微波基本參數(shù)的測(cè)量

1、微波基本參數(shù)的測(cè)量引言實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉和掌握微波測(cè)試系統(tǒng)中各種常用設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理及使用方法;2掌握微波系統(tǒng)中頻率、駐波比、功率等基本參數(shù)的測(cè)量方法;3按要求測(cè)出測(cè)量線中的駐波分布;實(shí)驗(yàn)原理微波系統(tǒng)中最基本的參數(shù)有頻率、駐波比、功率等。要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，首先要了解電磁波在規(guī)則波導(dǎo)內(nèi)傳播的特點(diǎn)，各種常用元器件及儀器的結(jié)構(gòu)原理和使用方法，其次是要掌握一些微波測(cè)量的基本技術(shù)。導(dǎo)行波的概念:E或磁由傳輸線所引導(dǎo)的，能沿一定方向傳播的電磁波稱為“導(dǎo)行波”。導(dǎo)行波的電場(chǎng)Hx y z場(chǎng) 都是 、 、 三個(gè)方向的函數(shù)。導(dǎo)行波可分成以下三種類型:橫電磁波(TEM波)：=0 H =0,EH波的特征是：電場(chǎng) 和磁場(chǎng)

2、 均無(wú)縱向分量，亦即：EZE。電場(chǎng) 和z磁場(chǎng) 都是純橫向的。TEM波沿傳輸方向的分量為零。所以，這種波是無(wú)法在波導(dǎo)中傳播的。橫電波( 波)：E波)，其特征是 zH HOTE波即是橫電波或稱為“磁波”=0,E。亦即：電場(chǎng) 是純橫向的,而 zH而磁場(chǎng) 則具有縱向分量。橫磁波( 波)：H =0 E HO，而 zTM波即是橫磁波或稱為“電波” )H。亦即：磁場(chǎng) 是純橫向的,波 ，其特征是 zE而電場(chǎng) 則具有縱向分量。TE波和 波均為“色散波”。矩形波導(dǎo)中，既能傳輸mm波，又能傳輸 mm波(其T Mmxny中 弋表電場(chǎng)或磁場(chǎng)在 方向半周變化的次數(shù)， 代表電場(chǎng)或磁場(chǎng)在 方向半周變化的次數(shù)色散波的特點(diǎn):由于

3、 波及 波與TEM波的性質(zhì)不同。色散波就有其自身的特點(diǎn):臨界波長(zhǎng)C小于臨界波長(zhǎng)入 時(shí)，電矩形波導(dǎo)中傳播的色散波，都有一定的“臨界波長(zhǎng)”。只有當(dāng)自由空間的波長(zhǎng) 磁波才能在矩形波導(dǎo)中得到傳播。TEmm波或TMmm波的臨界波長(zhǎng)公式為:人2、Ij(m) 22Dab如為表示。波導(dǎo)內(nèi)由入射波與反射波疊加而成的合成波，其相平面?zhèn)鞑サ乃俣确Q為 相速色散波在波導(dǎo)中的波長(zhǎng)用V*Vc因?yàn)?，波?dǎo)中電磁波是成“之”字形并以光速傳播的。所以，波導(dǎo)波長(zhǎng)兒 將gVV=* f =)1圖 示出了電磁波在波導(dǎo)中傳播的方向。r反射系數(shù) 和駐波比P波導(dǎo)終端接入負(fù)載后，由于負(fù)載性質(zhì)的不同，電磁波就將在終端產(chǎn)生不同程度用ZLG表示負(fù)載阻抗

4、。則反射系數(shù) 為:rr= -Zc ZLZcLr可見(jiàn)，反射系數(shù) 是個(gè)復(fù)數(shù)。當(dāng)特性阻抗 與負(fù)載阻抗 L相等（即接入匹配Zc Z負(fù)載）時(shí)：丨,入射波全部被負(fù)載吸收而無(wú)反射。當(dāng)終端短路（微波技術(shù)中的短路是指系 統(tǒng)終端接入全Z反射負(fù)載，即）時(shí)：r， 入射波被負(fù)載全部反射。 圖L1平面波的傳播r微波技術(shù)中，還經(jīng)常使用駐波比 來(lái)描述傳輸線阻抗匹配的情況。波導(dǎo)中駐波比r被定義為：波導(dǎo)中駐波電場(chǎng)最大值和電場(chǎng)最小值之比，即P maxE)駐波比P與反射系數(shù)F之間的關(guān)系應(yīng)為:722圖 不同負(fù)載情況下電場(chǎng)在波導(dǎo)中的分布圖rEj；=0 P=1及;波導(dǎo)中傳播的是“行波”，其幅值為 在負(fù)載匹配情況下有: 在負(fù)載短路情況下有:

5、及PY ；波導(dǎo)中傳播的是“純駐波”，其幅度值為 i ；2|E |ETv1 1 )H；：浹電場(chǎng)繪溝囲13圖 矩形波導(dǎo)中H10波的電磁場(chǎng)分布圖微波頻率的測(cè)量:頻率的測(cè)量是微波測(cè)量技術(shù)中的一個(gè)重要方面。本實(shí)驗(yàn)將采用“直接”和“間接”兩種不同的方法來(lái)測(cè)量頻率。直接測(cè)量法使用外差式頻率計(jì)或是數(shù)字微波頻率計(jì)就能直接讀出頻率的數(shù)值。亦可以使用吸收式空腔波長(zhǎng)計(jì)，利用空腔做 為諧振系統(tǒng)，并通過(guò)機(jī)械裝置進(jìn)行調(diào)諧。 此時(shí)即可由波長(zhǎng)計(jì)中的螺旋測(cè)微計(jì)的讀數(shù) 直接測(cè)量的。當(dāng)吸收式波長(zhǎng)計(jì)的腔體被調(diào)節(jié)到諧振點(diǎn)時(shí)， 輸入到指示器的功率最小。通過(guò)D f曲線查出被測(cè)的微波頻率。 本實(shí)驗(yàn)就是使用這種方法作為間接測(cè)量法一般是使用測(cè)量線

6、，先測(cè)出波導(dǎo)波長(zhǎng)人g，然后由公式:I f最后再由波長(zhǎng) 與頻率 的關(guān)系求出頻率。計(jì)算出待測(cè)微波信號(hào)在自由空間的波長(zhǎng)h上式中：人g 波導(dǎo)波長(zhǎng)；自由空間波長(zhǎng);r人 波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)。cb =在三公分微波系統(tǒng)中，波導(dǎo)的尺寸：。對(duì)于 已0波而言，截 止波微波系統(tǒng)中接入不匹配負(fù)載時(shí)，就將出現(xiàn)駐波，使用測(cè)量線就能很方便地測(cè)量出相鄰1兩個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)之間的距離：DD/拓。%的方法:4圖 示出了通過(guò)駐波波節(jié)點(diǎn)的位置來(lái)找出波導(dǎo)波長(zhǎng)由于在駐波波節(jié)處指示儀器的 數(shù)值很小，且駐波波節(jié)處波形的 變化很陡，因而就很難找到波節(jié) 點(diǎn)準(zhǔn)確位置。為了提高測(cè)量的精度，可利用波節(jié)點(diǎn)兩側(cè)波形對(duì)稱 的特點(diǎn)，采用“等電位法”進(jìn)行。所謂等電位法，就是

7、先在任意一個(gè)用等電位法找駐波的波節(jié)ti1A，則此波節(jié)點(diǎn)的正確位置為:波節(jié)點(diǎn) 的左右兩側(cè)找出 1及2兩個(gè)位置，使指示儀器微安表的讀數(shù)均為D同理，可在相鄰波節(jié)點(diǎn) 2的左右兩側(cè)找出J及J，則：D1”42Zg / = D2 D12所以，駐波比的測(cè)量:產(chǎn)生駐波的原因是由于負(fù)載阻抗與波導(dǎo)特性阻抗不匹配。因此，通過(guò)對(duì)駐波比的測(cè)量，就能檢查系統(tǒng)的匹 配情況，進(jìn)而明確負(fù)載的性質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)一般都是在小信號(hào)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，為此檢波晶體二極管都是工作在平方律檢波區(qū)域（檢波電流P _ j丨 maxI E比 )，故應(yīng)有：2Imin使用測(cè)量線測(cè)試駐波比， 可直接由測(cè)量線探針?lè)謩e處于駐波波腹及波節(jié)位置時(shí)的電流表讀數(shù) 及丨min

