电磁波实验报告

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电磁场与微波技术

实验报告

院系：

班级：

姓名：

学号：

指导老师：

实验一线驻波比波长频率的测量

一、实验目的

1、熟练认识和了解微波测试系统的基本组成和工作原理。

2、掌握微波测试系统各组件的调整和使用方法。

3、掌握用交叉读数法测波导波长的过程。

二、实验用微波元件及设备简介

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α＝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(见图1)。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，纵向插入波导管即成(见图2)，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。

图 1 隔离器结构示意图图2 衰减其结构示意图

4．谐振式频率计（波长表）：

图3 a 谐振式频率计结构原理图一图3 b 谐振式频率计结构原理图二

1. 谐振腔腔体 1. 螺旋测微机构

2. 耦合孔 2. 可调短路活塞

3. 矩形波导 3. 圆柱谐振腔

4. 可调短路活塞 4. 耦合孔

5. 计数器 5. 矩形波导

6. 刻度

7. 刻度套筒

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。(图3a) 或从刻度套筒直接读出输入微波的频率(图3b)。两种结构方式都是以活塞在腔体中位移距离来确定电磁波的频率的，不同的是，图3a读取刻度的方法测试精度较高，通常可做到5×10－4，价格较低。而见图3b直读频率刻度，由于在频率刻度套筒加工受到限制，频率读取精度较低，一般只能做到3×10－3左右且价格较高。

5．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。

6．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。

7．微波源：提供所需微波信号，频率范围在8．6～9．6GHz内可调，工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。

8．选频放大器：用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，经整流平滑后由输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。

三、实验内容及过程

1.微波信号源的调整：

频率表在点频工作下，显示等幅波工作频率，在扫频工作下显示扫频工作频率，在教学下，此表黑屏。电压表显示体效应管的工作电压，常态时为12.00.5V，教学工作下可通过“电压调节钮”来调节。电流表显示体效应管的工作电流，正常情况小于500毫安。

2.测量线探针的调谐：

我们使用的是不调谐的探头，所以在使用中不必调谐，只是通过探头座锁紧螺钉可以将不调谐探头活动2mm。

3.用波长计测频率：

(1)在测量线终端接上全匹配负载。

(2)仔细微旋波长计的千分尺，边旋边观测指示器读数。由于波长计的q值非常

高，谐振曲线非常尖锐，千分尺上0.01mm的变化都可能导致失谐与谐振两种状态之间切换，因此，一定慢慢地仔细微旋千分尺。记下指示器读数为最小时（注意：如果检流指示器出现反向指示，按下其底部的按钮，读数即可）的千分尺读数并使波长计失谐。

(3)由读得的千分尺刻度可在该波长计的波长表频率刻度对照表上读得信号源的工作频率。

4.交叉读数法测量波导波长：

(1)检查系统连接的平稳，工作方式选择为方波调制，使信号源工作于最佳状态。

(2)用直读式频率计测量信号频率，并配合信号源上的频率调谐旋钮调整信号源的工作频率，使信号源的工作频率为9370MHz。

(3)测量线终端换接短路板，使系统处于短路状态。将测量线探针移至测量线的一端。

(4)按交叉读数法测量波导波长：测量三组数据，求平均值。

d01=(d11+d12)2 d02=(d21+d22)2

则得：λg=2|d02-d01|

5、测量

原理：驻波系数的测量是微波测量中最基本的测量。通过驻波系数测量不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、波导波长、相位移、衰减、Q 值

等其他参量。在微波能量的传输时，如果匹配不好，形成驻波，能量就不能有效地传给负载，这就增大了损耗。在大功率传输时，由于驻波的存在，驻波电场的最大点处可以产生击穿打火，因而驻波测量及匹配技术是十分重要的。

电压驻波比是传输线中电场最大值与最小值之比，表示为：

（1）

测量驻波比的方法很多，测量仪器也较多。本实验主要让同学们通过测量线法、等指示度法、功率衰减法测量一些负载的驻波比，掌握三种方法所适用的测量范围、测量原理、测量步骤。

