09-10-2微波技术实验指导书

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实验数据
衰减器位置 功率计读数
实验报告要求
（1） 实验目的； （2） 实验原理； （3） 实验数据及处理： 画出衰减器指示与功率指示的关系曲线。 思考：微波小功率计探头的工作原理简述。 （4） 实验体会和建议。
实验二
实验目的
微波波导波长、频率的测量、分析和计算
（1） 学会微波测量线的使用； （2） 学会测量微波波导波长和信号源频率； （3） 分析和计算波导波长及微波频率。
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等于 1，即直线律。 测量晶体检波器校准曲线最简便的方法是将测量线输出端短路，此时测量线上载纯驻波， 其相对电压按正弦律分布，即：
⎛ 2π d U = sin ⎜ ⎜ λ U m ax ⎝ g
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
(2-2)
式中 ，d 为离波节点的距离，Umax为波腹点电压，λg 为传输线上波长。 因此，传输线上晶体检波电流的表达式为
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实验三
实验目的
微波驻波比、反射系数及阻抗特性测量、分析和计算
（1） 学会驻波比的测量、分析和计算； （2） 学会反射系数的测量、分析和计算； （3） 学会输入阻抗的测量、分析和计算。
实验原理
在任何的微波传输系统中，为了保证传输效率，减少传输损耗和避免大功率击穿，必须实 现阻抗的匹配。描述系统匹配程度的参数有电压驻波比和复反射系数。 一、驻波比及反射系数的测量 由教材第一章微波传输线理论，传输线上的驻波比与波节点、波腹点的关系为
微 波 技 术 基 础
实验指导书
实验一
实验目的
微波测量系统的认识及功率测量
（1） 熟悉基本微波测量仪器； （2） 了解各种常用微波元器件； （3） 学会功率的测量。
实验内容
一、基本微波测量仪器 微波测量技术是通信系统测试的重要分支，也是射频工程中必备的测试技术。它主要包括 微波信号特性测量和微波网络参数测量。 微波信号特性参量主要包括：微波信号的频率与波长、电平与功率、波形与频谱等。微波 网络参数包括反射参量（如反射系数、驻波比）和传输参量（如[S]参数） 。 测量的方法有：点频测量、扫频测量和时域测量三大类。所谓点频测量是信号只能工作在 单一频点逐一进行测量；扫频测量是在较宽的频带内测得被测量的频响特性，如加上自动网络 分析仪，则可实现微波参数的自动测量与分析；时域测量是利用超高速脉冲发生器、采样示波 器、时域自动网络分析仪等在时域进行测量，从而得到瞬态电磁特性。 图 1-1 是典型的微波测量系统。它由微波信号源、调配器/ 衰减器/隔离器、波长/频率计、 测量线、终端负载、选频放大器及小功率计等组成。
数据记录
探针初始位置 zmin0 = 表1
位置读数 测量次数
Z1
Z2
Z3
Z4
1 2 3 表2 测量频率 (GHz) f1 f2 f2
实验报告要求
（1） 实验目的； （2） 实验原理； （3） 实验数据及处理： 计算出波导波长及工作频率，并与吸收式频率计的测量值进行比较。 思考：测量线为什么在波导中心线开槽？ （4）实验体会和建议。
ρ =
U U
m ax m in
=
I m ax I m in
（3-1a）
一般实际测量为多个数据，则 在平方律检波，即 n = 2 时
ρ =
U U
U U
m ax m in
=
I m ax 1 + I m ax 2 + L + I m ax n I m in 1 + I m in 2 + L + I m in n
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实验四 实验目的
微波网络参数的测量、分析和计算
（1） 理解可变短路器实现开路的原理； （2） 学会不同负载下的反射系数的测量、分析和计算； （3） 学会利用三点法测量、分析和计算微波网络的[S]参数。
实验原理
[S] 参数是微波网络中重要的物理量，其中[S]参数的三点测量法是基本测量方法，其测量原 理如下：对于互易双口网络有S12=S21 ，故只要测量求得S11 、S12及S21 三个量就可以了 。被测 网络连接如图 4-1 所示。
图 1-1
微波测量系统
二、常用微波元器件简介 微波元器件的种类很多，下面主要介绍实验室里常见的几种元器件： （1）检波器 （2）E-T 接头 （3）H-T 接头 （4）双 T 接头 （5）波导弯曲 （6）波导开关 （7）可变短路器 （8）匹配负载 （9）吸收式衰减器 （10）定向耦合器 （11）隔离器 三、功率测量 按图 1-1 所示连接微波测量系统， 在终端处接上微波小功率计探头， 接通电源开关， 调整衰减器， 观察微波功率计指示并作相应记录。
λg =
1 ⎡ z 4 − z min 0 z 3 − z min 0 z 2 − z min 0 ⎤ + + + z1 − z min 0 ⎥ ⎢ 2⎣ 4 3 2 ⎦
(2-4)
由教材内容（见习题 2-5） ，工作波长与波导波长有如下关系：
λ=
λg λc λg2 + λc2
(2-5)
