大连理工微波系统中电压驻波比
已交!3-1 微波系统中电压驻波比的测量第9周三 5-8节
3-1 微波系统中电压驻波比的测量微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波不同. 从图3-1-1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者. 与无线电波相比，微波有下述几个主要特点.图3-1-1 电磁波的分类1．波长短(1m ～1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用.2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9～10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替. 另外，微波在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻、电容、电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替.3．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV ，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内. 人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟、原子钟.4．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯、宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前景.综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同. 微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量.微波实验是近代物理实验的重要组成部分.国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例高达50%以上. 据统计美国为66%，日本为50%，法国为54%. 我国自1956年从东德引进第一套微波通信设备以来，经过仿制和自发研制过程，已经取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之λ/m3610910121015101810-910-1110-610-3100103106f /Hz 广播 电视红外可见光 紫外电波无线电波光波X 射线微波间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙. 九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力. 在当今世界的通信革命中，微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一.【实验目的】1．了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用. 2．掌握驻波测量线的正确使用方法.3．掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法.【实验原理】1．微波的基本知识 （1）电磁波的基本关系 描写电磁场的基本方程是：ρ=⋅∇D 0=⋅∇Bt -∂∂=⨯∇BE t ∂∂+=⨯∇Dj H （3-1-1）和E D ε=， H B μ=， E j γ=. （3-1-2）方程组(3-1-1)称为Maxwell 方程组，方程组(3-1-2)描述了介质的性质对场的影响.对于空气和导体的界面，由上述关系可以得到边界条件(左侧均为空气中场量)0=t E ，on E εσ=， i H t = ，=n H .（3-1-3）方程组(3-1-3)表明，在导体附近电场必须垂直于导体表面，而磁场则应平行于导体表面.（2）矩形波导中波的传播在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，b xa图3-1-2 矩形波导管而必须改用微波传输线. 常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线，本实验用的是矩形波导管如图3-1-2所示，波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线.