实验三 波导波长(导内波长)的测量和驻波测量

实验三 波导波长（导内波长）的测量和驻波测量

一、实验目的和要求

应用所学理论知识，理解和掌握单模矩形波导短路情况下内部电场沿轴线的分布规律。学会利用微波测量系统测量波导内部导行波的相波长（波导波长或称导内波长λg ）。

驻波系数的测量是微波测量中最基本的测量。本实验要求学会利用测量线进行驻波测量。

二、实验内容

1．利用微波测量系统测量波导内部的波导波长λg 。

2．用直接法测量电容性、电感性膜片和匹配负载（BD20-7）等的驻波系数。 3．用等指示度法测量短路情况下（接上短路板）的大驻波系数。

三、实验原理

当矩形波导（单模传输TE 10模）终端（Z ＝0）短路时，将形成驻波状态。波导内部电场强度（参见图三之坐标系）表达式为：

Z a

X

E E E Y βπsin

sin 0）（＝＝

在波导宽面中线沿轴线方向开缝的剖面上，电场强度的幅度分布如图三所示。

将探针由缝中插入波导并沿轴向移动，即可检测电场强度的幅度沿轴线方向的分布状态（如波节点和波腹点的位置等）。

1． 测量波导波长（λg ）

将测量线终端短路后，波导内形成驻波状态。调探针位置旋钮至电压波节点处，选频放大器电流表表头指示值为零，测得两个相邻的电压波节点位置（读得对应的游标卡尺上的刻度值Z 1节和Z 2节），就可求得波导波长为：

2 21节节－＝Z Z P λ

由于在电压波节点附近，电场（及对应的晶体检波电流）非常小，导致测量线探针移动“足够长”的距离，选频放大器表头指针都在零处“不动”（实际上是眼睛未察觉出指针有微小移动或指针因惰性未移动），因而很难准确确定电压波节点位置，具体测法如下：

把小探针位置调至电压波节点附近，尽量加大选频放大器的灵敏度（减小衰减量），使波节点附近电流变化对位置非常敏感（即小探针位置稍有变化，选频放大器表头指示值就有明显变化）。记取同一电压波节点两侧电流值相同（I 0）时小探针所处的两个不同位置（Z 1左及Z 1右）（电流值越小越精确），则其平均值即为理论节点位置：

() 2

1

211右左节＝Z Z Z +

用相同的方法测得相邻电压波节点（Z 2节）处的Z 2左及Z 2右

() 2

1

222右左节＝Z Z Z +

最后可得 2 21节节－＝Z Z g λ（参见图四）

终端短路面

Y

b

Z

a

X

图 三

注意：① 测出一个电压波节点位置之后，将小探针向相邻波节点移动时，要随时加大选频放大器的衰减量，以防选频放大器电流表过载损坏！

② 为检验测量的准确性，可以应用理论公式进行验算：

2 1

2

??

? ??-a g λλ

λ＝

其中：f g /1038?＝λ，cm a 286.2＝

2． 测量电压驻波比（ρ）

驻波系数测量是微波测量中最基本的测量。通过驻波测量，不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、波长、相位移、衰减、Q 值等其它参量，传输线上存在驻波时，能量不能有效地传到负载，这就增加了损耗；大功率传输时，由于驻波的存在，驻波电场的最大点处可能产生击穿打火，因而驻波的测量以及调配是十分重要的。

根据驻波系数定义，可知ρ的取值范围为1≤ρ＜∞，通常按ρ的大小可分三类：

ρ＜3为小驻波比 ； 3≤ρ≤10为中驻波比 ； ρ＞10为大驻波比。 驻波系数的测量方法很多，有测量线法、反射计法、电桥法和谐振法等，用测量线进行驻波系数测量的主要方法及应用条件由表Ⅰ列出：

Z I

I 0

0 Z 2节

Z 1节 Z 1左

Z 1右

Z 2左

Z 2右

Z 腹

图 四

表Ⅰ 用测量线测驻波系数的方法及应用条件

这里我们将介绍用测量线测量驻波比的直接法和等指示度法。

（1）直接法：测试方框如图1。在测量线的端口连接待测的微波元器件。将测量线探头沿线移动，测出相应各点的驻波场强分布，找到驻波电场的最大点与最小点，直接代入公式（3）就可以得到其驻波比。如测量线上的晶体检波律

为n ，则：n

a a 1min max ???

?

??＝ρ a 为输出电表指示。

通常在实验室条件下检波功率电平较小，可以认为基本特性为平方律，即n ＝2，有

2

1min max ???

?

