實驗七 微波技術(shù)

1、實驗七 微波的傳輸特性和基本測量微波通常是指波長為1mm至1m，即頻率范圍為300GHZ至300MHz的電磁波。其下端與無線電通訊的短波段相連接，上端與遠(yuǎn)紅外光相鄰近。根據(jù)波長差異還可以將微波分為米波，分米波,厘米波和毫米波。不同范圍的電磁波既有其相同的特性，又有各自不同的特點。下面對微波的特點作簡要介紹。1微波波長很短，比建筑物、飛機、船舶等地球上一般物體的幾何尺寸小得多，微波的衍射效應(yīng)可以忽略，故，微波與幾何光學(xué)中光的傳輸很接近，具有直線傳播性質(zhì)，利用該特點可制成方向性極強的天線、雷達等。2微波頻率很高，其電磁振蕩周期為10-910-12秒，與電子管中電子在電極間渡越所經(jīng)歷的時間可以相比擬

2、。因此，普通的電子管已不能用作微波振蕩器、放大器和檢波器，必須采用微波電子管（速調(diào)管、磁控管、行波管等）來代替。其次，微波傳輸線、微波元器件和微波測量設(shè)備的線度與微波波長有相近的數(shù)量級，因此，分立的電阻器、電容器、電感器等全不同的微波元器件。3微波段在研究方法上不象低頻無線電那樣去研究電路中的電壓和電流，而是研究微波系統(tǒng)中的電磁場。以波長、功率、駐波系數(shù)等作為基本測量參量。4許多原子、分子能級間躍遷輻射或吸收的電磁波的波長處在微波波段，利用這一特點研究原子、原子核和分子的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了微波波譜學(xué)、量子無線電物理等尖端學(xué)科，以及研究低嘈聲的量子放大器和極為準(zhǔn)確的原子、分子頻率標(biāo)準(zhǔn)。5某些波段的微波

3、能暢通無阻地穿過地球上空的電離層，因此微波為宇宙通訊、導(dǎo)航、定位以及射電天文學(xué)的研究和發(fā)展提供了廣闊的前景。由此可見，在微波波段，不論處理問題時所用的概念、方法，還是微波系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，都與普通無線電不同。微波實驗是近代物理實驗的重要實驗之一。微波技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，深入到國防軍事（雷達、導(dǎo)彈、導(dǎo)航），國民經(jīng)濟（移動通訊、衛(wèi)星通信、微波遙感、工業(yè)干燥、酒老化），科學(xué)研究（射電天文學(xué)、微波波譜學(xué)、量子電子學(xué)、微波氣象學(xué)），醫(yī)療衛(wèi)生（腫瘤微波熱療、微波手術(shù)刀），以及家庭生活（微波爐）等各個領(lǐng)域。一.實驗?zāi)康?. 熟悉常用微波器件的結(jié)構(gòu)、原理和使用方法；2. 了解微波振蕩源的基本工作特性和微波的傳輸

4、特性；3. 掌握頻率、功率、波導(dǎo)波長以及駐波比等基本量的測量。二實驗原理2.1微波振蕩源微波信號源是提供微波信號的必備儀器。微波源可分為兩大類：一類是電子管，另一類是固體電子器件。前者使用反射速調(diào)管、行波管和磁控管等；后者則使用體效應(yīng)管、雪崩管和微波晶體管等。一般實驗室中常用的是反射速調(diào)管振蕩器，但近來一些新型的微波固態(tài)信號源（如體效應(yīng)振蕩器等）已被廣泛應(yīng)用。由于固態(tài)源具有體積小、重量輕、耗電省以及便于集成等優(yōu)點，相當(dāng)多的場合已經(jīng)取代了速調(diào)管微波源。本實驗所用的就是固態(tài)源。這里主要介紹耿氏二極管振蕩器或稱體效應(yīng)微波信號源。耿氏二極管振蕩器，也稱之為固態(tài)源。耿氏二極管振蕩器的核心是耿氏二極管，如

