《微波技术与天线》
《微波技术与天线》实验指导书
廖欣编
信息与通信学院
电子科学与技术系系
电子科学与技术
20201212年3月
目录
实验守则2实验一、导行电磁波的观测与电压驻波比测量4实验二、二端口微波网络散射参数的测量与阻抗匹配10实验三、天线增益的测量15
实验守则
一、微波技术与天线的实验目的
微波技术与天线的实验的目的是学习微波、天线理论与技术的重要环节之一，通过实验，学习常用微波参量和天线基本参量的测量方法和技能；加深对微波和天线理论的理解，以培养分析、解决实际问题的能力；学会微波测量中常用仪器和元件（如微波信号源、测量线、频率计、功率计等各种微波元件）及有关检波指示电路等调节与使用，进一步学习并提高基本实验技术（正确的操作和观察、数据处理、绘制曲线、写实验报告等）；培养科学的工作态度和严密、严格以及实事求是的工
作作风。
二、微波实验各个环节的要求
１．预习
预习是实验的一个重要环节，在每次实验之前，必须认真阅读实验实验指导书及教材中的有关内容，明确实验目的、要求、内容和原理；在此基础上做好实验前必要的准备工作，写好预习报告（即实验报告内容中①、②），做好实验前准备工作（如画好实验记录表格，计划好实验步骤等）。
未预习者不得上机操作。
2．实验
实验开始时要注意正确连接线路，并经实验指导老师检查后方可开始实验。
实验过程中要集中精力，要胆大心细。坚持科学态度，发现数据不合理时，应及时分析原因，必要时重测，切不可擅自修改数据。
实验完毕，将原始数据交指导老师检查，经允许后方可拆除系统。
3．实验报告
实验报告的一般内容为：
①目的要求；
②原理简述、线路（或方框图），包含主要仪器的型号、规格等；
③数据处理，包括原始数据、运算结果与误差分析，数据应尽可能整理成表格形式；
④曲线图；
⑤问题讨论、心得体会及建议等。
4．人身安全
实验中有些电子仪器带有高压，因此必须注意下列事项：
①实验者双手要保持干燥，鞋子要有一定绝缘性能；
②不要用手（或身体其它部位）触及带电部分；
③不准擅自打开机壳或盖板；
④一旦发生事故，要立即切断电源，采取应急措施并及时报告。
5．仪器设备
微波仪器设备和元器件价格昂贵，在使用中要多加爱护。
①使用仪器前必须了解其规格、量程和操作规程，不熟悉其性能和使用方法时，不准使用。
要注意不能随便玩弄和扳动仪表上的各种开关。
②挪动元器件时要轻拿轻放，不要用手接触其内表面。在调节可调元、部件（如波长计、测量线、可变衰减器等）和连接测试系统时，要平稳可靠，切不可强扭硬拧。
③仪器工作时必须有人在场。实验中随时（尤其是开机时）要注意各种仪表上的指示器及其易损部分有无异常现象，一旦发现应立即切断电源，保持现场并迅速报告。
凡由于违反操作规则损坏元器件者，该项实验成绩为不及格，并按规定赔偿经济损失。
6．注意维护实验场地的清洁
实验结束后，协同搞好卫生方可离开实验室。
实验一、导行电磁波的观测与电压驻波比测量
一、实验目的
1．熟悉波导测量线的使用方法；
2．观测矩形波导终端三种状态（短路、接任意负载、匹配）时，TE 10波的电场分量沿轴向上的分布；
3．掌握直接法测量电压驻波比。
二、实验原理
1．传输线中的三种状态
对于均匀无耗传输线，其工作状态分为三种：行波、驻波状态和行驻波状态。对于波导系统，其电场的基本解为
z
j rm z j r e E e a b r V E ββ??==)
/ln(0
（1）当终端接短路负载时，导行波在终端全反射——纯驻波状态。
z
j y z j y y y y e x a
E e x a E E E E ββππ+??
