹配）、膜片、销钉等。也可以加入可移单螺钉、固定位置的多螺钉、支节线等。

以可移单螺调配器为例，说明调配原理。在一段开槽波导段上安装一个位置可调的螺钉，螺钉插入波导中，插入深度亦可调，就构成可移单螺钉调器。将其接在测量线与被调配负载之间，即可进行调配。

图4-7 调配原理图解

设系统终端负载的归一化导纳为L y ，在圆图上处于位置A 点，如图4-7所示，移动单螺钉的位置和插入深度，就是要找这样一个位置，在这个位置参考面上向负载端看入一输入导纳为1in y jB =±。在圆图上相当于从A 点沿等圆移动到等S 圆与1G =圆的交点B （或交点C ），（图上B 点导纳值1jB +，C 点导纳值为1jB -）在这个位置改变螺钉插入深度，相当于传输系统上并联一电纳jB μ，使与原来的jB ±相抵消。此参考面上总的导纳值为1。实现匹配。在圆图上相当于从B 或C 点点沿1G =的圆移动到原点。此时S=1达到了阻抗匹配的目的。

实际上，通常采用逐步减小驻波系数法进行调配。即先把测量线探针置于驻波波谷点处，配合调节单螺调配器的水平位置和螺钉插入深度，使指示器读数有所增大，并随时跟踪驻波波谷，看其是否增大，如此反复进行，直到驻波波谷值再不能增大为止。或把测量线探针置于驻波波腹点处，配合调节单螺调配器的水平位置和螺钉插入深度，使指示器读数有所减小，并随时跟踪驻波波腹，看其是否减小，如此反复进行，直到驻波波腹值再不能减小为止。然后测量其驻波系数，看其是否满足要求，如不满足要求继续上述方法进行调配。

三、实验内容

1、测量开口波导或任意负载的归一化阻抗。

（1）测量线调整至最佳输出状态，输出端接短路片，

①用谐振式频率计测量并记录工作频率

②用实验一方法计算波导波长g λ。

（2）在测量线中段取一驻波波节点位置D 1，设标尺刻度为d 1，置探针于位置D 1保持不动。 （3）取下短路片，使测量线输出端开口或接上任意负载。向信号源方向移动探针，找到与

1D 相邻的波节点位置2D （设标尺刻度为2d ）

，计算min 21d d d =-，即为从负载向信号源方向出现的第一个波节点的位置。

（4）用前直接法测量驻波系数。

（5）计算开口波导或任意负载的归一化阻抗

2、用双T 调配器或单螺调配器调配，了解双T 调配器的原理

用逐步减小驻波系数法，仔细调整可移单螺调配器的螺钉的位置和插入深度，用测量线检查驻波系数。（调配方法见（四）匹配技术的有关部分），例 1.05S <。

思考题：

1、测定min d 时，是否一定按本实验所述向信号源方向移动探针？如果向负载端移动

探针找驻波节点，应该如何处理。

2、波导终端短路时的阻抗值为零，而开口时的阻抗值为什么不为∞？