根据电磁场的普遍规律——Maxwell 方程组或由它导出的波动方程以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有两大类波能够在矩形波导中传播：①横电波又称为磁波，简写为TE 波或H 波，磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量. ②横磁波又称为电波，简写为TM 波或E 波，电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量. 在实际应用中，一般让波导中存在一种波型，而且只传输一种波型，我们实验用的TE 10波就是矩形波导中常用的一种波型.① TE 10型波在一个均匀、无限长和无耗的矩形波导,如图3-1-3所示，从电磁场基本方程组(3-1-1)和(3-1-2)出发，可以解得沿z 方向传播的TE 10型波的各个场分量为)(0)sin(z t j y e axE E βωπ-=,0==Z x E E)(0)sin(z t j x e axE H βωπωμβ--=， 0=y H )(0)cos(z t j z e axE a jH βωπωμπ-⋅= （3-1-4） 其中：ω为电磁波的角频率，f πω2=，f 是微波频率；a 为波导截面宽边的长度；β为微波沿传输方向的相位常数 g λπβ/2=λg 为波导波长，2)2(1ag λλλ-=（3-1-5）图3-1-3和式（3-1-4）均表明，TE 10波具有如下特点：a) 存在一个临界波长c λ＝2a ，只有波长λ<λC 的电磁波才能在波导管中传播. b) 波导波长λg >自由空间波长λ.c) 电场只存在横向分量，电力线从一个导体壁出发，终止在另一个导体壁上，并且始终平行于波导的窄边.d) 磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线.e) 电磁场在波导的纵方向(z )上形成行波. 在z 方向上，Ey 和Hx 的分布规律相同，也就是说Ey 最大处Hx 也最大，Ey 为零处Hx 也为零，场的这种结构是行波的特点. ② 波导管的工作状态如果波导终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波的所有能量全部被吸收，这时波导图 3-1-4（a ）行波,（b ）混合波,(c)驻波中呈现的是行波. 当波导终端不匹配时，就有一部分波被反射，波导中的任何不均匀性也会产生反射，形成所谓混合波. 为描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数Γ定义为φj i r E E e /Γ==Γ.驻波比ρ定义为：minmaxE E =ρ （3-1-6） 其中：max E 和min E 分别为波腹和波节点电场E 的大小.不难看出：对于行波，ρ=1；对于驻波，ρ→∞；而当1<ρ<∞,是混合波. 图3-1-4为行波、混合波和驻波的振幅分布示意图.2．电压驻波比的测量驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和品质因数(Q 值)等其它参量. 在测量时，通常测量电压驻波系数，即波导中电场最大值与最小值之比，见（3-16）.测量驻波比的方法与仪器种类很多，本实验着重熟悉用驻波测量线测驻波系数的几种方法.图3-1-3 （a ）,（b ）,(c) TE 10波的电磁场结构 (d)波导壁电流分布(1) 直接法：直接法是测量沿线驻波的量大和最小场强，然后根据（3-1-6）式直接求出电压驻波比. 这种方法适用于测量中、小电压驻波比.当驻波比较小时，晶体二极管为平方检波，如果驻波腹点和节点处指示电表读数分别为I max 和I min ，则 (3-1-1) 式可写成minmax II =ρ （3-1-7）① 驻波比在1.005≤ρ≤1.5时：如图3-1-5所示，此时驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据，然后取平均值再进行计算. 若驻波腹点和节点处电表读数分别为I max ，I min ，则电压驻波系数为 nn nnI I I I I I E E E E E E min 2min 1min max 2max 1max min 2min 1min max 2max 1max +⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅++=++++++=ρ （3-1-8）② 中驻波比(1.5 ≤ ρ ≤ 6 ) 时此时，只须测一个驻波波腹和一个驻波波节，即直接读出I max 、I min ，如图3-1-6所示. minmaxmin maxI I E E ==ρ （3-1-9）(2) 等指示度法：等指示度法适用于测量大、中电压驻波比（ρ>6）. 此时，波腹振幅与波节振幅的区别很大，因此在测量最大点和最小点电平时，晶体工作在不同的检波律，如仍按直接法测量，则产生较大误差，所以采用等指示度法，也就是通过测量驻波波节点附近场的分布规律的间接方法(见图3-1-7).