北理工微波实验报告讲解

实验一一般微波测试系统的调试一、实验目的1．了解一般微波测试系统的组成及其主要元、器件的作用，初步掌握它们的调整方法。

2．掌握频率、波导波长和驻波比的测量方法。

3．掌握晶体校正曲线的绘制方法。

二、实验装置与实验原理常用的一般微波测试系统如1-1所示（示意图）。

微波信号源隔离器可变衰减器频率计精密衰减器测量线终端负载测量放大器图1-1本实验是由矩形波导（3厘米波段，10TE模）组成的微波测试系统。

其中，微波信号源（固态源或反射式速调管振荡器）产生一个受到（方波）调制的微波高频振荡，其可调频率范围约为7.5~12.4GHz。

隔离器的构成是：在一小段波导内放有一个表面涂有吸收材料的铁氧体薄片，并外加一个恒定磁场使之磁化，从而对不同方向传输的微波信号产生了不同的磁导率，导致向正方向（终端负载方向）传播的波衰减很小，而反向（向信号源）传播的波则衰减很大，此即所谓的隔离作用，它使信号源能较稳定地工作。

频率计实际上就是一个可调的圆柱形谐振腔，其底部有孔（或缝隙）与波导相通。

在失谐状态下它从波导内吸收的能量很小，对系统影响不大；当调到与微波信号源地频率一致（谐振）时，腔中的场最强，从波导（主传输线）内吸收的能量也较多，从而使测量放大器的指示数从某一值突然降到某一最低值，如图1－2(a)所示。

此时即可从频率计的刻度上读出信号源的频率。

从图1-1可知，腔与波导（主传输线）只有一个耦合元件（孔），形成主传输线的分路，这种连接方式称为吸收式（或称反应式）连接方法。

另一种是，腔与主传输线有两个耦合器件，并把腔串接于主传输线中，谐振时腔中的场最强，输出的能量也较多，因而测量放大器的指示也最大，如图1-2(b)所示。

这种连接方法称为通过式连接法。

在实际中无论哪种连接方式，当不测频率时，为了不影响其它实验项目的观测，应把腔调到失谐状态。

可变衰减器也是由一小段波导构成的，其中放有一表面涂有损耗性材料，并与波导窄壁平行放置的薄介质片。

介质片越靠近波导中心处，衰减越大，反之，衰减越小。

利用可变衰减器可以连续地改变信号源传向负载方向功率的大小；另外，如同隔离器一样，可变衰减器也具有一定的隔离作用。

测量线是一段在其宽壁中心线开有一窄缝隙的矩形波导，与其配套的还有一个装有微波范围内用的晶体二极管检波器及同轴线调谐式探针座。

探针从缝隙插入波导后，送入测量（选频）放大器，通过该放大器表头的读数，即可进行各实验项目的测量工作。

系统的最后部分是终端负载，它是被测试的某一微波元、器件，也可以是匹配负载、短路片或短路活塞等。

If IfO Ofr fr图1-2(a)(b)需要指出的是，由于微波信号源产生的等幅高频振荡很微弱，若对其直接进行检波，则检波器输出的直流分量也是很微弱的，用一般仪表难以对其进行观测。

因此为了提高测试灵敏度，以便于观测，通常用一方波（重复频率1000Hz）对高频振荡进行幅度调制（也有用脉冲或其它波调制的）。

经调制后的高频振荡通过检波后输出的是其包络，对包络中的基频（1000Hz）加以放大后再经检波，取出其直流分量加于测量放大器的指示表头，读数就方便了。

三、实验内容1．首先按图1-1所示将测量系统安装好，然后接通电源和测量仪器的有关开关，观察微波信号源有无输出指示。

若有指示，当改变衰减量或移动测量线探针的位置时，测量放大器的表头指示会有起伏的变化，这说明系统已在工作了。

但这并不一定是最佳工作状态。

例如，若是反射式速调管信号源的话还应把它调到输出功率最大的振荡模式（如n=2，参见附录），并结合调节信号源处的短路活塞，以使能量更有效地传向负载。

若有必要，还可以调节测量线探头座内的短路活塞，以获得较高地灵敏度，或者调节测量线探针伸入波导的程度，以便较好地拾取信号地能量（注意，伸入太多会影响波导内的场分布）。

对于其它微波信号源也应根据说明书调到最佳状态。

有时信号源无输出，但测量放大器也有一定指示。

这可能是热噪声或其它杂散场的影响；若信号源有输出，但测量放大器的指示不稳定或者当测量线探针移动时，其指示不变，均属不正常情况，应检查原因，使之正常工作。

系统正常工作时，可调节测量放大器的有关旋钮或可变衰减器的衰减量（衰减量不能为零，否则会烧坏晶体二极管），使测量放大器的指示便于读数。

2．测量微波信号源的频率和波导波长。

测量信号源的频率调节旋钮，可使频率在7.5~12.4GHz 的范围内变化。

选取该范围内的某个频率，用频率计测出它的频率，并用测量线测出该频率的波导波长g λ。

在测g λ时应将系统终端短路（例如用金属短路板或短路活塞），则系统呈纯驻波状态（理论上），其场强的幅度分布如图1-3所示。

当测量线的探针处于1z 和2z 位置时，测量放大器的指示为最小（理论上为零），Ez 2d 4d 3d 2d 1z 1z图1-3此时从测量线的刻度上即可求出波导波长122z z g -=λ。

在实际测量中，由于受设备的精度、灵敏度的限制，以及其它因素的影响，很难精确地确定1z 和2z 的位置。

为提高测试精度，可采用“平均法”测定它们的位置，如图1-3所示。

为了确定1z ，使在1z 两侧（尽量地靠近1z ）的1d 和2d 处测量放大器有相同的指示数，则2/)(211d d z +=，同理可得2/)(432d d z +=。

