实验3 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

111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 λλλ＝

其中：f /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 1

min 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

21

min 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)

a

m i n 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