1)小信号检波电流与电压：平方成正比，2

∝??→∝??→∝

I U U E E I

2)方法：左右移动测量线探针的位置找到、

3)实验仪器框图：

测得数据如下：=296mA、=8mA 所以得到=37

6、测量波导波长（）

1)原理：相邻波节（波腹）之间的距离为

2)方法：（等指示法或平均法）

测得数据如下：=103+30×0.02=103.6=113+25×0.02=113.5

=127+11×0.02=127.22 =134+46×0.02=134.92

可得=262.14-217.1=45.04

7、测f

1)原理：当信号源频率与频率计（谐振器）谐振频率相等时，频率计吸收信号最多。

2)方法：所有元件都固定不动，只缓慢旋转频率计的短路活塞，找到选频放大器最小的位置，此时频率计的频率即为信号源输出信号的频率。信号源的频率为9.78GHz，当旋转频率计的短路活塞至9.48GHz时，选频放大器上示数最小，为380mA。

四、实验心得

通过本次实验我了解了微波测试系统的基本组成和工作原理，掌握了微波测试系统各组件的调整和使用方法，我们采用直接法，方法比较简单，只是需要我们耐心读数而已。通过观察波形，记录数据，以及和组员的配合，我们顺利的完成了用交叉读数法测波导波长的过程，并得到了正确的数据。

实验二微波上下变频器的原理与测量

一、实验目的

1．了解微波变频模块的基本工作原理；

2．利用实验模块各指标的实际测量以了解变频器件的特性；

3．了解变频器件的电路构架；

二、实验原理

混频器通常被用于将不同频率的信号相乘，以便实现频率的变换。这样做的原因在于，要在众多密集分布、间隔很近的相邻信道中滤出特定的射频信号需要Q值极高的滤波器。

然而，如果能在通信系统中将射频信号的载波频率降低，或者说进行下变频，则上述任务就比较容易实现。图18-1是外差式接收机的电路原理框图，它也许是人们最熟悉的下变频系统。

图中接收到的射频信号经过低噪声前置放大器（LNA）放大后输入到混频器中，混频器实现输入射频信号f RF与本地振荡器（LO）信号f LO相乘。混频器的输出信号中含有的成分，经过低通滤波器可以滤出其中频率较低的所谓中频（IF）分量然后再进行后续处理。

图18-1 采用混频器的外差式接收机

混频器的两个重要组成部分是信号合成单元和信号检测单元。信号合成可以用90°（或180°）定向耦合器实现。信号检测单元中的非线性元件通常是采用一个二极管。以后我们也会看到，双二极管的反平行结构及四个二极管的双平衡结构也很常用。除了二极管以外，人们已经采用BJT和MESFET研制出了可以工作在X波段的低噪声、高频率混频器。

在详细讨论混频器的电路设计之前，我们先简要说明混频器为何能在输入端口接受两个信号并在输出端口产生多个频率分量。显然，一个线性的系统是不能实现这个任务的，我们必须采用诸如二极管、FET或BJT等非线性器件，它们可以产生丰富的谐波成分。图18-2是一个基本的系统框图，其中混频器与射频信号V RF（t）以及本振信号V LO（t）相连，本振信号也被称为泵浦信号。

图18-2 混频器的基本原理：用两个输入信号频率

在系统的输出端口产生新的信号频率

由图可见，输入电压信号与本振信号混合后施加在具有非线性传输特性的半导体器件

上，该器件可以输出电流驱动负载。二极管和BJT 都具有指数型传输特性，类似于肖特基二极管方程：

式（18-1）

然而，MESFET 的传输特性可近似为二次曲线：

式（18-2）

为了简化书写，我们省略了漏极电流和栅极-源极电压的下标。输入电压由射频信号V RF =V RF cos(ωRF t),本振信号V LO =V LO cos(ωLO t)以及偏置电压V Q 之和表示；即：

00cos()cos()Q RF RF L L V V V t V t ωω=++ 式（18-3）

此电压作用在非线性器件上所产生的电流响应可根据电压在Q 点附近的泰勒级数展开求得： 2222()(/)1/2(/)Q Q VQ VQ I V I V dI dV V d I dV I VA V B =+++=+++ 式（18-4）

其中常数A 和B 分别为（dIdV ）|VQ 和12 d 2IdV 2）|VQ 。忽略直流偏置V Q 和I Q ，并将式（18-3）代入式（18-4）可得：

{}{}

22220000()cos()cos()cos ()cos ()RF RF L L RF RF L L I V A V t V t B V t V t ωωωω=+++ 002cos()cos()RF L RF L BV V t t ωω++ 式（18-5）