图 3-1-5 小驻波比时的驻波图图3-1-6 中驻波比时的驻波图图3-1-7 大驻波比时的驻波图根据传输线上场强与终端反射系数Γ的关系，并确定驻波节点两旁等指示度之间的距离，可得到如下关系2222min 212cos()(1)ng WI k I πλ+Γ-Γ⎛⎫==⎪-Γ⎝⎭（3-1-10）式中I min 为驻波节点的值，I 为驻波节点相邻两旁的等指示值，W 为等指示度之间的距离. 经过三角变换，式（3-1-10）变为)sin()(cos 2/2gg n Wk λλπρ-=（3-1-11）我们测量驻波节点的值I min 、节点两旁等指示度的值I 及它们之间的距离W ，其中当k =2时，若n =2（探头晶体为平方律检波），则有)(sin 112gWλπρ+= （3-1-12）这种方法称为“二倍最小值法”或“三分贝法”.当驻波比很大(ρ>6)时，W 很小，有Wg πλρ=（3-1-13）由（3-1-12）、（3-1-13）两式可以看出：W 与g λ的测量精度对测量结果影响很大，因此必须用高精度的探针位置指示装置(如百分表)进行读数.(3) 功率衰减法：这种方法适用于任意驻波比值的测量.用直接法测量驻波比的精度与晶体的检波律有关，因而要求在同一测量中须保持同一检波律，这给测量带来一定的困难. 等指示度法虽然在一定程度上解决了这一矛盾，但当驻波比较大时，对W 的测试要求很高. 功率衰减法测量驻波比能克服以上两种方法的缺点，它是用精密可变衰减器测量驻波腹点和节点两个位置上的电平差，因而与晶体的检波律无关，主要取决于衰减器的精度和系统的匹配情况. 用该方法测量驻波比是通过改变精密可变衰减器的衰减量，使探针位于驻波腹点和节点指示电表的读数相同，则驻波比可用下式计算20m inm ax 10A A -=ρ （3-1-14）式中max A 、min A 分别为探针在波腹点和波节点处，指示电表读数相同时所对应的精密可变衰减器的读数.minI I k 最小点读数测量读数=【实验仪器】实验装置如图3-1-8所示. 各部分的作用介绍如下: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a ＝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. 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.4．谐振式频率计（波长表）：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.5．晶体检波器：从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调节其短路活塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率.6．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.7．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.【实验内容与步骤】由于微波的波长很短，传输线上的电压、电流既是时间的函数，又是位置的函数，使得电磁场的能量分布于整个微波电路而形成“分布参数”，导致微波的传输与普通无线电波完图3-1-8 实验装置示意图全不同. 在微波系统中，测量参量主要包括功率、波长和驻波参量，这也是和低频电路不同的. 本实验我们将学习运用驻波测量线，测量大、中、小电压驻波比.1. 开启微波信号源（DH1121C），选择频率约为9.37GHz，预热15分钟.2. 将测量线探针插入适当深度，用选频放大器测量微波的大小，选择较小的微波输出功率并进行驻波测量线的调谐.3. 选信号源的工作方式为“等幅”、“点频”用直读频率计测量微波频率，并计算微波波导波长.4. 微波源工作方式选择“方波”. 测量线终端接短路板，用交叉读数法读出两个相邻波节点的位置，计算波导波长并与计算值比较. 具体方法如下：在所测波节点两端取读数相等的两点d i1、d i2，记录数据. 二者的平均值代表波节点的位置d01，两相邻波节间的距离为波导波长的一半.5. 关闭微波电源，取下短路器，接上单螺旋调配器和匹配负载.6. 调节单螺钉穿伸度为3mm，移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断是驻波状态，分析此时的驻波比的大小.7. 移动探针至驻波腹点，调节指示器灵敏度，使电表读数达满偏（或接近满偏）8.将探针移至测量线的最右端，向左依次测量驻波腹点和节点的幅值I max，I min，记录数据；9. 反向移动测量线探针，重复测量.10. 调节螺钉穿伸度为5mm，移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断驻波状态，分析此时的驻波比的大小.11. 选择驻波的一个波腹点及其相邻的波节点，测量其电压值，记录数据，重复5次；12. 