5、圖4-1所示。1963年耿氏在實驗中觀察到，在n型砷化鎵樣品的兩端加上直流電壓，當(dāng)電壓較小時樣品電流隨電壓增高而增大；當(dāng)電壓V超過某一臨界值Vth后，隨著電壓的增高電流反而減小。這種隨電場的增加電流下降的現(xiàn)象稱為負(fù)阻效應(yīng)；電壓繼續(xù)增大(V>Vb)則電流趨向飽和，如圖4-2所示。這說明n型砷化鎵樣品具有負(fù)阻特性。 圖4-1 體效應(yīng)二極管的剖面 圖4-2耿氏二極管電流-電壓特性砷化鎵的負(fù)阻特性可用半導(dǎo)體能帶理論解釋，如圖4-3所示。砷化鎵是一種多能谷材料，n型砷化鎵的導(dǎo)帶是雙谷高能谷和低能谷結(jié)構(gòu)，兩個能谷間能量差為0.36eV，小于其禁帶寬度1.43eV，但大于熱運動動能kT。其中具有最低能

6、量的主谷和能量較高的臨近子谷具有不同的性質(zhì)。當(dāng)電子處于主谷時有效質(zhì)量m*較小，則遷移率較高；當(dāng)電子處于子谷時有效質(zhì)量m*較大，則遷移率較低。在常溫下且無外加電場時，大部分電子處于電子遷移率高而有效質(zhì)量低的主谷。隨著外加電場增大，電子平均漂移速度也增大。當(dāng)外加電場大到足夠使主谷的電子能量增加至0.36eV時，部分電子轉(zhuǎn)移到子谷，在那里遷移率低而有效質(zhì)量較大。結(jié)果是隨著外加電壓的增大，即電子的平均漂移速度反而減小，出現(xiàn)單調(diào)下降的微分負(fù)阻特性，直到V=Vb時，低谷中的電子全部轉(zhuǎn)移到高能谷。電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)是體效應(yīng)的物理基礎(chǔ)，所以體效應(yīng)管也稱為電子轉(zhuǎn)移器件。 圖4-3砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) 圖4-4耿氏管中的疇

7、的形成、傳播和消失過程圖4-4為耿氏管示意圖。在管兩端加電壓，當(dāng)管內(nèi)電場大于Er(Er負(fù)阻效應(yīng)起始電場強度)時，由于管內(nèi)局部電量的不均勻漲落（通常在陰極附近），在陰極端開始生成電荷的偶極疇。偶極疇的形成使疇內(nèi)電場增大而使疇外電場下降，從而進一步使疇內(nèi)的電子轉(zhuǎn)入高能谷，直至疇內(nèi)電子全部進入高能谷，疇不再長大。此后，偶極疇在外電場作用下以飽和漂移速度向陽極移動直至消失。而后整個電場重新上升，再次重復(fù)相同的過程，周而復(fù)始地產(chǎn)生疇的建立、移動和消失，構(gòu)成電流的周期性振蕩，形成一連串很窄的電流，這就是耿氏二極管的振蕩原理。耿氏二極管的工作頻率主要由偶極疇的渡越時間決定。實際應(yīng)用中，一般將耿氏管裝在金屬諧

8、振腔中做成振蕩器，通過改變腔體內(nèi)的機械調(diào)諧裝置可在一定范圍內(nèi)改變耿氏振蕩器的工作頻率。為提高體效應(yīng)管振蕩器的頻率穩(wěn)定性，降低燥聲，擴展調(diào)諧范圍和提高效率，必須把體效應(yīng)管與特定的諧振電路結(jié)合起來。一個好的選擇是用體效應(yīng)管作為有源元件做成TE10模波導(dǎo)諧振腔振蕩器。其調(diào)諧方式有調(diào)諧桿機械和變?nèi)輧煞N。GaAs材料制成的體效應(yīng)管對溫度很敏感，可用恒溫、補償、鎖定等計術(shù)或用溫度系數(shù)低的殷鋼制造諧振腔等措施來提高頻率的穩(wěn)定性。2.2 微波傳輸線1. 概述。常用的微波傳輸線有同軸傳輸線、波導(dǎo)傳輸線、微帶傳輸線等。由于輻射損耗、介質(zhì)損耗、承受功率和擊穿電壓等的影響，同軸線和微帶線的使用受到一定的限制，波導(dǎo)傳輸

