電磁場微波實驗指導書(電子專業(yè))

1、電磁場、微波測量實驗指導書(電子專業(yè)適用)實驗一 電磁波參量的測量一、實驗目的（1）在學習均勻平面電磁波特性的基礎上，觀察電磁波傳播特性如E、 H和 S 互相垂直。（2）熟悉并利用相干波原理，測定自由空間內電磁波波長，并確定電磁波的相位常數 和波速。（3）了解電磁波的其他參量，如波阻抗等。二、實驗儀器（1） DH1211型3cm固態(tài)源1臺（2） DH926A型電磁 波綜合測試儀1套（3） XF-01選頻放大器1臺（4） PX-16型頻率計三、實驗原理兩束等幅、同頻率的均勻平面電磁波，在自由空間內從相同（或相反）方向傳播時，由于初始相位不同，它們相互干涉的結果，在傳播路徑上形成駐波分布。通過測定

2、駐波場節(jié)點的分布，求得波長的值，由、得到電磁波的主要參數：、。設入射波為：當入射波以入射角向介質板斜投射時，在分界面上產生反射波和折射波。設入射波為垂直極化波，用表示介質板的反射系數，用和表示由空氣進入介質板和由介質板進入空氣的折射系數?？蓜影搴凸潭ò宥际墙饘侔?，其電場反射系數為-1，則處的相干波分別為： 其中，因為是固定值，則隨可動板位移而變化。當移動值時，使具有最大輸出指示時，則有和為同相疊加；當移動值，使具有零值輸出指示時，必有和反相。故可采用改變的位置，使輸出最大或零指示重復出現。在處的相干波合成 或寫成 式中為測準入值，一般采用 零指示辦法 ，即或 n=0.1.2. n表示相干波合成

3、駐波場的波節(jié)點（）處。除n=0以外的n值，表示相干波合成駐波的半波長數。將n=0時的駐波節(jié)點作為參考位置: 故四、實驗內容（1）了解并熟悉電磁波綜合測試儀的工作特點，使用方法，特別要熟悉與掌握利用相干波原理測試電磁波波長的方法（2）了解3cm固態(tài)源的使用方法和正確操作。（3）電磁波E、H和S三者符合右手螺旋規(guī)則，向傳播的波應有：E=,H=-S=EH=（4）測量值 移動可動板，測值，根據測得值，計算、的值。（單位：mm）數字頻率計指示 MHz mm微安表零指示4可移動板總位移 mm自由空間波長= mm波的相位常數= 自由空間波速= m/s實驗二 微波測試系統的認識與調試一、實驗目的1. 了解微波

4、測試系統。2. 三厘米波導系統的安裝與調試。二、實驗原理1. 微波測試系統微波測試系統常用的有同軸和波導兩種系統。同軸系統頻帶寬，一般用在較低的微波頻段（二厘米波段以下）；波導系統（常用矩形波導）損耗低、功率容量大，一般用在較高頻段（厘米波段直至毫米波段）。微波測試系統通常由三部分組成，如圖21（a）所示。圖21 微波測試系統（1） 等效電源部分（即發(fā)送端）這部分包括微波信號源，隔離器，功率、頻率監(jiān)視單元。信號源是微波測試系統的心臟。測量技術要求具有足夠功率電平和一定頻率的微波信號，同時要求一定的功率和頻率穩(wěn)定度。功率和頻率監(jiān)視單元是由定向耦合器取出一小部分微波能量，經過檢測指示來觀察源的穩(wěn)定

5、情況，以便及時調整。為了減小負載對信號源的影響，電路中采用了隔離器。（2） 測量裝置部分（即測量電路）包括測量線、調配元件、待測元件、輔助器件（如短路器、匹配負載等），以及電磁能量檢測器（如晶體檢波架、功率計探頭等）。（3） 指示器部分（即測量接收器）指示器是顯示測量信號特性的儀表，如直流電流表、測量放大器、功率計、示波器、數字頻率計等。當對微波信號的功率和頻率穩(wěn)定度要求不太高時，測量系統可簡化如圖21（b）所示，微波信號源直接與測量裝置連接，其工作頻率可由波長計測得。2. 微波信號源通常，微波信號源有電真空和固態(tài)的兩種。3. 測量指示器常用指示器有指示等幅波的直流微安表、光點檢流計、微瓦功率