式中，λc 为截止波长。 一般波导工作在主模状态，其λc =2a 。本实验中波导型号为BJ-100， 其宽边为 a =22.86 mm ，代入上式计算出工作波长。 于是信号源工作频率由下式求得：
⎡ ⎛ 2π d ⎞ ⎤ I = C ⎢sin ⎜ ⎟ ⎟⎥ ⎢ ⎜ ⎥ ⎝ λg ⎠ ⎦ ⎣
n
(2-3)
根据式（2-3）就可以用实验的方法得到图 2-1 所示的晶体检波器的校准曲线。
图 2-1 校准曲线 3． 波导波长的测量原理 测量线的基本测量原理是基于无耗均匀传输线理论，当负载与测量线匹配时测量线内是 行波；当负载为短路或开路时，传输线上为纯驻波，能量全部反射。因此通过测量线上的驻波 比，然后换算出反射系数模值，再利用驻波最小点位置zmin 便可得到反射系数的幅角以及微波信 号特性、网络特性等。根据这一原理，在测得一组驻波最小点位置z1，z2，z3，z4 … 后，由于相 邻波节点的距离是波导波长的 1/2，这样便可通过下式算出波导波长。
a1 Zg Eg a2
~
T1 b1
Ze
[S]
Ze
Zl
b2
T2
图 4-1 [S] 参数的测量 设终端接负载阻抗Zl ，令终端反射系数为Γl ， 则有: a2 = Γlb2, 代入[S]参数定义式得：
b1 = S11a1 + S12 Γ l b2 b2 = S12 a1 + S 22 Γ l b2
于是输入端（参考面T1）处的反射系数为
（3-2）
终端反射系数的相位φl 与节点位置zminn 有以下关系：
zmin n =
（3-3）
根据波导主模特性阻抗 Z TE10 及测得的驻波比ρ和第一波节点位置zmin1 可得终端负载 阻抗为（参见教材中习题 1.3） ：
Z l = Z TE10
其中， ZTE10 =
1 − j ρ tan β z min 1 ρ − j tan β z min 1
实验原理
进行微波测量，首先必须正确连接与调整微波测量系统。图 1-1 示出了实验室常用的微波 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。本实验主要讨论微波测量线的调整和晶体检波器的校准。 1． 测量线的调整 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，可测驻波、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。为了减少其影响，测试前必须仔细调整测量线。实验中测量线的调 整一般包括的探针深度调整和耦合输出匹配（即调谐探头） 。 2． 晶体检波器的工作原理 在微波测量系统中，送至指示器的微波能量通常是经过晶体二极管检波后的直流或低频电 流，指示器的读数是检波电流的有效值。在测量线中，晶体检波电流与高频电压之间关系是非 线性的，因此要准确测出驻波（行波）系数必须知道晶体检波器的检波特性曲线。 晶体二极管的电流 I 与检波电压 U 的一般关系为 I=CU n (2-1) 式中，C 为常数，n 为检波律，U 为检波电压。 检波电压 U 与探针的耦合电场成正比。晶体管的检波律 n 随检波电压 U 改变。在弱信号 工作（检波电流不大于 10 μA）情况下，近似为平方律检波，即 n=2；在大信号范围，n 近似
1 ⎡ ⎢ n ⎣ I m ax 1 + I m in 1 I m ax 2 +L + I m in 2 I m ax n ⎤ ⎥ I m in n ⎦
（3-1b）
在 n≠2 时
ρ =
m ax m in
=
（3-1c）
而终端复反射系数的模值|Γl| 与驻波比有如下关系：
Γ
l
=
ρ −1 ρ +1 λg λ φl + (2n + 1) g 4π 4
f =
3 × 108
λ
(2 -6 )
另外，信号源工作频率亦可用吸收式频率计测量。
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实验步骤
1． 开通测试系统 ① 按图 1-1 所示连接微波测量系统，终端接上短路负载。 ② 打开信号源、选频放大器的电源，将信号源设置在内调制（方波）状态，将衰减器调整 到合适位置。 ③ 在开槽测量线终端接短路负载后，调节整个探头（旋动测量线上的大旋钮）使内部探针 耦合匹配，直到选频放大器输出指示最大。 ④ 反复调整输出衰减器、探头活塞位置等，通过选频放大器指示，确定测量线工作在比较 灵敏的最佳状态。 2． 波导波长测量 从负载端开始旋转测量线上整个探头位置（内含探针） ，使选频放大器指示最小，此时即为 测量线等效短路面，记录此时的探针初始位置，记作zmin0 ，并记录数据; ② 继续旋转探头（由负载向信号源方向）位置，可得到一组指示最小点位置 z1，z2，z3， z4 ，反复测 3 次，记入表 1； ③ 将数据代入式（2-4） ，计算出波导波长，并换算成频率。 ④ 用频率计测量信号源工作频率：吸收式频率计连在信号源与检波器之间。当吸收式频率 计失谐时，微波能量几乎全部通过频率计，此时选频放大器指示最大。慢慢调节吸收式频率计， 当调至频率计谐振状态时，一部分能量被频率计吸收，使选频放大器指示出现明显减小并达最 小处，此时读得吸收式频率计上指示的频率（频率计上两红线之间的刻度读数）即为信号源工 作频率，反复测 3 次，记入表 2 。可将测量结果（取其平均值）与用波导波长换算的结果进行 比较。