调节螺钉穿伸度为7mm，移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断驻波状态，分析此时的驻波比的大小.13. 等指示度法测量电压驻波比，具体方法如下：（1）测量线探针移至驻波节点. 调整微波可变衰减器、指示器的灵敏度，使指示器电表指针为满度的一半，读取驻波节点幅度值I min.（2）缓慢移动探针，在驻波点两旁找到电表指示读数为2I min的两个指示度点，应用测量线标尺或百分表读取二个等指示点对应的探针位置的读数值d1、d2. 重复5次.（3）记录数据，并计算驻波比.【数据记录与处理】微波频率：1. 波导波长的测量2. 小电压驻波比3. 中电压驻波比4.大电压驻波比（等指示度法测量）【思考题】1．驻波节点的位置在实验中精确测准不容易，如何比较准确的测量?2．如何比较准确地测出波导波长?3．在对测量线调谐后，进行驻波比的测量时，能否改变微波的输出功率或衰减大小? 【参考文献】1. 近代物理实验讲义. 华南师范大学.2. 吴思诚等. 近代物理实验. 北京:北京大学物理实验2005【附录】波导测量线说明书DH364A00型三厘米波导测量线是探测三厘米波段的波导中驻波分布情况的仪器. 它通常用来测量波导元件、波导系统的驻波系数、阻抗，还可测量波导波长、相移等多种参数，是一种通用的微波测量仪器.1. 主要技术指标(1)工作频率范围:8.2～12.4GHz(2)合成电压驻波系数:≤1.03(3)探针插入波导深度:1.5mm(4)探头行程:95mm(5)波导规格:BJ-100 (波导内口尺寸:22.86mm×10.16mm)(6)连接法兰规格:FBP-100(7)外形尺寸:247×170×144(mm)2. 仪器的工作原理和结构三厘米波导测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成. 开槽波导中的场由不调谐探头取样，探头的移动靠滑架上的传动装置，探头的输出送到显示装置，就可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息. 测量线外形如图3-1-9所示:图3-1-9 测量线外形测量线开槽波导是一段精密加工的开槽直波导,此槽位于波导宽边的正中央，平行于波导轴线，不切割高频电流，因此对波导内的电磁场分布影响很小，此外，槽端还有阶梯匹配段，两端法兰具有尺寸精确的定位和连接孔，从而保证开槽波导有很低的剩余驻波系数.不调谐探头由检波二极管、吸收环、盘形电阻、弹簧、接头和外壳组成，安放在滑架的探头插孔中. 不调谐探头的输出为BNC接头，检波二极管经过加工改造的同轴检波管，其内导体作为探针伸入到开槽波导中，因此，探针与检波晶体之间的长度最短，从而可以不经调谐，而达到电抗小、效率高，输出响应平坦.滑架是用来安装开槽波导和不调谐探头的，其结构见图3-1-10.图3-1-10 滑架结构图滑架各部分的名称、作用说明如下：⑴水平调整螺钉用于调整测量线高度⑵百分表止挡螺钉细调百分表读数的起始点⑶可移止挡粗调百分表读数⑷刻度尺指示探针位置⑸百分表插孔插百分表用⑹探头插孔装不调谐探头⑺探头座可沿开槽线移动⑻游标与刻度尺配合，提高探针位置读数分辨率⑼手柄旋转手柄，可使探头座沿开槽线移动⑽探头座锁紧螺钉将不调谐探头固定于探头插孔中⑾夹紧螺钉安装夹紧百分表用⑿止挡固定螺钉将可移止挡⑶固定在所要求的位置上⒀定位垫圈（图中未示出）用来控制探针插入波导中的深度.。
大连理工大学电磁场与微波实验预习报告
电磁波参数测量预习报告姓名：学号：班级：实验台号：同组人：一、实验目的和要求1.在学习均匀平面电磁波的基础上，观察电磁波的传播特性。
2.熟悉并利用相干波原理，测量自由空间内电磁波的波长λ，确定相移常数β和波速v 。
二、主要仪器1.DH926B 型微波分光仪2.DH1121B 型3CM 固态信号源3.BD-1/035A 型3CM 空腔式波长表4.金属反射板两块5.有机玻璃半透射板一块三、实验内容和原理1．实验内容（1）了解利用相干波测量自由空间内电磁波波长的原理及方法。
（2）熟悉电磁波测量平台（微波分光仪）的特点及使用。
（3）手动模式，采用“交叉读数法”测量连续的3个波节点01d 、02d 、03d ，并分别计算得到两个半波长λ/2及β、v 。
（4）用3cm 空腔波长表测量行波频率f 。
2．实验原理两束等幅、同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内从相同（或相反）方向传播时，由于初始相位不同发生干涉现象，在传播路径上可形成驻波场分布。
本实验正是利用相干波原理，通过测定驻波场节点的分布，求得自由空间内电磁波波长λ的值，再由 λπβ2=ββωλνf f π2=== 得到电磁波的主要参量：β和ν等。
相干波测量波长实验装置如图1所示。
图中P r0、P r1、P r2、P r3分别表示辐射喇叭天线、固定金属反射板、可动金属反射板和接收喇叭天线。
图中介质板是一块30×30(cm)²玻璃板。