6、計，有指示調制波的測量放大器、選頻放大器。此外，還可用示波器、數字電壓表等作指示器。實驗室常用測量放大器和選頻放大器作指示器，因為這類儀表靈敏度高，能對微弱信號進行寬帶或選頻放大，接在測量線、晶體檢波器、熱敏電阻架及其它測試設備的輸出端可進行各類測量。三、實驗內容和步驟了解微波測試系統：1. 觀看按圖21（a）裝置的微波測試系統。2. 觀看常用微波元件的形狀、結構，并了解其作用、主要性能及使用方法。常用元件如：鐵氧體隔離器、衰減器、頻率計（或稱為波長表）、定向耦合器、晶體檢波器、全匹配負載、波導同軸轉換器等。四、注意事項測試過程中，若指示電表偏轉超過滿刻度或無指示，可調整可變衰減器衰減量或指示

7、器靈敏度。五、實驗報告要求寫出所用設備及儀器名稱，畫出測試裝置圖。六、思考題開啟電源前，為何將衰減器衰減量置于最大，而將指示器靈敏度置于最小位置？實驗三 微波工作波長的測量 一、實驗目的1. 熟悉測量線的使用方法。2. 掌握工作波長測量的方法。二、實驗原理1測量系統的連接與調整進行微波測量，首先必須正確連接與調整微波測試系統。圖31示出實驗室常用的微波測試系統，信號源通常位于左側，待測元件接在右側，以便于操作。連接系統平穩(wěn)，各元件接頭對準。晶體檢波器輸出引線應遠離電源和輸入線路，以免干擾。如果系統連接不當，將會影響測量精度，產生誤差。圖31 微波測試系統系統調整主要指信號源和測量線的調整以及晶

8、體檢波器的校準。信號源的調整包括振蕩頻率、功率電平及調制方式等。本實驗討論駐波測量線的調整和晶體檢波器的校準。2測量線的調整及波長測量（1）駐波測量線的調整駐波測量線是微波系統的一種常用測量儀器，它在微波測量中用途很廣，如測駐波、阻抗、相位、波長等。測量線通常由一段開槽傳輸線，探頭（耦合探針、探針的調諧腔體和輸出指示）、傳動裝置三部分組成。由于耦合探針伸入傳輸線而引入不均勻性，其作用相當于在線上并聯一個導納，從而影響系統的工作狀態(tài)。為了減小其影響，測試前必須仔細調整測量線。實驗中測量線的調整一般包括選擇合適的探針穿伸度、調諧探頭和測定晶體檢波特性。探針電路的調諧方法：先使探針的穿伸度適當，通常

9、取1.01.5mm。然后測量線終端接匹配負載，移動探針至測量線中間部位，調節(jié)探頭活塞，直到輸出指示最大。（2）波長測量測量波長常見的方法有諧振法和駐波分布法。a. 用諧振式波長計測量。調諧波長計，使得指示器指針達到最大值，記錄此時的波長計刻度，查表，確定波長計諧振頻率，再根據，計算出信號源工作波長。b. 用駐波測量線測量，當測量線終端短路時，傳輸線上形成純駐波，移動測量線探針，測出兩個相鄰駐波最小點之間的距離，即可求得波導波長，再根據公式（32）計算出工作波長。c. 將精密可調短路器接在測量線的輸出端，置測量線探針于某一波節(jié)點位置不變，移動可調短路器活塞，則探針檢測值隨之由最小逐漸增至最大，然

10、后又減至最小值，即為相鄰的另一個駐波節(jié)點，短路器活塞移動的距離等于半個波導波長。在傳輸橫電磁波的同軸系統中，按上述方法測出的波導波長就是工作波長，即，而在波導系統中，測量線測出的是波導波長，根據波導波長和工作波長之間的關系式： （31）便可算出工作波長 （32）式中，波導寬邊尺寸，本系統矩形波導型號為BJ-100 (mm2)，為了提高測量精度，通常采用交叉讀數法確定波節(jié)點位置，并測出幾個波長，求其平均值。所謂交叉讀數法是指在波節(jié)點附近兩旁找出電表指示數相等的兩個對應位置 ，然后分別取其平均值作為波節(jié)點位置，如圖32所示。 （33） （34） （35）圖32 交叉讀數法測量駐波節(jié)點位置3晶體檢波

11、器特性的測定檢波電流與加在晶體二極管上的電壓關系為： （36）式中n是晶體二極管檢波律；如，稱線性檢波；當，稱平方律檢波。圖33 二極管檢波特性二極管檢波特性隨其端電壓大小而變化，當其端電壓較小時，呈現出平方律；端電壓較大時，呈現出線性規(guī)律，如圖33所示。由圖可見，在范圍內近似線性；時呈平方律；處在范圍內，檢波律n不是整數。因此加在晶體管兩端電壓變化幅度較大時，n就不是常數，所以在精密測量中必須對晶體檢波律進行標定。測量線探針在波導中感應的電動勢（即晶體二極管兩端電壓U）與探針所在處的電場E成正比，因而，檢波電流和波導中的場強同樣滿足關系式： （37）故要從檢波電流讀數值決定電場強度的相對值，