+?=+=)sin()sin(00在2
a
x =
处z
E e e E E y z j z j y y βββsin 2)(00?=+=+?其模值为：z E E y y βsin 20=最大值和最小值分别为：
0max
2y y E E =0
min
=y
E （2）当终端接任意负载时，导行波在终端部分被反射——行驻波状态。
z j y z j y y e x a
E e x a E E ββππ)sin(
)sin('
00+=?在2
a x =处
z
E e E E e E e E e E e E e E e E E y z j y y z
j y z j y z j y z j y z j y z j y y ββββββββcos 2)()()()'
0'00'0'0'00'00+?=++?=+=?????+?由此可见，与同轴系统一样，行驻波由一行波与一驻波合成而得。其模值为：
()
z
E E z E E
E y y y y y ββsin )(cos 2
'0022
'00?++=
其最大值和最小值分别为：
'
0max
y y y E E E +='0
0min
y y y
E E E ?=（3）当终端接匹配负载时，导行波仅有入射波而无反射波——行波状态。
z
j y y e E E β?=0其模值为：0
y y E E =由上述理论分析可知，在测量线的终端分别接上短路器、任意负载和匹配负载时，移动探针位置，都可以观测到测量线中不同位置的电场强度（复振幅大小）对应的电流指示读数。
2．直接法测量电压驻波比
驻波测量是微波测量中最基本和最重要内容之一。电压驻波比是传输线中电场最大值和最小值之比，表示为：
min
max E E =
ρ（1-1）
测量驻波比的方法有直接法，等指示度法和功率衰减法。
根据式（1-1）直接求出电压驻波比的方法称为直接法。该方法适用于测量中、小电压驻波比。
如晶体管为平方律检波，可直接测驻波波腹点和节点的电流值，式（1-1）成为：
min
max I I =
ρ（1-2）
3．测量线的原理和使用（1）测量线的工作原理
测量线由探针、谐振活塞、开槽波导（或开槽传输线段）和读数装置等几部分组成（见图1-1）。探针在开槽线中与电场耦合，吸收电磁波的功率，并由检波二极管将吸收的功率转为直流电流；调节谐振活塞主要是为了消除探针的反射影响，避免系统在匹配的条件下，驻波波腹点的位置发生偏移。
由于测量线中的检波二极管将探针吸收的电磁波功率变为了直流电流，电流表读数I 是探针所在处|E |对应的检波电流。任一位置处|E |与I 的对应关系由检波晶体二极管的检波特性而定，一般，这种关系可通过对二极管的定标来确定。在我们实验中所使用的功率电平范围内（小信号时），一般可近似地认为是平方律检波，即：
'
C I
E =
（1-3）
式（1-1）中，C′为比例系数。
采用归一化表示为：I E ='（1-4）
（2）测量线的调整
使用测量线以前，必须进行调整，其方法如下：
①开启信号源，测量系统应短路，将探针移至波腹点上，调节探针的调谐活塞，直至输出指示（电流表）读数最大，此时p b 已达到最小。
②调节探针插入深度，同时调整调谐活塞，使指示器读数最大，且达到电流表满刻度的2/3量程以上。
③调整时应注意，在信号源有足够输出和检波指示器有足够灵敏度的条件下，应尽量取较小的探针插入深度；同时，还应注意，当信号源的频率或探针插入深度改变时，必须重新对探针进行调整。
三、实验仪器及线路图
实验仪器和线路连接如图1-2所示。
四、实验内容与步骤
1．调整测量线
①按图1-2连接实验线路图（测量线接短路器）。开启信号源。②调节探针位置，使指示器读数为最大（此时探针位于波腹点）。