由发射喇叭天线辐射来的电磁波一部分经介质板反射到达P r1，再经P r1反射和介质板的折射到达接收喇叭；另一部分能量通过介质板折射到达P r2，再经P r2反射和介质板的折射到达接收喇叭。
这样，两部分能量在接收喇叭处形成相干波。
图1设介质分界面上以入射角θ1斜入射一个垂直极化波，入射波电场为：1jk r i ot E E e -=则在分界面上便产生反射波E r 和折射波E t 。
我们用R ┴表示介质板的反射系数，用T ┴o 和T ┴ε分别表示由空气进入介质板和由介质板进入空气的折射系数，而固定的和可动的金属反射板的反射系数为-1。
驻波检测理论分析
驻波检测理论分析电压驻波比介绍电压驻波比（VSWR）为英文Voltage Standing Wave Ratio 的简写。
电压驻波比产生的原因主要是由于在系统或者电路中存在阻抗不匹配，在无线电通信中，由于天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发信机的阻抗不匹配，高频能量就会产生反射折回，并与前进的部分干扰汇合发生驻波。
为了表示和测量天线系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况，人们建立了“驻波比”(Standing Wave Ratio)这一概念，驻波比的全称是电压驻波比。
当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数Γ等于0，驻波比为1。
这是一种理想的状况，实际上总存在反射，所以驻波比总是大于1 的。
理想的比例为1:1 ，即输入阻抗相等于传输线的特性阻抗, 但几乎不可能达到，如果当VSWR 1.25:1 时，反射功率大概为1.14 %，当VSWR 1.5:1 反射功率为4.06 %，当VSWR 1.75:1 时，反射功率为7.53 %，由这个数字我们可以知道, 驻波比越大, 反射功率越高。
在射频系统阻抗匹配中,特别要注意要使电压驻波比达到一定要求，在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，一样一般可以保证通信系统的良好工作。
同时，因为在宽带运用时频率范围很广，驻波比会随着频率而变，所以应使阻抗在宽范围内尽量匹配。
电压驻波比对系统性能的影响随着驻波比的恶化，有效传输的功率将会减少，这是由于理想的阻抗匹配(VSWR=1:1)可以使功率无损传输，而严重的阻抗失配(高VSWR)将导致传输到负载的功率减少。
高的VSWR可能引起多种系统问题，其中对VSWR最为敏感的器件是功率放大器，因为其输出功率较大可能达到200 瓦左右，导致很大的功率反射，从而造成无线电装置的工作范围缩小、发射信号使接收部分饱和。
更为严重的影响是损坏发射机并且击穿传输电介质。
同时由于天线上反射回的信号在功率放大器处再次反射，然后重新发射出去，导致了类似多径现象，因此高VSWR可能引起基站系统的遮蔽衰落VSWR 值很高也有可能会损坏天馈系统，反射波在天线和发射机之间来回反复时会丧失一部分能量而转化为热能损耗了，这一部分热量增加了馈线对热损耗的承受能力，会产生破坏作用。
实验报告10
大连理工大学本科实验报告实验名称:电压驻波比的测量
课程名称：电磁场与微波技术实验
学院（系）：电子信息与电气工程学部
专业：电子信息工程
班级：电子1303班
学号：201383097
学生姓名：王英明
同组人：王增峥
完成日期：2016年5月18日
一、实验数据的整理与分析
见数据报告。
二、实验结果的分析
1、简单讨论大、中、小电压驻波比系数测量方法的特点。
小驻波比的测量一般为直接法，但驻波比的最大值与最小值相差不大，为提高精度，应该测多个波腹波节点求驻波比取均值。
中驻波比可直接用直接法测量。
大驻波比用直接测量法会因为波腹波节点电压相差太大，而导致晶体检波器存在不同的检波率。
可用等指示度法测量。
须用高精度的探针
指示装置（如：千分测微计）进行测量读数。
用功率衰减法可适用于任何范围驻波比的测量。
2、实验现象及存在的问题讨论。
短路活塞及开口波导的驻波比与理论值相差较大。
这是因为实际中短路活塞的阻抗难以做到为0，开口波导的阻抗也无法为无穷大。
三、问题与建议、体会
1、开口波导的 ≠∞，为什么？
因为在实际中开口波导也有一定的阻抗而不是无穷大。
2、用功率衰减法测大驻波比时，可否用低频衰减器代替微波衰减器？为
什么？
不能，低频衰减器精度不够高。
微波测量实验 微波驻波比的测量
测量示数(mm)
150.3
147.1
125.9
122.4
4）将测量线终端换接调配器+晶体检波器，并将探针置于住波节点位置，提高测试系统灵敏度。选择两倍于波节点电压强度的左右相邻两个点l=148.4mm与l’=151.1mm，则W=|l’-l|=2.7mm
代入公式：
得到： 。即用等指示度法测出的驻波系数为5.9。
35.5
37
36
1.54
86.2
36.2
99
60
1.29