8、 求出駐波比。但是為Imax了提高檢測(cè)靈敏度，最好還是將微波信號(hào)源加以1KC的方波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。此信號(hào)由選頻放 大器放大。在其指示電表上就能讀出有關(guān)的電流值、分貝值或是直接讀出駐波比值。 功率的測(cè)量:本實(shí)驗(yàn)使用型微瓦功率計(jì)來(lái)測(cè)量微波功率。當(dāng)功率計(jì)探頭接入系統(tǒng)終端時(shí)，就構(gòu)成了微波系統(tǒng)的負(fù) 探頭內(nèi)裝有鉍銻熱電偶， 可將微波產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成電能，并直接由功率計(jì)表頭上的讀數(shù)得知被測(cè)功率值。載。ZL與微波系統(tǒng)的特性阻抗 相匹配（即:C如果忽略傳輸線本身對(duì)信號(hào)的衰減，并假設(shè)功率計(jì)探頭的阻抗ZZZCL = ），則信號(hào)源輸出的功率將全部為負(fù)載所吸收。但在一般情況下，功率計(jì)探頭的輸入阻抗做得完全與微波系統(tǒng)ZCr

9、相匹配（即：L HZc），則一部分功率將會(huì)由探頭反射回來(lái)，它正比 于探頭的功率反射系數(shù) 。這種損耗稱為：“反射損耗”。2ZP（1-1=H此時(shí)功率計(jì)所吸收的功率應(yīng)為：其中：P門LP功率計(jì)所測(cè)得的功率值；系統(tǒng)終端輸出的真實(shí)功率;HLP-1（=-）P1反射系數(shù)十另外，在傳輸系統(tǒng)中，傳輸線本身也會(huì)對(duì)信號(hào)源的輸出功率P0產(chǎn)生一定的衰減，這種衰減稱為“插入損耗”。它主要是由于系統(tǒng)中的隔離器、可變衰減器等元件對(duì)信號(hào)功率 廠 產(chǎn)生的0P0衰減所致（其他元器件的衰減可忽略不 計(jì)）。隔離器的（即：經(jīng)隔離器后，輸入功率就有 0倍的衰減）。只要可變衰減器的指 針是放在“ ”的位置，就不會(huì)引正向功率衰減為入衰減。為此，

10、經(jīng)傳輸系統(tǒng)衰減后，系統(tǒng)終端的實(shí)際功率為：P/K .59）=R/K=Po式中， 是以倍數(shù)表示的微波元件的插入損耗；H12至此，不難得出微波信號(hào)源所發(fā)出的功率應(yīng)為:P0= PL光速的測(cè)量光速是物理學(xué)中十分重要的一個(gè)基本常數(shù)。用微波測(cè)光速是所有測(cè)試手段中精度最高的一種。當(dāng)然，使用高級(jí)專用設(shè)備進(jìn)行測(cè)量這不是我們微波實(shí)驗(yàn)所必須要求的。我們主要是利用實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有的設(shè)備去了解光速測(cè)量的f基本原理。其方法僅需通過(guò)對(duì)頻率 及波導(dǎo)波長(zhǎng)g的測(cè)定，并由公式I C換算出自由空間的波長(zhǎng) 后，即可由 = 去計(jì)算光仏速。實(shí)驗(yàn)裝置四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)講義中介紹的常用微波器件和實(shí)驗(yàn)室提供的儀器使用說(shuō)明書，掌握它們的工作原理及使用方法。

11、頻率的測(cè)量: (a)直接測(cè)量法:D仔細(xì)旋轉(zhuǎn)吸收式波長(zhǎng)計(jì)上螺旋測(cè)微計(jì)的刻度細(xì)心觀察微安表電流值的變化。在找到最大吸收點(diǎn)時(shí)，記下波長(zhǎng)計(jì) 的讀數(shù) 。要求操作三D f次，取其均值，然后由給出的曲線查出被測(cè)的頻率。間接測(cè)量法:(即：兒 g 。再計(jì)算出/2)將吸收式波長(zhǎng)計(jì)從吸收點(diǎn)移開(kāi)。用等電位法，找出位于測(cè)量線中部?jī)蓚€(gè)波節(jié)點(diǎn)的位置 被測(cè)頻率。測(cè)出測(cè)量線中駐波場(chǎng)的分布:在整段測(cè)量線范圍內(nèi)，使用用選頻放大器做出駐波分布曲線，并繪制成圖。為保證駐波曲線精度，請(qǐng)自行選擇 “步長(zhǎng)”。同時(shí)還應(yīng)注意測(cè)量線的空程。駐波比的測(cè)量:按下微波源“方波”按鈕。在系統(tǒng)終端分別接短路板和全匹配負(fù)載，觀察駐波場(chǎng)。功率的測(cè)量：在實(shí)驗(yàn)室預(yù)定衰減值和增加衰減下分別測(cè)出相對(duì)功率和絕對(duì)功率，并比較測(cè)量結(jié)果。