③调节探针插入深度，同时调整调谐活塞，使指示器读数最大，且达到满刻度的2/3量程以上。2．测量波长
用交叉读数法测量波导波长g λ，如图1-3所示。
3．测绘终端三种负载时|E ′|的分布
①测量线终端接短路器：在大约1.5个波长范围内，每半个波长范围取大约10个点，依次将探针移到这些位置上并读取测量线标尺刻度i D 与相应的指示器读数
i I
；
②测量线终端接任意负载，重复步骤①；③测量线终端接匹配负载，重复步骤①。4．电压驻波比的测量
用直接法测量电压驻波比。将探针移动到驻波腹点和节点，记录指示器读数。
由式（1-2）计算电压驻波比。
五、数据处理与表格
1．波导波长g λ的计算
（1）数据记录表格
实验中的测试数据和计算结果记录可以参考表1-1。
表1-1交叉读数法测量波导波长数据记录表格波节点1的位置
波节点2的位置
波节点3的位置
λg1λg2g
λD 'min1D'min2D 'min3D ''min1D ''min2D ''min3D min1
D min2
D min3
（2）波导波长λg 的计算
)
()(22
2
''2min '2min ''1min '1min '
'2min '2min ''1min '1min 1D D D D D D D D g +?+=×??+=λ；)
()(22
2''3min '3min ''2min '2min ''3min '3min ''2min '2min 2D D D D D D D D g +?+=×??+=λ；2
2
1g g g λλλ+=
。2．测绘'E 分布
（1）数据记录表格
①将实验中在1.5个波长内测得的i I 和对应的i D 进行记录，由式（1-2）分别计算出对应的i
E '值。
数据和计算结果记录可以参考表1-2。
表1-2传输线三种状态场强分布数据表格
终端接测量点1
2
3
…
29
30
标尺读数D i 电流表指示I i 归一化场强'
E
(2)绘制传输线三种状态的'E分布曲线
根据计算结果，以d为横坐标、归一化场强'E为纵坐标，在坐标纸上分别绘制传输线三种状态的'E分布曲线。
六、思考题
1.传输线终端分别接何种负载时，会形成驻波、行驻波和行波？它们各有什么特点？
2．当传输线分别为波导或同轴线时，其电场分布各有什么不同？为什么？
实验二二端口微波网络散射参数的测量与阻抗匹配
一、实验目的
1．掌握用三点法测量任意无源二端口可逆网络散射参数；2．掌握利用阻抗调配器进行阻抗匹配的方法和技巧。
二、实验原理
1．二端口微波网络的散射参数
在各种微波网络中，二端口微波网络是最基本的。例如：衰减器、移相器、阻抗变换器和滤波器等均属于二端口微波网络，这些网络的特点是输出功率比输入功率小，所以称为无源网络。
表征二端口微波网络特性的参量可以分为两大类：
一为反映网络参考面上电压与电流之间关系的参量（如图2-1（a ）所示）；一为反映网络参考面上入射波电压与反射波电压之间关系的参量（如图2-1（b ）所示）。
测量无源网络的参量，有很多的方法，并且有多种表达形式，如阻抗［Z ］参量、导纳［Y ］参量、散射［S ］参量等。微波频段通常采用［S ］参量，它可以比较容易用实验方法测量出来，并且可以通过相关的公式换算成其它的参量。
在图2-1（b ）中，二端口网络参考面（T 1和T 2面）上的归一化入射波电压和归一化反射波电压应用叠加原理，可以用两个参考面上的入射波电压来表示两个参考面上的反射波电压，就得到散射参量（［S ］参量）。其网络方程为
???+=+=22212122121111~~~~
~~i i r i i r U S U S U U S U S U 或：??
?
???????