从实验中我们可以看出，对于匹配负载， =1.01，与理论值1十分相近。对于失配负载，， =1.54，也比较接近实验仪器上写的 =1.5。
因为终端短路时， 非常大，超过了5，由实验原理知，当被测量的驻波系数大于5时，驻波腹点和节点的电平相差比较大，直接法求取大驻波系数会带来较大的误差，因此我们需要采用其他的方法测量。
（2）等指示度法测量驻波系数
当驻波比大于5的时候，我们不再能用直接法测量，必须用等指示度法。步骤如下：
1)连接好微波测量系统，开启微波信号源，选择好频率，工作方式选择“方波”。
2)将测量线探针插入适当深度，用选频放大器测量微波的大小，选择较小的微波输出功率并进行驻波测量线的调谐。
3)将测量线终端接短路片，用两点法测量三个相邻波节点位置，计算 。
电磁场与微波测量实验
实验报告
北京邮电大学
实验三.微波驻波比的测量
由于微波的波长很短，传输线上的电压、电流既是时间的函数，又是位置的函数，使得电磁场的能量分布于整个微波电路而形成“分布参数”，导致微波的传输与普通无线电波完全不同。微波系统的测量参量是功率、波长和驻波参量，这也是和低频电路不同的。电压驻波系数的大小往往是衡量一个微波元件性能优劣的主要指标。驻波测量也是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量不仅可以直接得知驻波系数值，而且还可以间接求得衰减器、相移量、谐振腔品质因数，介电常数。
微波测量实验-微波驻波比的测量
电磁场与微波测量实验实验报告北京邮电大学实验三.微波驻波比的测量由于微波的波长很短，传输线上的电压、电流既是时间的函数，又是位置的函数，使得电磁场的能量分布于整个微波电路而形成“分布参数”，导致微波的传输与普通无线电波完全不同。
微波系统的测量参量是功率、波长和驻波参量，这也是和低频电路不同的。
电压驻波系数的大小往往是衡量一个微波元件性能优劣的主要指标。
驻波测量也是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量不仅可以直接得知驻波系数值，而且还可以间接求得衰减器、相移量、谐振腔品质因数，介电常数。
一、实验目的（1）了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用。
（2）掌握驻波测量线的正确使用和用驻波测量线校准晶体检波器特性的方法。
（3）掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法。
二、实验原理驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和Q值等其他参量。
在传输线中若存在驻波，将使能量不能有效地传给负载，因而增加损耗。
在大功率情况下，由于驻波存在可能发生击穿现象。
此外，驻波存在还会影响微波信号发生器输出功率和频率的稳定度。
因此，驻波测量非常重要。
电压驻波比测量：驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和Q值等其他参量。
在测量时，通常测量电压驻波系数，及波导中电场最大值和最小值之比，即ρ=。
测量驻波比的方法与仪器种类很多，有直接法，等指示度法，功率衰减法等。
我们这次实验中主要用直接法和等指示度法来熟悉驻波测量线的使用。
（1）直接法直接测量沿线驻波的最大点与最小点场强，从而求得驻波系数的方法称为直接法。
若驻波腹点和节点处电表读数分别为，则电压驻波系数ρ：ρ==当驻波系数1.5<ρ<5时直接读出，即可。
在我们的实验中，由于选频放大器直接读出来的是电压而不是电流，所以我们直接读出和也可以。
当电压驻波系数在1.05<ρ<1.5时，驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据，然后取平均值。
射频中的回波损耗反射系数电压驻波比以及S参数的含义和关系
射频中的回波损耗，反射系数，电压驻波比以及S参数的含义回波损耗，反射系数，电压驻波比, S11这几个参数在射频微波应用中经常会碰到, 他们各自的含义如下:回波损耗(Return Loss): 入射功率/反射功率, 为dB数值反射系数(Г):反射电压/入射电压, 为标量电压驻波比(Voltage Standing Wave Ration): 波腹电压/波节电压S参数: S12为反向传输系数，也就是隔离。
S21为正向传输系数，也就是增益。
S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。
四者的关系：VSWR=(1+Г)/(1-Г)(1)S11=20lg(Г)(2)RL=-S11 (3)以上各参数的定义与测量都有一个前提，就是其它各端口都要匹配。
这些参数的共同点：他们都是描述阻抗匹配好坏程度的参数。
其中，S11实际上就是反射系数Г，只不过它特指一个网络1号端口的反射系数。
反射系数描述的是入射电压和反射电压之间的比值，而回波损耗是从功率的角度来看待问题。
