微波测量实验指导书

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实验一 微波测试系统的认识与调试
一、实验目的 1. 了解微波测试系统。 2. 三厘米波导系统的安装与调试。 二、实验原理 1. 微波测试系统 微波测试系统常用的有同轴和波导两种系统。同轴系统频带宽，一般用在较低 的微波频段（二厘米波段以下） ；波导系统（常用矩形波导）损耗低、功率容量大， 一般用在较高频段（厘米波段直至毫米波段） 。 微波测试系统通常由三部分组成，如图 1－1（a）所示。
( a b 22.86 10.16 mm2)，为了提高测量精度，通常采用交叉读数法确定波节点 位置，并测出几个波长，求其平均值。所谓交叉读数法是指在波节点附近两旁找出 电表指示数相等的两个对应位置 d11 ， d12 ， d 21 ， d 22 ，然后分别取其平均值作为 波节点位置，如图 2—2 所示。
图 1－1 微波测试系统
（1） 等效电源部分（即发送端） 这部分包括微波信号源，隔离器，功率、频率监视单元。
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信号源是微波测试系统的心脏。测量技术要求具有足够功率电平和一定频率的 微波信号，同时要求一定的功率和频率稳定度。功率和频率监视单元是由定向耦合 器取出一小部分微波能量，经过检测指示来观察源的稳定情况，以便及时调整。为 了减小负载对信号源的影响，电路中采用了隔离器。 （2） 测量装置部分（即测量电路） 包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等） ，以及 电磁能量检测器（如晶体检波架、功率计探头等） 。 （3） 指示器部分（即测量接收器） 指示器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、功率计、示 波器、数字频率计等。 当对微波信号的功率和频率稳定度要求不太高时，测量系统可简化如图 1－1 （b）所示，微波信号源直接与测量装置连接，其工作频率可由波长计测得。 2. 微波信号源 通常，微波信号源有电真空和固态的两种。 3. 测量指示器 常用指示器有指示等幅波的直流微安表、光点检流计、微瓦功率计，有指示调 制波的测量放大器、选频放大器。此外，还可用示波器、数字电压表等作指示器。 实验室常用测量放大器和选频放大器作指示器，因为这类仪表灵敏度高，能对 微弱信号进行宽带或选频放大，接在测量线、晶体检波器、热敏电阻架及其它测试 设备的输出端可进行各类测量。 三、实验内容和步骤 了解微波测试系统： 1. 观看按图 1－1（a）装置的微波测试系统。 2. 观看常用微波元件的形状、结构，并了解其作用、主要性能及使用方法。常 用元件如：铁氧体隔离器、衰减器、频率计（或称为波长表） 、定向耦合器、晶体检 波器、全匹配负载、波导－同轴转换器等。 四、注意事项 测试过程中，若指示电表偏转超过满刻度或无指示，可调整可变衰减器衰减量 或指示器灵敏度。 五、实验报告要求 写出所用设备及仪器名称，画出测试装置图。 六、思考题 开启电源前， 为何将衰减器衰减量置于最大， 而将指示器灵敏度置于最小位置？
2
p
d
（2－8）
E 2 sin d Em p
（2－9）
式中，d 是探针位置与电压波节点的距离。 ， （2－8）和（2－9）得： 若电流波腹点处的电流为 I m ，由式（2－7）
I 2 d n I sin( ) E p Im
对式（2－10）两边取对数得：
n
（2－10）
lg I n lg E
表 2－2 计算 p 和 单位：mm
d11
d12
d 01
d 21
d 22
d 02
p