9、線由于無輻射損耗和外界干擾，結(jié)構(gòu)簡單，擊穿強度高等特點，在微波段得到廣泛應(yīng)用。傳輸線中某一確定的電磁場分布稱為波型，通常用TEM、TE或TM表示。同軸線是由內(nèi)導(dǎo)體和一根環(huán)繞它的同心管形外導(dǎo)體組成，其間充有絕緣介質(zhì)。它傳輸?shù)碾姶艌鰞H分布在橫解面上而無縱向分量的橫電磁波(TEM波)。橫截面上，磁力線為環(huán)繞內(nèi)導(dǎo)體的閉合同心圓，電力線與磁力線垂直、沿圓環(huán)的徑向。波導(dǎo)是空心金屬管的總稱，按截面形狀不同分為矩形波導(dǎo)和圓形波導(dǎo)兩大類。為減少內(nèi)壁損耗，內(nèi)壁要有較好的光潔度,并鍍銀以提高電導(dǎo)率。由于空心波導(dǎo)中無任何導(dǎo)體，故不能傳輸TEM波，但能傳輸TE和TM橫電磁波。TE波的特性是電場為純橫向，具有縱向磁分量。

10、所以又稱為（縱向）磁波(H波)。TM波與TE波相反，其磁場是純橫向，因具有縱向電場分量，所以又稱為(縱向)電波(E波)。TE波和TM波均可有無窮多個波型，常寫成TEmn和TMmn波。下標(biāo)m,n為包括零在內(nèi)的正整數(shù)。為實現(xiàn)單一波型(單模)傳輸，常把波導(dǎo)尺寸設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)化的寬邊為a，窄邊為b的矩型波導(dǎo)。只要滿足b =(0.40.5)a的關(guān)系，波導(dǎo)就只傳輸TEmn的最低模，即TE10波(H10波)，此時m=1,n=0。下面將看到：m和n分別代表電磁波沿寬邊和窄邊交變的次數(shù)(半波長數(shù))。當(dāng)m或n為零時，表明電磁場在相應(yīng)方向保持恒定。實際應(yīng)用中通常是將波導(dǎo)管設(shè)計成只能傳輸單一波型矩形波導(dǎo)中的TE10波。由

11、于其可單模傳輸、頻帶寬、低損耗、模式簡單穩(wěn)定、易于激勵和耦合等優(yōu)點，應(yīng)用最廣泛。2. 矩形波導(dǎo)中的TE10波矩形波導(dǎo)是一個橫截面為矩形的均勻、無耗波導(dǎo)管，如圖4-5所示。實驗室常用的波導(dǎo)管，寬邊=22.86 mm、窄邊 =10.16mm 。設(shè)矩形波導(dǎo)管內(nèi)壁為理想導(dǎo)體，且波導(dǎo)管沿z 軸方向為無限長。當(dāng)TE10波在波導(dǎo)中傳輸時，在波導(dǎo)內(nèi)壁表面厚為(趨膚深度)的表面內(nèi)將感應(yīng)產(chǎn)生管壁電流。圖4-5 矩形波導(dǎo)管根據(jù)麥克斯韋方程可得矩形波導(dǎo)中TE10波的各電磁場分量為：Ex= E z= 0 （41） （42） （43） （44）Hy = 0 （45）圖4-6 TE10波的電磁結(jié)構(gòu)相應(yīng)的電磁場結(jié)構(gòu)如圖4-6