而电压驻波的原始定义与传输线有关，将两个网络连接在一起，虽然我们能计算出连接之后的电压驻波比的值，但实际上如果这里没有传输线，根本不会存在驻波。
我们实际上可以认为电压驻波比实际上是反射系数的另一种表达方式，至于用哪一个参数来进行描述，取决于怎样方便，以及习惯如何。
回波损耗、反射系数、电压驻波比以及S参数的物理意义回波损耗反射系数电压驻波比s参数以二端口网络为例，如单根传输线，共有四个S参数：S11，S12，S21，S22，对于互易网络有S12＝S21，对于对称网络有S11＝S22，对于无耗网络，有S11*S11+S21*S21＝1，即网络不消耗任何能量，从端口1输入的能量不是被反射回端口1就是传输到端口2上了。
在高速电路设计中用到以二端口网络为例，如单根传输线，共有四个S参数：S11，S12，S21，S22，对于互易网络有S12＝S21，对于对称网络有S11＝S22，对于无耗网络，有S11*S11+S21*S21＝1，即网络不消耗任何能量，从端口1输入的能量不是被反射回端口1就是传输到端口2上了。
电压驻波比与阻抗匹配计算公式
电压驻波比与阻抗匹配
主要是通过驻波比这个参数来变换的,驻波比符号位SWR,通过输入和输出阻抗可以计算出驻波比,公式如下：
K为负值时表明相位相反
式中R和r分别是输出阻抗和;当两个阻抗数值一样时,即达到完全匹配,反射系数K 等于0,驻波比为1;这是一种理想的状况,实际上总存在反射,所以驻波比总是大于1的;
还有一种测量驻波比的方法是通过正反向的功率来测量驻波比的,计算公式如下：通过这2个公式就可以在射频电源不接匹配器的时候,通过正反向功率来计算客户负载的大概阻抗了;
注意：这个阻抗是标量,不是矢量的阻抗,真正的阻抗是矢量,想要测量的话需要通过史密斯原图来测量,这个可以看下有关史密斯原图的书籍,里面都有计算方法的;。
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实验题目： 微波系统中电压驻波比的测量
实验仪器：（注明规格和型号） 导波管（BJ-100）、隔离器、衰减器、谐振式频率计、晶体检波器、驻波测量线（DH364A00）、匹配负载
实验目的：
（1） 了解驻波导测量系统，熟悉基本微波原件的作用； （2） 掌握驻波测量线的正确使用方法；
（3） 掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法。
实验原理简述： 1. 微波的基本知识
1.1 电磁波的基本关系
ρ=•∇D 0=•∇B t
B E ∂∂-
=⨯∇
t
D
j H ∂∂+
=⨯∇ （3-1-1） E D ε=，H B μ=，E J γ= （3-1-2）
如上所示， 方程组（3-1-1）为Maxwell 方程组，方程组（3-1-2）描述了介质的性质对场的影响。
1.2 矩形波导中波的传播
在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，而必须改用微波传输线。
本实验中使用的是矩形波导管， 同时对应使用的是在矩形波导中常用的微波TE 10
1.2.1 TE 10型波。
一个均匀、无限长和无耗的矩形波导。
（图3-1-3）经过计算可以得到波导波长2
)2(
1a
g λ
λ
λ-=
特点：
1，存在一个临界波长c λ=2a ，只有波长c λλ<的电磁波才能在波导管中传播 2，导波波长g λ>自由空间波长λ
3，电场只存在横向分量，电力线从一个导体壁出发，终止在另一个导体壁上，并且始终平行于导波的窄边
4，磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线 5，电磁场的波导的纵方向（z ）上形成行波
下图所示， 为TE10型波的电磁场结构
1.2.2导波的工作状态
如果导波终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波的所有能量被吸收，这时波导中呈现的是行波。
当导波终端不匹配时，就是一部分波被反射，波导中的任何不均匀性也会产生反射，形成所谓混合波。
为了描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数Γ定义为
φ
j i r e E E ||/Γ==Γ
驻波比ρ定义为min max
E E =
ρ
（3-1-6），其中式中，m ax E 和min
E 分别为波腹和波节点电场E 的大小
不难看出：对于行波，1=ρ；对于驻波，∞=ρ；而当∞<<ρ1，是混合波（如上图所示）
2. 电压驻波比的测量
驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一。
在测量时，通常测量电压驻波系数，即波导中电场最大与最小之比
2.1 直接法
直接法是测量沿线驻波的最大与最小场强，然后根据驻波比定义式（见上页）直接求出电压驻波比。
这种方法适用于测量中、小电压驻波比