根据三角恒等式cos 2(ωt)=（12）{1- cos(2ωt)}，上式中包含余玄平方的项可以展开为直流项以及包含和的项。关键的是式（18-5）式中的最后一项，它变为：

[][]{}000()cos ()cos ()RF L RF L RF L I V BV V t t ωωωω=+++- 式（18-6）

这个表达式清楚地表明，二极管或晶体管的非线性效应可以产生新的频率分量ωR F ±ωlo ，而且其幅度与V RF V LO 的乘积有关，其中B 是与器件有关的参数。

公式（18-6）只包含了泰勒级数展开式的前3项，因此只有2阶交调产物（）。其他高阶产物，如3阶交调产物（V 3C ）都被忽略了。二极管和BJT 中的这类高阶谐波项对混频器性能的影响极大。然而，如果采用具有二次曲线传输特性的FET ，则输出信号中将只有2阶交调产物。所以，FET 不容易产生有害的高阶交调产物。

三、实验步骤:

本实验箱包含了微波上变频模块以及微波下变频模块，其原理相同。这里仅以微波上变频模块为例进行测试。实验框图如图18-11:

图18-11 上变频模块测试图

变频器转换增益的测量:

1.将频谱分析仪中心频率设定为2017.5MH Z并校准频谱分析仪器。

2.测量时使用我们有源实验箱上调制模块输出信号作为中频信号，其频率为15MH Z，输出功率为4 dBm并接至电路IF端。将微波锁相源输出信号仿真一个本地振荡信号，其中心频率为2GHz，输出功率为12.5 dBm 并接至电路了L O端。

3.并利用频谱分析仪中之Mark 功能来测量混频器电路之RF端口输出功率及频率；利用转换损耗之定义将混频器之转换损耗计算出来，将测量结果纪录于表18-1 中。

4.通过微波锁相源拨码盘，依次调整L O信号输入的频率，从1970MH Z开始重复步骤2 与步骤3，直至L O信号输入的频率为2030 MH Z为止，并将测量结果记录于表18-1 中。

变频器端口隔离度的测量:

1.将频谱分析仪之参考电平、中心频率其分别设定为0 dBm、2017.5MH Z并校准频谱分析仪器。

2.将微波锁相源输出信号仿真一个本地振荡信号接于变频模块的IF输入端，设置频率为2000MH Z,功率为12.5 dBm。同时将模块的RF端接50Ω负载，而频谱仪的输入端接于模块的L O输出端来测量混频器之IF-L O隔离度，将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2000MHz，记录测量结果.

3.将微波锁相源输出信号接于变频模块的IF输入端，同时将模块的L O端接50Ω负载，而频谱仪的输入端接于模块的RF输出端来测量混频器之IF-RF 隔离度，将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2000MHz，记录测量结果.

4.将微波锁相源经过功率分配器输出信号接于变频模块的L O输入端，同时将模块的IF 端接50Ω负载，而频谱仪的输入端接于模块的RF输出端来测量混频器之L O-RF隔离度，将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2000MHz，记录测量结果.

四、实验结果：

LO输入1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

频率

（MHz)

973.8 986.8 993.5 1006.5 1013.1 1021.6 1032.5 RF输出

频率

(MHz）

--53 --56 --85 --83 --46 --45 --86

RF输出

功率

（dBm)

2 4 5 10 8 4 9

转换损

耗（dB)

五、实验心得

通过本次实验我了解了微波变频模块的基本工作原理，一步一步按步骤进行实验，利用实验模块各指标的实际测量得出一组数据，从而进一步了解了变频器件的特性并了解了变频器件的电路构架。通过此次实验，我更加深刻的领悟到了动手实践的重要性，所以课程实验不仅给了我们提高动手能力的机会，同时也是对所学知识的深刻理解。

实验三微波影音传输系统的搭建及调试

一、实验目的

1．掌握模拟微波通信系统的典型架构及应用；

2．了解各微波模块在通信系统中的位置和作用；

3．调试并理解模拟微波通信系统基本特性。

二、实验原理

(一)模拟微波通信系统的典型架构

微波通信技术问世已半个多世纪，它是在微波频段通过地面视距进行信息传播的一种无线通信手段。最初的微波通信系统都是模拟制式的，它与当时的同轴电缆载波传输系统同为通信网长途传输干线的重要传输手段，例如我国城市间的电视节目传输主要依靠的就是微波传输。模拟微波通信系统组成如图21-1所示。