这比直接去测1z 和2z 要精确些。

3．绘制晶体矫正曲线需要指出的是，当用测量线测定微波系统（波导）内场强幅度的分布规律时，测量放大器的指示值并不直接表示高频信号的场强值，而是通过晶体二极管检波后的电流值。

我们已知传输系统的驻波s 为：min max min max //U U E E s ==由于晶体二极管为一非线性器件（如图1-4(a)所示），因此就不能用测量放大器的读数直接套用上面的公式求出驻波比s 。

为了求出s ，应作出晶体管的输入电压U （它与探针拾取的场强幅值成正比）与检波电流的关系曲线（如图1-4(b)所示），称为晶体校正曲线。

IIUE(a)(b)图1-4此曲线中的电流虽然是从测量放大器中读出的值，但它对应的U 值（或E ），此时并非加于晶体二极管上的电压值，而是通过测量于计算求出的与场强幅值成正比例的“等效”的电压值。

有了校正缺陷，当探针在场强幅值最大值时，测量放大器有一读数max I ，探针在场强幅值最小处时，有一读数min I ，从校正曲线中查出max I 和min I ，分别对应的maxU （max E ）和minU（min E ），则驻波比s 为：minmaxmin max E E U U s ==为了作出晶体校正曲线，需将系统终端短路，形成纯驻波状态。

如图1-5所示。

B AzE图1-5场强E 的幅度E 可表示为：z E z E E gλπβ2sinsin max max ==为了求出场强幅值与检波电流I 之间的关系（晶体校正曲线），就要利用这个公式计算场强值（也即校正曲线中的U ）。

在7.5~12.4GHz 范围内选定某一频率，使系统正常工作，并求出该频率对应的波导波长g λ。

将测量线探针移到场强幅值的节点。

例如图1-5中所示的A 点，作为0=z 的参考点，并记下此时测量放大器的读数，从公式看该读数（理论上为零，实际上不为零）对应的E 应为零。

B 是场强幅值的腹点，4gAB λ=，将此距离等分为若干个小段（例如10个小段），从A 点开始，按分小段使探针逐次向B 点移动，并记住每一位置所对应的测量放大器的读数I ，已经每一位置的坐标z 的值，则z gλπ2sin 即可求出。

B 点对应于max E ，若max E 已知，则利用公式z E E gλπ2sinmax =即可求出每点的E （U ）与每点的I 一一对应的关系，根据这组数据即可画出晶体校正曲线。

但实际上，max E 的值我们并不知道具体等于多少，为了解决这一问题，在作晶体校正曲线时，只需要知道各点场强幅值的相对大小就可以了，并不需要求出它们的绝对大小，因此，我们可以把B 点对应的电流读数I 作为max E 看待，而其它点的E （相对值）即可求出了。

在实际测量中，为计算方便起见，可利用调节信号源的输出，可变衰减器的衰减量和测量放大器的有关旋钮等方法，使B 对应的I 的读数为10的某个整数倍（例如100）。

另外需要指出的是，作晶体校正曲线也可以从场强幅值的腹点B 开始，逐渐向节点A 移动探针，测出所需要的数据，场强幅值的变化为余弦。

但B 点的确切位置比A 点更难确定，所以，从A 点开始，比从B 点开始要好些。

最后补充一点，当晶体二极管的检波电流很小时，其电压和电流有近似于平方律的关系式：K KU I 2=是与管子型号有关的结构参数，是常数。

此时的驻波比S 可近似为max max maxminmin minE U IS EU I ===而不需要查晶体校正曲线。

实验二阻抗的测量一、实验目的1．掌握最常用的阻抗的测量方法，并能利用公式和阻抗或导纳圆图计算阻抗。

2．测量喇叭天线的等效（输入）阻抗。

二、实验装置和实验原理在微波范围内经常遇到对微波元（器）件阻抗的测量问题（例如，在研究若干个元、器件相互间的连接和匹配问题时），因此掌握阻抗的测量方法是十分重要的。

测量阻抗的方法有多种，其中较常用的是利用测量线来进行测量。

实验装置和实验一所用的完全相同。

为画图简单起见，我们用方框图把它表示出来，如图2－1所示。

信号源隔离器可变衰减器频率计精密衰减器测量放大器测量线负载图2-1三、实验内容1．当无耗传输线终端接有任意复数阻抗的负载lZ时，系统呈行驻波状态，电压或场强幅值的分布规律如图2－2所示。

zλg2l 1EZcZ l图2-2为了求出被测阻抗l Z 可采用两种方法，用公式计算和查圆图。

首先讨论一下用公式计算的方法。

根据传输线理论，等效（输入）阻抗)(z Z 为())(1)(1z z Z z Z cΓ-Γ+=据此，对终端被测负载l Z 而言应为：0)0(1)0(1ΓΓΓ-Γ+=ϕϕj j cl ee Z Z式中，c Z 为传输线的特性阻抗，)(z Γ为电压反射系数，)0(Γ为终端负载处的反射系数，0Γϕ为其初相角。

在电压（或场强幅度）最小点处反射系数)(z Γ的相角应满足1)2cos(0-=-Γϕβz1)2cos(0-=-Γϕβz即...3,2,1,0,)12(20=+=-Γn n z πϕβ若取距终端负载最近的那个电压（或场强幅值）最小点的距离1min l z z ==，代入上式，则：πβϕ-=Γ102l而gλπβ2=，11)0(+-=Γs s 式中，g λ为波导波长，s 为驻波比。

由此可知，只要测出s 和1l （在某一频率下），即可求出负载l Z ，它比计算方法要方便得多，例如用阻抗圆图（用导纳圆图也可）来求阻抗l Z ，如图2－3所示。