当驻波比较少时，晶体二极管为平方检波，如果驻波腹点和节点处指示电表读数分别为m ax I 和m in I ，则式（3-1-6）可写成min
max /I I =
ρ
当驻波比分别在5.1005.1≤≤ρ， 以及65.1≤≤ρ时， 驻波图像分别如下所示
2.2 等指示度法
等指示度法适用于测量大、中电压驻波比（6>ρ）。
此时，波腹振幅与波节振幅的区别很大，此时在测量最大点和最小点电平时，晶体工作在不同的检波律，如仍按直接法测量，则产生较大误差，所以采用等指示度法，也就是通过测量驻波波节附近场的分布规律的间接方法。
大驻波比的示意图如右所示。
经过计算可以得到当驻波比很大（6>ρ）时，E 很小，有W g
πλρ=
（这里λg 是波导波长）
2.3 功率衰减法
功率衰减法适用于任意驻波比值的测量
功率衰减法是用精密可衰减器测量驻波腹点和节点两个位置上的电平差，因而与晶体的检波律无关，主要取决于衰减器的精密度和系统的匹配情况驻波比可用下式计算
)20
(
^10min
max A A -=ρ
其中Amax 和Amin 分别为探针在波腹点和波节点处， 指示电表读数相同时， 所对应的精密可变衰减器的读数。
实验步骤简述：
实验装置示意图如下：
1.开启微波信号源，选择频率约为9.37GHz，预热15min。
2.将测量线探针插入适当深度，选用频率放大器，测量微波的大小，选择较小的微波输出功率并进行微
波测量线的协调。
3.信号源的工作方式选择“等幅”、“点频”，用直读频率计测量波频率，并计算微波波导波长。
4.微波源工作方式选择“方波”。
测量线终端接短路板，用交叉读数法读出两个相邻波节点的位置，计
算导波波长并与计算值比较。
5.关闭微波电源，取小短路器，接上单螺旋调配器和匹配负载。
6.调节单螺钉穿伸度为3mm，移动测量线探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断是驻波状态，
分析此时的驻波比的大小。
7.移动探针至驻波腹点，调节指示器灵敏度，是电压读数达满偏。
8.将探针移至测量线的最右端，向左依次测量驻波腹点和节点的幅值，I max、I min，记录数据。
9.反向移动测量线探针，重复测量。
10.调节螺钉穿伸度为5mm，移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断是驻波状态，
分析此时的驻波比的大小。
11.选择驻波的一个波腹点及其相邻的波节点，测量其电压值，记录数据，重复5次。
12.调节螺钉穿伸度为7mm移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断驻波状态，
分析此时的驻波比的大小。
13.等指示度法测量电压驻波比，具体方法：
1.1测量线探针移至驻波节点。
调整微波可变衰减器、指示器的灵敏度，使指示器电表指针为满
度的一般，读取驻波节点幅度值I min。
1.2缓慢移动探针，在驻波点两旁找到电表指示读数为2I min的两个指示度点，应用测量线标尺
或百分表读取两个等指示点对应的探针位置的读数值d1、d2，重复5次。
1.3记录数据，并计算驻波比。
原始数据、 数据处理及误差计算： 微波波长的精确测定
L1=4.315mm
跌落点 L2=4.320mm Li=4.318mm → 精确的波导波长是f=9.389GHz L3=4.321mm
波导波长的测量。
小电压驻波比:（已计入比率=0.1）
m m I I axi ini
=1.072375
中电压驻波比：（已计入比率=0.1） 平均值
大电压驻波比：
已知了W 的值， 先使用近似式进行试算：
44.76 6.2764542.27g
mm W
mm
可见， 驻波比大于6， 这个近似式的计算结果是可靠的
思考题， 实验感想， 疑问与建议：
1. 驻波节点的位置在实验中精确测准不容易， 如何比较准确地测量？
实验中， 为了能够较为准确地测得驻波节点的位置， 使用的是“交叉法”， 具体如下： 先根据仪表的示数， 找到波节的大约位置， 然后再波节点两端读取两个读数相等的点的d1和d2， 记录数据； 则二者的平均值代表波节点的位置d0。
2. 如何比较准确地测出波导波长？
方法与上述的确定驻波节点的“交叉法”类似， 在使用交叉法测得了波节点的位置后， 两个相邻波节点的距离的两倍即为波导波长。
3. 在对测量线进行调谐后， 进行驻波比的测量时， 能否改变微波的输出功率或衰减大小？
不可以， 如果在调谐完成后， 对这些数值进行调节的话， 就会使调谐失效， 导致测量的结果不准确
4. 关于实验的一些体会与建议
实验中发现， 测量线的抗干扰能力较差， 在测量过程中对测量线的压迫， 触碰都会导致选频放大器上的显示结果偏离真实值。
建议更换抗干扰能力较强的测量线， 或者在外部包裹同轴电缆以防干扰。
另外， 选频放大器的指针式仪表不易于读数， 而且指针晃动也会影响到读数的结果， 建议改进为与微波源相同的数显式仪表， 方便读数。
原始记录及图表粘贴处：（见附页）。