12、所示，它具有以下特性：（1） Ez = 0，Hz 0，電場在z方向無分量，為橫電波；（2） 電磁場沿x方向為一個駐立半波，沿y方向為均勻分布；（3） 電磁場沿z方向為行波狀態(tài)。在該方向，電磁場分量Ey與Hx的分布規(guī)律相同，與Hz的位相則差 /2。矩型波導(dǎo)管中的TE10電磁波的場結(jié)構(gòu)及其感生的管壁電流分布，對于設(shè)計波導(dǎo)管元件和波導(dǎo)中電磁波的激勵與耦合裝置,具有重要的意義.3. 傳輸線的特性參量與工作狀態(tài)。在波導(dǎo)中常用相移常數(shù)、波導(dǎo)波長、駐波系數(shù)等特性參量來描述波導(dǎo)中的傳輸特征。對于矩形波導(dǎo)中的TE10波：自由空間波長（46）截止(臨界)波長（47）波導(dǎo)波長 （48）駐波比 （49）相移常量 （4

13、10）反射系數(shù) （411）為描述反射大小，定義反射波電壓與入射波電壓之比為電壓反射系數(shù)，簡稱反射系數(shù)。反射波與入射波會在長線上相干產(chǎn)生駐波。長線上電壓的最大值與最小值之比稱為電壓駐波比，簡稱駐波比。長線是指縱向長度大于0.1的傳輸線。由此可見：微波在波導(dǎo)中傳輸時，存在著一個截止波長c=，是波導(dǎo)中能通過的電磁波波長的上限。它是波導(dǎo)傳輸線重要的傳輸特性參數(shù)。波導(dǎo)中只能傳輸c的電磁波。所以矩形波導(dǎo)實際上是一個高通濾波器，這樣，才能實現(xiàn)單模傳輸。g 是相位波長或稱波導(dǎo)波長, 定義為均勻波導(dǎo)中某頻率和某模式的行波，沿縱軸場分量的相位差為的相鄰點之間的距離，即在波導(dǎo)中Z方向相鄰的兩個同位相點之間的距離。它

14、大于自由空間波長。實際應(yīng)用中，傳輸線并非是無限長。此時傳輸線中的電磁波由入射波與反射波迭加而成，傳輸線中的工作狀態(tài)主要決定于負(fù)載的情況。（1）波導(dǎo)終端接匹配負(fù)載時，微波功率全部被負(fù)載吸收，無反射波，波導(dǎo)呈行駐波狀態(tài)。此時| = 0， =1。此時長線上各點的電源平均值保持常數(shù)，傳輸純行波。（2）波導(dǎo)終端短路（接理想導(dǎo)體板）、開路或接純電抗性負(fù)載時，形成全反射，波導(dǎo)中呈純駐波狀態(tài)。此時 | = 1， = ，傳輸純駐波。（3）波導(dǎo)終端接一般性負(fù)載（有電阻又有電抗）時，形成部分反射，波導(dǎo)中呈行駐波狀態(tài)，此時0<<1，1 < < 。此時，由于長線上既有行波，也有駐波，傳輸?shù)氖腔觳?/p>

15、。從能量角度講，匹配狀態(tài)相應(yīng)于負(fù)載吸收全部微波功率。全反射狀態(tài)相應(yīng)于負(fù)載對微波功率全部反射；混波狀態(tài)相應(yīng)于負(fù)載部分吸收和部分反射微波功率的中間態(tài)。 4. 微波諧振腔諧振腔是一段封閉的金屬導(dǎo)體空腔，具有儲能，選頻等特性。常用的諧振腔分矩形和圓柱形兩種，下面介紹矩形諧振腔。矩形諧振腔是一段長度L為g/2的整數(shù)倍的矩形波導(dǎo)管。兩端用金屬片封閉而成，其輸入輸出的能量通過金屬片上的小孔耦合。矩形諧振腔中可能存在無窮多個TE或TM振蕩模式。通常用TEmnp和TMmnp表示。式中下標(biāo)m、n、p為整數(shù)。p不能為零。對TE模m，n不能同時為零；對TM模m，n均不能為零。矩形諧振腔的諧振頻率為 （412）2.3