??a a ＝ρ 为提高测量精度，必须尽量使电表指针偏在满刻度

2

1

以上。当驻波系数在1.05＜ρ＜1.5时，由于驻波场的最大与最小值相差不大，且变化不尖锐，不易测准。为提高测量准确度，可移动探针到几个波腹与波节点，记录数据，然后取其平均值。

直接法的测试范围受限于晶体的噪声电平及平方律检波范围。

本实验中使用的选频放大器已近似按平方律检波的规律，直接标出驻波比小于10的刻度，可读出驻波比值。方法是：测量线滑座调到波腹点，调节选频放大器的衰减旋钮，使表头指示值到满刻度。然后调节测量线滑座至波节点（即指示最小值）。此时选频放大器驻波比刻度的值即为负载的驻波比。如驻波比＞4，则“分贝”开关增加10dB ，读下刻度3.2～10的刻度值。

（2）等指示度法（二倍最小法）：当被测器件的驻波系数大于10时，由于驻波最大与最小处的电压相差很大，若在驻波最小点处使晶体输出的指示电表上

得到明显的偏转，那么在驻波最大点时由于电压较大，往往使晶体的检波特性偏离平方律，这样用直接法测量就会引入很大的误差。

等指示度法是通过测量驻波图形在最小点附近场强的分布规律，从而计算出驻波系数，如图五所示。若最小点处的电表指示为Z ，在最小点两边取等指示点

1a ，两等指示度点之间的距离为W ，有min 1Ka a ＝，设晶体检波律为n ，由驻波场的分布公式可以推出：

g

W g

W

K n λπλπρ2

2

/2sin cos －＝

(1)

通常取K ＝2（二倍最小法），且设n ＝2，有

???

? ?

?+

g

W λπρ2sin 1

1＝ (2)

m i Ka

min a

D

图五 最小点附近场分布

当ρ＞10时，上式可简化为 W

g

πλρ≈

………………………… （3） 只要测出波导波长及相应于两倍最小点读数的两点Z 1节、Z 2节之间的距离W ，代入（3）式，即可求出驻波比ρ。

可以看到，驻波系数ρ越大，g W λ/的值就愈小，因而，宽度W 和波导波长g λ的测量精度对测量结果的影响很大，特别是在大驻波比时，须要用高精度的位置指示装置如千分表，测量线探针移动时应尽可能朝一个方向，不要来回晃动，以免测量线齿轮间隙的“回差”影响精度，在测量驻波最小点位置时，为减小误差，亦必须采用“交叉读数法”。

Z 1节 Z min Z 2节

3．BD20-7匹配负载S≤1.05

BD20-7匹配负载在一个终端短路的波导中沿电场方向，即波导的轴线位置有一劈形的镀镍铬的玻璃吸收片。吸收片相对于法兰的距离是固定的。

四、实验步骤

1．用直接法测量驻波比小于10的负载的驻波比。

在测量线的输出端分别接上①容性膜片＋匹配负载S≈1.3

②感性膜片＋匹配负载S≈1.9

③N8探头（功率计附件）S≤1.6

④匹配负载S≤1.05

1.1按实验一连接微波测试系统。在测量线的输出端接上容性膜片+匹配负载。1.2接通信号源电源，工作状态置“”方波工作方式。选频放大器的输入电缆接测量线Q9插座，接通选频放大器电源。按实验一要求调整微波测试系统。

1.3调节测量线调谐活塞，使选频放大器指示最大。调节“衰减”旋钮，使指针位于满度（1000）处。移动测量线滑座，找到波节点。在选频放大器的第二根曲线上直读出电容膜片插入的驻波比。例：S＝1.35。

实验者可移动测量滑座找不同的波腹点、波节点，并读出驻波比。

1.4用上述方法分别测出感性膜片、N8探头和匹配负载等的驻波比。

注：在拆负载前，请将信号源工作状态置于“外整步”，装好后再置“”方波状态。

2．波导波长（λg）的测量

2.1在测量线的输出端接上短路板。

2.2信号源置于“”方波状态，并记下此时信号源工作频率。例?＝10.00GHz。

2.3由于测量线终端接短路片，波导内形成驻波状态。移动测量线到波节点附近。

注意：再按实验原理中的有关讲解，用“平均值法“测得有关数据（或经计算）填入下表：

3．大驻波比的测量（等指示度法）

3.1在测量线输出端，接上短路板，移动位置，顶上千分表。

3.2再按实验原理中的有关介绍。通过千分表，用交叉读数法，求得W 值。根据上步实验得出的λg 。

通过公式：W

g

πλρ

＝可算求大驻波比。 例：波节点时选频放大器指示为100，则2002min min ＝＝a Ka 。测得W 。 提示：可通过增大选频放大器的灵敏度（减小衰减量），同时可适当增大信号源的输出功率（“衰减调节“旋钮逆时针转动），使波节点指示增大。

注：先从一个方向移动测量线滑座到选频放大器指示在200，记下千分表刻度1l ，例千分表外环指针指在49。同一方向移动测量线滑座到选频放大器指示减小到100，再同方向移动测量线滑座到选频放大器指示又在200时，记下千分表刻度2l 。例千分表外环指针指在56，则mm l l W 07.0 49.0 56.0 12＝－＝－＝。工作频率＝10.00GHz ，测得λg ＝39.8mm ，计算

181 007

14.38

.39 ＝＝＝?W g πλρ

思考题：

1．驻波比的定义是什么？

2．表达反射系数、驻波比和行波系数三者之间的关系。 3．反射系数、驻波比和行波系数反映负载与传输线的什么关系？