??=??????212221
1211
21~~~~
i i r r U U S S S S U U （2-1）
12
1
2
T
式中，各参数的定义如下：
~
11112~~==i U i r U U S ，表示T 2面接匹配负载时，T 1面上的电压反射系数；0
~
21121
~~==i U i r U U S ，表示T 1面接匹配负载时，T 2面至T 1面的电压传输系数；0
~
12212~~==i U i r U U S ，表示T 2面接匹配负载时，T 1面至T 2面的电压传输系数；，表示T 1面接匹配负载时，T 2面上的电压反射系数。对于多端口网络，可以按上述方法同样定义。一般情况下，二端口网络的网络参量均有四个独立参量，但当网络具有某种特性（如对称性或可逆性等）时，网络的独立参量个数将会减少，如微波网络为可逆网络具有互易特性，有：S 12=S 21，则仅有三个独立参数。
2．实验原理
测量微波网络[S]参量的方法很多，本实验主要介绍三点法测量任意二端口微波网络散射参量。
三点法是将待测网络的输出面依次短路（反射系数为－1）、开路（反射系数为1）和接匹配负载（反射系数为0），并在输入端面依次测量反射系数的方法。然后根据测量得到的数据代入如下公式计算得出［S ］参量：
S 11＝Γ1L
（2-2）S O L
S O
S 11111222)(Γ?ΓΓ?Γ+Γ=（2-3）
S
L S
O S O L S S S 11111112211122)(Γ?ΓΓΓ?Γ+ΓΓ+
=（2-4）
式（2-2）、（2-3）、（2-4）中，Γ1O 对应短路点的反射系数；Γ1S 对应开路点的反射系数；Γ1L 对应接匹配负载时的反射系数。
由此可见，对被测网络得参考面T 2短路、开路、接匹配负载三种状态下测量参考面T1处得归一化阻抗，通过（2-2）、（2-3）、（2-4）三式，即可计算得到被测网络的三个未知散射参数S 11、S 12、S 22，这种测量方法就是所说的“三点法”。2．阻抗匹配
阻抗匹配的含义是使微波系统沿线没有反射，它包括对波源的匹配和对负载的匹配。调配的方法也很多，本实验利用E-H 双T 接头构成的双T 调配器（波导系统）
~
2
2221~
~==i U i r U U S
和三枝节调配器（同轴系统）对负载进行调配。
调配过程的物理意义是：调节调配器，使它产生一个反射波，抵消“失配负载”在系统中引起的反射。
双T调配器的H臂和E臂内，三枝节调配器的每一个臂内，都装有可调短路器和短路活塞，改变活塞在臂中的位置，即可改变接头处的电抗值。调节这些臂的短路活塞的位置，可以对除纯电抗负载外的任意失配负载阻抗进行调配。
三、线路连接图
1．散射参数测量
实验仪器和线路连接如图2-3所示。
2．阻抗调配
实验仪器和线路连接如图3-4所示。
四、实验步骤
1．测量线调整
按图3-3连接测量线路，开启信号源并调整好测量系统；
2．确定等效面位置
移动探针位置，确定并记录离负载最近的驻波波节点位置D
；
3．波长测量
（1）换下短路负载，接可变短路器，保持探针位于D T 处，调节可变短路器，使指示器读数为0，记下可变短路器活塞位置d min1；
（2）继续调节可变短路器，使指示器读数再次为0，记下该可变短路器活塞位置
d min2；
（3）计算波长波长λg ；
4．反射系数的测量
（1）将待测微波二端口网络接入线路中；
（2）在微波二端口网络后接匹配负载，按照微波阻抗的测量方法测量出匹配时的归一化阻抗Γ1L ；
（3）在微波二端口网络后接可变短路器，将可变短路器活塞置于d min1处，测量出短路时的反射系数Γ1S ；
（4）继续调整可变短路器，将活塞置于)(2
12min 1min d d +处，测量出开路时的反射系
数Γ1O 。
5．阻抗匹配
按图3-4连接测量线路，用最小点跟踪法进行调配（在调配过程中始终跟踪最小点的变化），使驻波比S ≤1.1。
五、数据表格
1．阻抗测量
实验中的测试数据和计算结果记录可以参考表3-1。
表3-1微波二端口网络阻抗参量测量数据表格
D T =
d min1=d min2=I min
I max
ρ
Γ