16、常用的微波元件圖4-7 常用微波元件示意圖微波元件是微波系統(tǒng)的組成部分，它們對微波信號或能量進行定向傳輸、衰減、分配、儲存、隔離、濾波、相位控制、波形轉(zhuǎn)換、阻抗變換和調(diào)配以及其他特殊功能。工程上的微波元件有波導(dǎo)型、微帶型等不同類型，這里主要介紹幾種常用的波導(dǎo)型微波元件，如圖4-7所示。1. 隔離器。這是一種鐵氧體非互易性器件。通常是微波鐵氧體（有的還要附加吸收片）置于一段直波導(dǎo)內(nèi)的恰當(dāng)位置，外加恒定磁場而成。它具有單向?qū)ǖ奶匦裕锤綦x器在正向時只允許微波沿一個方向幾乎無衰減的通過，對相反方向傳輸?shù)奈⒉üβ食孰娮栊晕眨蚴艿胶艽蟮乃p而難以通過。其隔離系數(shù)定義為反向傳輸衰減和正向傳輸衰減之比

17、的對數(shù)值的10倍，用分貝(dB)來表示。隔離器常用于振蕩器與負(fù)載之間，起隔離和單向傳輸作用，即允許信號源的功率傳向負(fù)載，負(fù)載引起的反射不能傳向信號源。2. 衰減器。這是一種電阻性器件。分為固定式和可變式兩類，在實驗中應(yīng)用較多的可變衰減器是通過在寬壁開槽的直波導(dǎo)內(nèi)，插入槽內(nèi)的可移動的吸收片（通常是鍍有電阻性材料的玻璃片）而成?？勺兯p器分為平移式、插入式和旋轉(zhuǎn)式等幾種。通過改變衰減片在波導(dǎo)內(nèi)的位置、面積大小或取向可以連續(xù)地改變衰減量的大小。可變衰減器外部的衰減片位置刻度，通過廠家所附衰減曲線圖或表格可查出相應(yīng)的衰減量。衰減器起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率及去藕的作用。3. 匹配負(fù)載。接在傳輸系統(tǒng)終端的單臂

18、微波元件，用于傳輸系統(tǒng)終端建立純行波狀態(tài)。通常做成波導(dǎo)段的形式，內(nèi)置吸收片。吸收片做成特殊的劈形,實現(xiàn)與波導(dǎo)間的慢過渡匹配，進入匹配負(fù)載的入射微波功率幾乎全部被吸收。通常要求駐波比<1.06，相當(dāng)于沒有反射。4. 晶體檢波器。用于檢測微波信號。它的典型機構(gòu)是在一段直波導(dǎo)上加裝微波檢波二極管、短路活塞和調(diào)配螺釘而成。其核心部分是跨接于矩形波導(dǎo)寬壁中心線上的點接觸微波兩極管。晶體檢波二極管置于平行微波電場方向，當(dāng)有微波輸入時，在晶體中感應(yīng)出微波信號。短路活塞和調(diào)配螺釘保證檢波器有較高的靈敏度和較好的匹配特性。當(dāng)微波信號是連續(xù)波，整流后的輸出為直流；當(dāng)微波信號為方波調(diào)制，輸出為低頻信號。輸出信

19、號由與兩極管相連的同軸線中心導(dǎo)體引出，接到相應(yīng)的指示器，如選頻放大器。測量時反復(fù)調(diào)節(jié)波導(dǎo)終端的短路活塞的位置以及輸入前端三個螺釘?shù)拇┥於龋箼z波電流達到最大值，得到較高的測量靈敏度。點接觸兩極管的功率承受能力極差，使用中要特別注意不要使信號過大，否則會因過載而損壞兩極管。定量檢測中要注意校正檢波電流與加在其上的電壓的依賴關(guān)系。當(dāng)檢波電流小于10A時，電流于電壓的平方近似成比例，即一般的按平方率檢波。而當(dāng)檢波電流大于10A時，則由平方率變?yōu)榻凭€性關(guān)系。5. 頻率（波長）計。實驗中用的較多的是“吸收式”諧振頻率計。諧振式頻率計由傳輸波導(dǎo)與圓柱形諧振腔和直讀顯示機構(gòu)構(gòu)成?？涨煌ㄟ^隙孔耦合到一段直波