12、就必須確定晶體檢波律n。當n2時，該檢波電流讀數即為相對功率指示值。實驗中，大多數微波測試系統屬于小信號工作狀態(tài)，因此，晶體檢波律基本為平方律，如果不是精密測量，可取n2。三、實驗儀器及裝置圖圖34 測試裝置圖四、實驗內容及步驟1調整測量線1.1 參照圖34連接各微波元件。1.2 測量線終端接晶體檢波架，調整微波信號源使獲得最佳方波調制輸出功率。1.3 調整測量線：（1）測量線終端接匹配負載，并將探頭晶體檢波輸出端接選頻放大器。（2）轉動探頭上部的調節(jié)螺母來調整探針插入深度，其讀數由頂部標尺刻度指示（單位為mm）。插入深度取11.5mm。調諧探針回路（調銀白色活塞），使指示器讀數最大，再調諧檢

13、波回路（黑色活塞），使指示器讀數最大。2. 工作波長的測量2.1 用波長計測量工作頻率，記錄數據，隨即失諧頻率計。表31 波長計測量工作波長信號源工作頻率波長計刻度查表對應工作頻率工作波長2.2 測量線終端換接短路板，移動探針至駐波節(jié)點，然后在此波節(jié)點兩邊以一個適當的讀數為參考，記下相應探針的位置 ，將探針移動相鄰的波節(jié)點上，用同樣的方法讀取，并計算波導波長，由式(32)計算工作波長，將上述測量和計算數據填入表32。 表32 計算和 單位：mm2.3 將精密可調短路器接在測量線的輸出端，置測量線探針于某一波節(jié)點位置不變，移動可調短路器活塞，在波節(jié)點兩邊以一個適當的讀數為參考，記下相應探針的位置

14、 ，將探針移動相鄰的波節(jié)點上，用同樣的方法讀取，并計算波導波長，由式(22)計算工作波長，將數據填入表33。表33 計算和 單位：mm五、思考題1閱讀實驗指導書，了解測量線的調整方法。六、注意事項1測量波導波長或其它微波參量時，測量線探針位置及短路活塞位置必須朝一個方向移動，以免引起回差。2. 當微波信號源工作頻率改變時，測量線必須重新調整。實驗四 電壓駐波比的測量一、實驗目的掌握測量大、中電壓駐波比的方法。二、實驗原理電壓駐波比（簡稱駐波比）是傳輸線中電場最大值與最小值之比，表示為： （41）測量駐波比的方法及儀器很多，本實驗討論用駐波測量線，根據直接法，等指示度法測量大、中電壓駐波比。1.

15、 直接法直接測量沿線駐波的最大和最小場強（參見圖41），根據式（41）直接求出電壓駐波比的方法稱直接法。該方法適用于測量中、小駐波比。圖41 無耗線上的駐波圖如果駐波腹點和節(jié)點處指示電表讀數分別為和，晶體二極管為平方律檢波，則式（41）成為： （42）當駐波比時，駐波的最大值和最小值相差不大，且波腹，波節(jié)平坦，難以準確測定。為了提高測量精度，可移動探針測出幾個波腹和波節(jié)點的數據，然后取其平均值。 （43a）或) （43b）當駐波比時，可直接測量場強最大值和最小值。2. 等指示度法等指示度法測量適用于大、中電壓駐波比（）。如果被測件駐波比較大，駐波腹點和節(jié)點電平相差懸殊，因而測量最大點和最小點電

16、平時，使晶體工作在不同的檢波律，故若仍按直接法測量駐波比誤差較大。等指示度法是測量駐波圖形節(jié)點兩旁附近的駐波分布規(guī)律，從而求得駐波比的方法，因此能克服直接法測量的缺點。圖42 等指示度法如圖42，設為駐波節(jié)點指示值，為駐波節(jié)點相鄰兩旁的等指示值，W為等指示度之間的距離，終端反射系數為，則： （44a）根據，及式，可得： （44b）當探頭為晶體平方律檢波，時，駐波比按式（34c）計算，這種方法也稱為“二倍最小值法”或“三分貝法”。 （44c）當時，很小，則式（34c）可簡化為： （45）3. 功率衰減法功率衰減法適用于任意駐波比的測量，它用精密可變衰減器測量駐波腹點和節(jié)點兩個位置上的電平差，從而