匹配短路开路
T
min
min
2．阻抗匹配
匹配前驻波比S=
匹配后驻波比'S=
实验三天线增益的测量
一、实验目的
初步掌握应用比较法测量喇叭天线的增益。
二、实验原理
1．天线增益G 的定义及物理意义
①天线增益的定义：D G η=②天线增益的物理意义由天线基本理论已知：
r
GP r P G r DP E in in 606060max ==Σ=
η对于有方向性天线：
r
GP E in 60max =
对于理想无方向性天线，由于G =1，则：
r
P E
in ''max
60=
可得：'
max
max 'E E in
in
P P G ==
可见，要在同一接收点达到同样的辐射场强，有方向性天线所需要的输入功率
P in 只需理想无方向性天线的输入功率'
in P 的1/G 。也就是说，某天线的增益G 表征
了该天线在最大辐射方向上与理想无方向性天线相比，所需提高的输入功率的倍数。2．实验原理
增益的物理意义就包含了一个比较的意义，比较法就是基于这个思想的。标准天线为增益已知天线，被测天线与标准天线依次同接于一处发射。保证在最大辐射方向上同一接收点接收场强大小不变，用可变衰减器改变发射天线的输入功率，衰减量之差即是被测天线的增益。
三、实验线路
实验线路如图3-1。
注：图中的指示器为50μA 电表。
四、实验步骤
实验时应注意：按口径尺寸估计被测天线与标准天线的增益，把增益低的天线接至发射端。
1．将收、发天线等高架设，开启微波信号源；
2．对测量线探针座的谐振腔进行调谐，使指示器“1”的读数为最大；调节探针深度，使指示器“1”有适当读数；3．用波长计测定信号源的工作波长；
4．将增益低的天线接在发射端，用调配器进行阻抗调配，使发射信道呈匹配状态（要求其驻波比不大于1.2），记录电压波腹点及波节点时，指示器“1”的读数1max I 和1min I ；5.将发射天线与接收天线互相对准；
6．对接收端的晶体检波器进行调谐，使指示器“2”的读数尽可能大；
7．调节衰减器的衰减量，使指示器有一个恰当的读数，记录衰减器上的刻度值1A 和指示器“2”的读数D ；
9．取下增益小的天线，换上增益大的天线；
10．重复步骤4，并记录指示器“1”的读数2max I 和2min I 。
11．在接收端调节衰减器的衰减量，使指示器“2”的读数仍为D ，并读取衰减器的刻度值，记为2A 。
12．重复步骤4、5、6、7、8、9、10、11两遍，共计进行三次测量，并记录有关数据。
13．取三次测量的结果的算术平均值作为最后的测量结果。
五、测量结果的计算公式
设被测天线的增益为1G ，标准天线的增益为)(202dB G =，则：
)
(21dB B A G G ?+?+=（3-1）
式（3-1）中，)
()
(21dB A A A ?=?B ?的计算如下：
由传输线基本理论给出线上的传输功率为：
min
max min max 221Z U U U I P ==其中，0Z 为传输线的特性阻抗；max U 为线上波腹点的电压值；min U 为线上波节点的电压值。
对应于被测天线时，有：01
min 1max 12Z U U P =对应于标准天线时，有：
02
min 2max 22Z U U P =因此，可得：
)
(lg 101min 1max 2
min 2max 1
2dB U U U
U P P B ==?设晶体按平方律检波，则得：1
min 1max 2
min 2max lg 5I I I
I B =?六、数据表格
工作频率f ：工作波长λ：
被测喇叭口面尺寸（长宽）：标准喇叭口面尺寸（长宽）：
天线架设高度（由地面至喇叭口面中心）：测试距离（发射喇叭口面至接收喇叭口面间距）：
测量次数指示
器“2”
的读数
D
精密衰减器读数指示器“1”的读数（μA）
ΔAΔBΔC 标准天线发
射时
被测天线发
射时
标准天线
发射时
被测天线
发射时
2
max
I
2
min
I
1
max
I
1
min
I
1刻度：刻度：
A2=（dB）A1=（dB）2刻度：刻度：
A2=（dB）A1=（dB）3刻度：刻度：
A2=（dB）A1=（dB）