20、導(dǎo)管上。諧振式頻率計的腔體通過耦合元件與待測微波信號的傳輸波導(dǎo)相連接，形成波導(dǎo)的分支。當(dāng)頻率計的腔體失諧時，腔里的電磁場極為微弱，此時它不吸收微波功率，也基本不影響波導(dǎo)中的傳輸，相應(yīng)地系統(tǒng)終端輸出端的信號監(jiān)測器上所指示的為一恒定大小的信號輸出。測量頻率時，調(diào)節(jié)頻率計上的調(diào)諧機構(gòu)（轉(zhuǎn)動頻率計），當(dāng)頻率計調(diào)諧到與信號頻率諧振時，諧振腔吸收能量，則到達終端信號檢測器的微波功率突然減少，由指示器可看出傳輸功率有一個明顯的跌落。只要讀出對應(yīng)系統(tǒng)輸出為最小值時調(diào)諧機構(gòu)上的讀數(shù)，就得到所測量的微波頻率。6. 駐波測量線。用來測量微波傳輸線中合成電場（沿軸線）的分布，一般包括開槽線、探針耦合指示機構(gòu)及位置移動

21、裝置三部分。如圖8，當(dāng)測量線接入測試系統(tǒng)時，其波導(dǎo)中建立起駐波電磁場。駐波電場在波導(dǎo)寬邊正中央最大，沿軸向成周期函數(shù)分布。在矩形波導(dǎo)的寬邊中央的軸向開一條狹槽，伸入一根金屬探針，則探針與傳輸波導(dǎo)1電力線平行耦合，得到大小正比于該處場強的感應(yīng)電動勢，經(jīng)過晶體管檢波器變成電流信號輸出，指示器的讀數(shù)可以間接表示場強的大小。當(dāng)探針沿波導(dǎo)移動時，輸出信號顯示出波導(dǎo)中電場沿傳播方向的變化，從而可以求出駐波比和波導(dǎo)波長及負(fù)載阻抗等。61、傳輸波導(dǎo)2、探針3、同軸腔4、微波二極管5、調(diào)諧活塞6、檢波滑座24351圖8 波導(dǎo)測量線工作原理示意圖探針在主波導(dǎo)中的穿伸度通過螺絲可上下調(diào)節(jié)?；钊恢糜身敳柯萁z上下調(diào)節(jié)

22、，整個探針架置于探頭座上，可通過轉(zhuǎn)動旋紐沿槽移動，探針的位置可由測量線上所附標(biāo)尺或測微計讀取。7. 雙T調(diào)配器。由一個雙T波導(dǎo)和兩只調(diào)節(jié)活塞構(gòu)成，如圖9。在E臂、H臂內(nèi)裝有短路活塞，改變活塞位置，可使系統(tǒng)獲得匹配。這種匹配器頻帶寬，駐波匹配范圍寬,可用在高功率傳輸系統(tǒng)。當(dāng)端口2(或3)接任意有損耗的待匹配負(fù)載時，適當(dāng)調(diào)節(jié)兩活塞的位置，總可使端口3(或2)呈現(xiàn)匹配而不存在死區(qū)，調(diào)節(jié)方便。圖9 雙T調(diào)配器8. 短路活塞。是接在傳輸系統(tǒng)終端的單臂微波元件。其功能與匹配負(fù)載剛好相反，它接在終端對入射微波功率幾乎全部反射而不吸收，從而在傳輸系統(tǒng)中形成純駐波狀態(tài)。它是一個可移動金屬短路面的矩形波導(dǎo)，短路面