影音

调制

模块微波接收系统

LNA PA 混频模块

ATT 微波发送系统PA PA

混频模块图21-1 模拟信号微波通信系统

(二)

微波发射机的重要指标：

1. 谐波抑制：

所谓谐波，是指与发射机输出信号有相干关系的信号。在频谱上反映为信号频率f 0的整数倍nf 0频率处的单根谱线(n=2,3,4,……)。谐波功率与载波功率之比称为谐波抑制。它反映了发射机抑制谐波的能力。显然我们希望该比值越小越好。

2. 杂散：

杂散是指和输出信号没有谐波关系的一些无用谱。在频谱上可能表现为若干对称边带，也可能表现为信号频率f0谱线旁存在的非谐波关系的离散单根谱线。这些谱线的幅度一般都高于噪声。杂散抑制就是指与载波频率成非谐波关系的离散频谱功率与载波功率之比。

谐波和杂散主要由发射机中的非线性元件产生，也有机内外干扰信号的影响。它们表征了信号输出谱的纯度。

3. IMD3：

通常，输出端口有用与无用功率（单位dBm ）之差被定义为以dB 为单位的交调失真，即

如图21-2所示，当频率为f1和f2的两个等幅信号同时加在放大器的输入端时，由于放大器非线性的影响，在输出端将出现互调失真的成份。其中f2±f1为二阶互调分量，而2f1±f2为三阶互调分量。除非是对于宽带的电路，一般我们不考虑二阶互调失真的影响。它是用来衡量接收系统抵抗内调变失真能力的参数。

图21-2 微波器件非线性产生邻道干扰

(三) 微波接收机的重要指标

1． 噪声系数：

由于放大器本身就有噪声，输出端的信噪比和输入端信噪比是不一样的，为此，使用噪声系数来衡量放大器本身的噪声水平，它的基本定义为：

在环境温度为标准室温（17℃）、一个网络（或收信机）输入与输出端在匹配的条件下，噪声系数NF 等于输入端的信噪比与输出端的信噪比的比值，记作 'o i 1N S //x i

x i i o i i o o i

i N N G N N G N G N G N S N S N S F +=?+?=?=?==

式（21-1） 式中Nx 是出现在放大器的输出端，由放大器内部产生的噪声。

由公式（21-1）可以看出，网络（或收信机）的噪声系数最小值为1（合0dB ）。NF=1，说明网络本身不产生热噪声，即=0，其输出端的噪声功率仅由输出端的噪声源所决定。

实际的收信机不可能NF=1，即NF>1。式（21-1）说明，接收机本身产生的热噪声功率越大，值越大。接收机本身的噪声功率要比输入端的噪声功率经放大后的值还要大很多，根据噪声系数的定义，可以说是衡量接收机热噪声性能的一项指标。

2． 镜频抑制：

为了说明镜频问题，我们可考察射频信号用给定本振信号进行下变频的情况。除了需要的信号外，我们再以IF 为间隔相对于LO 对称放置一个干扰信号（见图21-3）。射频信号的变换关系应为：

镜频信号的变换关系则为：

()IM LO LO IF LO IF ωωωωωω-=--=-

由于，所以这两个频率谱都移动到了相同的频段内，如图21-3所示。

图21-3 镜频映射问题

为了避免出现幅度可能大于射频信号的有害镜频信号，可以再混频器的前面增加所谓镜频滤波器来抑制镜频的影响，并提供有效的信号频谱隔离。更有效的措施是采用镜频抑制混频器。

3．邻频抑制：

通信接收机要求尽可能高的邻频抑制,因此不得不对中频滤波器的矩形系数有所要求4．本振泄露：

振泄露就是指泄露到输出口或输入口的本振信号，而本振是指“本机振荡”。

超外差式接收要将接收的讯号与接收机通过振荡电路产生的频率进行“混频”，产生固定的中频讯号进行放大，这个由接收机产生的振荡称为“本振”。

5．灵敏度：

接收机灵敏度是指在确保一定质量要求（如达到规定信噪比）的情况下，接收机输入端所需的最小信号强度。

6．动态范围：

微波接收机的动态范围是指接收机能正常接收的微波信号的功率范围，其上、下限由下述条件确定：

（1）信号太弱时，将被噪声所淹没，由此可取信号功率的下限；

（2）信号太强时，超过最大可允许的输入功率，接收机会出现饱和或过载。

通常我们希望接收机有较大动态范围。

三、实验内容

实验设备:

项次设备名称数量备注

1 微波有源实验箱1~2台两台实验箱分别做收发系统

2 微带天线2只微波无源箱

3 摄像头1个带麦克风和电源

4 电视机1台

5 射频线若干

6 视频线2根

7 SMA—有线电视插头转接线1根

8 频谱分析仪 1台

实验步骤:

(一) 两台实验箱的传输实验

压控振荡器

微波锁相源功分器低噪声放大器腔体滤波器数字调制与解调模块

微波下变频

模块功率放大器压控衰减器微波上变频

模块视频音频

调制模块压控振荡器微波锁相源功分器低噪声放大器腔体滤波器数字调制与解调模块

微波下变频

模块功率放大器压控衰减器微波上变频模块视频音频调制模块

语音

视频实验平台一

实验平台

二

1．如图所示，将发实验系统接好摄像头和微波调制器的发射支路。

2．将微波锁相源设定为1970MHz ，打开实验箱电源，测量微波发射频谱特性。

3．收实验系统将接收支路连接好，同样将微波锁相源设定为1970MHz ，打开电源，在

电视机上应能看到较大的调频雪花噪声颗粒。

4．对电视机进行调谐，调出图像信号。

四、实验心得

通过本次实验我掌握了模拟微波通信系统的典型架构及应用，了解了各微波模块在通信系统中的位置和作用。按照实验要求连接电路图，并对电视机进行调谐，最后在电视机上看到了图像，在这个过程中我理解了模拟微波通信系统基本特性。这个实验整体上比较简单，只需要我们严格按照原理图连接线路，基本就可以得到正确结果。所以这只是考察我们对原理图的理解，我们按照步骤做即可。

实验四 双分支定向耦合器的原理与设计

一、实验目的

1、了解双分支型定向耦合器的电路原理和设计方法；

2、学习ADS软件进行双分支型定向耦合器电路的设计仿真；

3.掌握双分支型定向耦合器的PCB制作及调试方法。

二、双分支型定向耦合器的技术指标

工作频率MHz

驻波比小于等于1.5

隔离度大于等于20dB

耦合度为6加减1dB

方向性大于等于20dB(方向性=隔离度-耦合度）

三．双分支型定向耦合器的工作原理

定向耦合器是一种有方向性的功率耦合元件，可用于监视功率，频率和频谱；对功率进行分配和合成；还可以进行测量反射系数和功率等。

定向耦合器是四端口网络结构，如下图所示：

四．实验内容及步骤

1、新建一个工程，在默认目录下取名为”coupler”(实验时自己取名）,并选择原理图中微带线的单位为mm。

2、在下拉菜单中选择无源器件“Passive Circuit DG-Microtrip Circuits”

3、在左边无源器件中选择耦合器“Blcplr”和重要的控键“MSUB”。

4、修改“MSUB”参数：基板厚度H=0.8mm,

相对介电常数Er=4.3，金属层厚度T=0.035mm。修改耦合器参数：频率F=2GHZ，

耦合度C=6dB

5、打开无源器件控制窗口，设置仿真的扫描频率“”MHZ，间隔为100kHZ ，点Simulate 开始仿真。

6、看仿真结果是否符合设计要求。

其中S11为驻波比（<1.5）S31为耦合度（6±1dB）S41为隔离度（>20dB）

7、点击耦合器，再点任务栏“向下的箭头”，可看到耦合器的内部结构。

8、删除四个端口，在下拉菜单中找到“Simulation-S_Param”，点“Term”图标表示的50欧标准阻抗接在四个端口，再接地。

9、版图仿真：选择任务栏”Layou”的第一项，在弹出的对话框中点“OK”得到版图。

10、根据版图中的尺寸制成PCB板。

五，实验心得

本次实验是一个软件实验，按照所给的实验步骤进行操作。在实验过程中，由于自己的

操作不当以及软件自身的一些问题，所以我们遇到了一些问题，通过询问助教以及与同学讨论，最终将问题顺利解决，并在实验最后得到了正确的结果。通过本次实验我了解了双分支型定向耦合器的电路原理和设计方法，学会了用ADS软件进行双分支型定向耦合器电路的设计仿真，收获很大。