2.3 将精密可调短路器接在测量线的输出端，置测量线探针于某一波节点位置 不变，移动可调短路器活塞，在波节点两边以一个适当的读数为参考，记下相应探 针的位置 d11 ， d12 ，将探针移动相邻的波节点上，用同样的方法读取 d 21 ， d 22 ， 并计算波导波长 p ，由式(2—2)计算工作波长 ，将数据填入表 2—3。
n
lg 0.5 W lg cos( )
（2－12）
p
根据测定的晶体检波律，即能得到晶体平方律检测工作范围。
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图 2－4 按半峰点距离求晶体检波律
实验中，大多数微波测试系统属于小信号工作状态，因此，晶体检波律基本为 平方律，如果不是精密测量，可取 n＝2。 三、实验仪器及装置图
图 2－5 测试装置图
5
I C E n
（2－7）
故要从检波电流读数值决定电场强度的相对值，就必须确定晶体检波律 n。当 n＝2 时，该检波电流读数即为相对功率指示值。 实验室常用的晶体定标方法——驻波法 （1）第一种方法：测量指示器读数与相对场强的关系曲线。 当测量线终端短路时，沿线各点电场分布为：
E Em sin E
图 2－1 微波测试系统
系统调整主要指信号源和测量线的调整以及晶体检波器的校准。信号源的调整 包括振荡频率、功率电平及调制方式等。本实验讨论驻波测量线的调整和晶体检波 器的校准。 2．测量线的调整及波长测量 （1）驻波测量线的调整 驻波测量线是微波系统的一种常用测量仪器，它在微波测量中用途很广，如测 驻波、阻抗、相位、波长等。 测量线通常由一段开槽传输线， 探头 （耦合探针、 探针的调谐腔体和输出指示） 、 传动装置三部分组成。由于耦合探针伸入传输线而引入不均匀性，其作用相当于在 线上并联一个导纳，从而影响系统的工作状态。为了减小其影响，测试前必须仔细
四、实验内容及步骤 1．调整测量线 1.1 参照图 2－5 连接各微波元件。 1.2 测量线终端接晶体检波架，调整微波信号源使获得最佳方波调制输出功率。 1.3 调整测量线： （1）测量线终端接匹配负载，并将探头晶体检波输出端接选 频放大器。 （2）转动探头上部的调节螺母来调整探针插入深度，其读数由顶部标尺 刻度指示（单位为 mm） 。插入深度取 1～1.5mm。调谐探针回路（调银白色活塞） ， 使指示器读数最大，再调谐检波回路（黑色活塞） ，使指示器读数最大。 2. 工作波长的测量
1 d 01 (d11 d12 ) 2
4
（2—3）
1 d 02 (d 21 d 22 ) 2 1 p d 01 d 02 2
（2—4） （2—5）
图 2－2 交叉读数法测量驻波节点位置
2．晶体检波器特性的测定 检波电流与加在晶体二极管上的电压关系为：
I CU n
（2—6）
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实验二 测量线调整与晶体检波器校准
一、实验目的 1. 熟悉测量线的使用方法。 2. 掌握校准晶体检波器特性的方法。 二、实验原理 1．测量系统的连接与调整 进行微波测量， 首先必须正确连接与调整微波测试系统。 图 2－1 示出实验室常 用的微波测试系统，信号源通常位于左侧，待测元件接在右侧，以便于操作。连接 系统平稳，各元件接头对准。晶体检波器输出引线应远离电源和输入线路，以免干 扰。如果系统连接不当，将会影响测量精度，产生误差。
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调整测量线。 实验中测量线的调整一般包括选择合适的探针穿伸度、调谐探头和测定晶体检 波特性。 探针电路的调谐方法：先使探针的穿伸度适当，通常取 1.0～1.5mm。然后测量 线终端接匹配负载，移动探针至测量线中间部位，调节探头活塞，直到输出指示最 大。 （2）波长测量 测量波长常见的方法有谐振法和驻波分布法。 a. 用谐振式波长计测量。调谐波长计，使得指示器指针达到最大值，记录此时 的波长计刻度，查表，确定波长计谐振频率，再根据 c f ，计算出信号源工作 波长。 b. 用驻波测量线测量，当测量线终端短路时，传输线上形成纯驻波，移动测量 线探针，测出两个相邻驻波最小点之间的距离，即可求得波导波长，再根据公式（2 －2）计算出工作波长。 c. 将精密可调短路器接在测量线的输出端，置测量线探针于某一波节点位置不 变，移动可调短路器活塞，则探针检测值随之由最小逐渐增至最大，然后又减至最 小值，即为相邻的另一个驻波节点，短路器活塞移动的距离等于半个波导波长。 在传输横电磁波的同轴系统中，按上述方法测出的波导波长就是工作波长，即
p ，而在波导系统中，测量线测出的是波导波长 p ，根据波导波长和工作波
长之间的关系式：
p

1 c
2
（2—1）
便可算出工作波长

p
1 p c
2
（2—2）
式中
c 2a ， a — 波 导 宽 边 尺 寸 ， 本 系 统 矩 形 波 导 型 号 为 BJ-100
2
式中 n 是晶体二极管检波律；如 n 1, I U ，称线性检波；当 n 2, I U ，称 平方律检波。
图 2－3 二极管检波特性
二极管检波特性随其端电压大小而变化，当其端电压较小时，呈现出平方律； 端电压较大时，呈现出线性规律，如图 2—3 所示。由图可见，在 U U1 范围内近 似线性；U U 2 时呈平方律；处在 U 2 U U1 范围内，检波律 n 不是整数。因此 加在晶体管两端电压变化幅度较大时，n 就不是常数，所以在精密测量中必须对晶 体检波律进行标定。 测量线探针在波导中感应的电动势（即晶体二极管两端电压 U）与探针所在处 的电场 E 成正比，因而，检波电流和波导中的场强同样满足关系式：
即：
n
lg I lg E
lg I lg sin( 2 d
（2－11）
p
)
将 I 与 sin 2 d 直接标在全对数坐标纸上， 连成平滑曲线即为 lg I ~ lg sin 2 d 曲线， p p 曲线的斜率就是晶体检波律 n。 （2）第二种方法 测量线终端短路，测出两个半峰值读数间的距离 W，如图 2－4 所示，则检波 律 n 可根据下式计算：
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2.1 用波长计测量工作频率，记录数据，随即失谐频率计。 表 2－1 波长计测量工作波长 信号源工作频率 波长计刻度 查表对应工作频率 工作波长
2.2 测量线终端换接短路板，移动探针至驻波节点，然后在此波节点两边以一 个适当的读数为参考，记下相应探针的位置 d11 ， d12 ，将探针移动相邻的波节点 上， 用同样的方法读取 d 21 ，d 22 ， 并计算波导波长 p ， 由式(2—2)计算工作波长 ， 将上述测量和计算数据填入表 2—2。