23、位置通過螺旋來調(diào)節(jié)并可直接讀數(shù)。在實驗中它可接在樣品諧振腔后，用來調(diào)整諧振腔的工作狀態(tài)。9. 選頻放大器。對微波二極管的檢波電流進行放大，是一個高增益、低燥聲、具有選頻特性的放大器。在信號源內(nèi)用1kHz方波對微波信號進行調(diào)幅后輸出，選頻放大器則對此1KHz方波進行有效放大。使用中注意合理選擇增益和頻帶范圍，保證其穩(wěn)定工作。指示用的表頭有兩種刻度：一種是均勻分格讀數(shù),可直讀信號的大小，上標(biāo)值為線性指示，下為相應(yīng)的對數(shù)（dB）指示；另一種是駐波比刻度，它的滿刻度作為駐波電壓的波腹讀數(shù)，把測量線調(diào)到波節(jié)時的讀數(shù)即為駐波比。上為駐波比13，下為3.210。10. 功率計。微波小功率計是一種熱電偶功率計

24、，由功率探頭和指示器兩部分組成。探頭用鉍-銻熱電堆膜片組成，既用作熱電換能器，又作為吸收微波功率的匹配負(fù)載。熱電偶的溫差電動勢由同軸線引出，經(jīng)放大和定標(biāo)后轉(zhuǎn)換為功率讀數(shù)示值。這種功率計的缺點是測量誤差較大，主要來自失配誤差。此外，探頭的抗過載能力差，使用不當(dāng)易于燒毀。功率計的探頭部分有同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換接頭，在測量時與波導(dǎo)系統(tǒng)連接。連接時注意：一是波導(dǎo)矩形截面相互對齊；二是波導(dǎo)拆卸面(短路面)之間保持密合和良好的電接觸，緊固穿孔螺絲時松緊恰當(dāng)。使用時要防止撞擊和損傷波導(dǎo)及拆卸面，及不要接觸或擦傷波導(dǎo)管的鍍銀內(nèi)壁。測量功率時，必須先開機預(yù)熱功率計，校正零點。測量時要注意恰當(dāng)選擇探頭的衰減倍率，量程選擇

25、要逐步由大到小，以免燒壞探頭。小量程時應(yīng)經(jīng)常校正零點。2.4 微波的基本測量1. 波導(dǎo)波長和駐波比的測量。駐波比定義為波導(dǎo)中駐波極大值點與駐波極小值點的電場之比，即 （413）其中Emax或Emin分別表示波導(dǎo)中駐波極大值點與駐波極小值點的電場強度。實驗中常用駐波測量線測定波導(dǎo)波長和駐波比。用駐波測量線測量時，要注意探針在開槽波導(dǎo)管內(nèi)有適當(dāng)?shù)拇┥於?，一般取波?dǎo)窄邊寬度的5% 10 %。實驗前注意駐波測量線的調(diào)諧，一般是將測量線終端短接，形成純駐波場，移動探針置于波腹點，調(diào)節(jié)測量線，使得波腹點位置的檢波電流最大，反復(fù)進行多次。(1) 波導(dǎo)波長的測量。波導(dǎo)波長在數(shù)值上為相鄰兩個駐波極值點（波腹或波

26、節(jié)）距離的兩倍。由于場強在極大值點附近變化緩慢，峰頂位置不宜確定，實際采用測定駐波極小點位置來求出波導(dǎo)波長?？紤]到駐波極小點附近變化平緩，測量值不夠準(zhǔn)確，測量時通常不直接測量駐波極小點位置，而是通過平均值法間接測量。亦即測極小點附近兩點（此兩點在指示器上的輸出幅度相等）的坐標(biāo)，然后取這兩點坐標(biāo)的平均值，即得極小點坐標(biāo)，如圖4-10所示。兩個相鄰極小點的半個波導(dǎo)波長g為 （414）即 （415）其中（x1，x1）（x2，x2）分別為極小值點兩旁輸出幅度相等的兩點坐標(biāo)。圖10 駐波極小點的確定圖11 二倍極小功率法(2) 駐波比的測量。由于終端負(fù)載不同，駐波比也有大中小之分。因此，首先應(yīng)根據(jù)駐波極