17、測出駐波比。改變測量系統中精密可變衰減器的衰減量，使探針位于駐波腹點和節(jié)點時指示電表的讀數相同，則駐波比可用下式計算： （46）式中，分別為探針位于波腹和波節(jié)點時精密衰減器衰減量。三、實驗儀器及裝置圖如圖43所示。四、實驗內容及步驟1. 微波測試系統的調整1.1 按圖33檢查測試系統，測量線終端接檢波架，開啟電源，預熱各儀器。1.2 按操作規(guī)程使信號源工作在方波調制狀態(tài)，并獲得最佳輸出。1.3 調整測量線，調整探針電路，檢波電路，使測量線工作在最佳狀態(tài)。調整輸入功率電平，使晶體工作在平方律檢波范圍內。圖43 測試裝置圖1.4 用直讀式頻率計測量工作頻率，記錄數據。1.5 測量線終端接短路板，用

18、交叉讀數法測量兩個相鄰波節(jié)點位置，計算波導波長，重復五次，將數據記于表41中，取平均值作為。 表41 波導波長 單位：mm次數n1232 用直接法測量開口波導及單螺釘的電壓駐波比。2.1 測量線終端開口，移動探針至駐波腹點，調整指示器靈敏度，使指示電表讀數達滿度（或近滿度，“100”或“90”）。2.2 分別測定駐波腹點和節(jié)點的幅值和 ，列表4-2記錄數據并計算。表42 駐波腹點和節(jié)點的幅值指示計讀數12342.3 測量線終端接單螺釘（旋入4mm）和匹配負載，重復步驟2.1，2.2，并測量兩次，列表記錄數據并計算 。3. 用等指示度法測量單螺釘的電壓駐波比。3.1 調節(jié)單螺釘穿伸度約7mm，測

19、量線探針移至駐波節(jié)點。調整可變衰減器，指示度靈敏度，必要時可調整測量線探針穿伸度（一般不調），使指示電表讀數接近“40”或“50”，讀取駐波節(jié)點幅值。3.2 緩慢移動探針，在駐波節(jié)點兩旁找到電表指示讀數為的兩個等指示度點，應用測量線標尺刻度讀取二個等指示度點對應的探針位置讀數值和，重復五次，將數據記于表43。3.3 根據公式計算駐波比。表43 等指示度法測駐波比次數n對應的探針位置（mm）（mm）12344. 功率衰減法 表44 可變衰減器讀數五、思考題1. 用等指示度法測量W時，移動測量線探針位置應注意什么？2. 推導公式（44a），(44b)和（44c）。 3. 開口波導的駐波比，為什么？

20、如何在波導終端獲得一個真正的開口面，應采用什么方法？六、實驗報告要求1. 畫出實驗裝置圖。2. 整理實驗數據。實驗五 定向耦合器特性的測量一、實驗目的研究定向耦合器的特性。二、實驗原理定向耦合器是一種有方向性的微波功率分配器件，通常有波導、同軸線、帶狀線及微帶等幾種類型。定向耦合器包含主線和副線兩部分，在主線中傳輸的微波功率經過小孔或間隙等耦合元件，將一部分功率耦合到副線中去，由于波的干涉和疊加，使功率僅沿副線中的一個方向傳輸（稱“正方向”），而在另一方向幾乎沒有（或極少）功率傳輸（稱“反方向”）。圖51 定向耦合器原理圖 定向耦合器的特性參量主要是：（1）耦合度，（2）方向性，（3）輸入駐波比，（4）帶寬范圍。1. 耦合度及其測量輸入至主線的功率與副線中正向傳輸的功率之比稱為定向耦合器的耦合度C。 （51）式中，、分別為主線輸入端的功率及電壓；、分別為副線正方向傳輸功率及電壓。本實驗測定某定向耦合器的耦合度。首先測量主波導輸入端的功率電平，然后將耦合器正向接入測量系統，參見圖52，測出副波導正向輸出端的功率電壓，在耦合度C可根據公式（51）計算。也可以改變精密可變衰減器衰減量，使兩種情況的檢測指示器讀數相等，則衰減器的讀數差即為耦合度C。圖52 測量定向耦合器耦合度裝置圖2. 方向性及其測量副線中正方向傳輸功率與反向傳輸的功率之比稱為定向耦合器的方向性D。 （52）式中，、分