27、值點所對應(yīng)的檢波電流，粗略估計駐波比的大小。實驗中微波信號比較弱，可認(rèn)為檢波晶體（微波二極管）符合平方律檢波，即I V2 。否則需進行修正。由公式 （416）求出的粗略值后，再按照駐波比的三種情況，進一步精確測定值。大駐波比（>6）的測量：大駐比情況下，檢波電流Imax與Imin相差太大。波節(jié)點上檢波電流極微，波腹點上二極管檢波特性遠(yuǎn)離平方律，可采用“二倍極小功率法”。如圖4-11所示。利用駐波測量線測量極小點兩旁功率為其二倍的點坐標(biāo)，進而求出d，則 (>> 1) （417）中駐波比（1.5 6）的測量：中駐波比情況可直接根據(jù)式(4-16)計算。小駐波比（1.005 1.5）

28、的測量：小駐波比情況下，駐波極大值點與極小值點的檢波電流相差細(xì)微，因此采用測量多個向鄰波腹與波節(jié)點的檢波電流值，進而取平均的方法。 （418）2. 微波功率的測量。微波功率是表征微波信號強弱的一個物理量，通常采用替代或比較的方法進行測量，即將微波功率借助于能量轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成易于測量的低頻或直流物理量，來實現(xiàn)微波功率的測量。實驗室中通常采用吸收式微瓦功率計（如GX2A）。在功率計探頭表面，用兩種不同金屬噴鍍在薄膜基體上形成電熱堆，放在同軸線的電場中間，它既是終端吸收的負(fù)載，又是熱電轉(zhuǎn)換元件。在未輸入微波功率時，熱電堆節(jié)點之間沒有溫差，因而沒有輸出；當(dāng)輸入微波功率時，熱電元件吸收微波功率使熱電堆的熱

29、節(jié)點溫度升高，這就與冷節(jié)點產(chǎn)生溫差而引起溫差電動勢（微弱的直流勢），且該元件產(chǎn)生的直流電勢是與微波功率成正比例的。三實驗裝置實驗裝置如圖4-12所示，其中微波振蕩源為反射速調(diào)管震蕩器或固態(tài)源。整個微波測量線路由3cm波段波組元件組成，主要為隔離器、衰減器、頻率計、晶體檢波器、選頻放大器、微瓦功率計和駐波測量線等。圖4-12 實驗裝置示意圖四. 實驗內(nèi)容與步驟熟悉有關(guān)儀器的基本原理，掌握有關(guān)儀器的使用、注意事項及正確的開關(guān)機順序。（一）微波測量系統(tǒng)的調(diào)試。1微波信號源（如圖13）開機后，工作狀態(tài)的指示燈在最右邊位置，此工作狀態(tài)下沒有微波功率輸出。由于本實驗中指示器為選頻放大器，故信號源“重復(fù)頻率

30、”量程置于“×10”，園盤刻度置于“100”處（在信號源的左中、下角）（調(diào)好將不再變動）。信號源面板有“衰減”和“頻率”顯示值。輸出功率由“衰減”調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)，順時針輸出減小，逆時針輸出變大。2“調(diào)諧”旋鈕調(diào)節(jié)使信號源的工作頻率發(fā)生改變，順時針頻率升高，逆時針頻率降低。圖13 YM1123標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器控制面板3通過信號源工作狀態(tài) 鍵，置工作狀態(tài)在“”方波狀態(tài)。此時信號源輸出的是1KHz方波調(diào)制下的（10GHz）微波功率。注意：為防止在拆裝微波元器件時，微波功率從波導(dǎo)中輻射，請將工作狀態(tài)通過 選擇在最右邊位置“外整步”后再拆裝。4選頻放大器輸入阻抗置于“200K”，“正常5dB”開關(guān)置于“正?！睜顟B(tài)，（5dB為使輸入信號減小5dB）。右上部“通帶”放在“40Hz”（帶寬越窄，通帶Q值越高，增益越高）。5此時整個系統(tǒng)已工作。依次調(diào)節(jié)E-H調(diào)配器、E面和H面羅盤，改變信號源功率