微波的傳輸特性和基本測量深圳大學(xué)

得分教師簽名批改日期深圳大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 近代物理實(shí)驗(yàn)（四）實(shí)驗(yàn)名稱： 微波的傳輸特性和基本測量學(xué)院： 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院組號09 指導(dǎo)教師 報(bào)告人 學(xué)號: 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn) 科技樓B105 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交時(shí)間： 、實(shí)驗(yàn)?zāi)康腶)b)c)要求學(xué)全使用基本微波器件，了解微波振蕩源的基本工作特性和微波的傳輸特性。掌握頻率、功率以及駐波比等基本量的測量,培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范與處理能力。作圖作表與數(shù)據(jù)處理能力，基本實(shí)驗(yàn)的測試能力。二、實(shí)驗(yàn)原理微波的傳輸特性.在微波波段，為了避免導(dǎo)線輻射損耗和趨膚效應(yīng)等的影響，一般采用波導(dǎo)作為微波傳輸線.微波在波導(dǎo)種傳輸具有橫電波（TE波），橫磁波（TM波）和橫電波與橫磁波的混合波三種形式.矩形波導(dǎo)是較常用的傳輸線之一,它能傳輸各種波型的橫電波（TE波），橫磁波（TM波）.微波實(shí)驗(yàn)中使用的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管，通常采用的傳輸波型是TETo波.波尋中存在入射波和反射波，描述波尋管中匹配和反射程度的物理量是駐波比或反射系數(shù).依據(jù)終端負(fù)載的不同.波導(dǎo)管具有三種工作狀態(tài)：（1）當(dāng)終端接“匹配負(fù)載”時(shí).反射波不存在，波導(dǎo)中呈行波狀態(tài)；（2），當(dāng)終端接”短路片”.開路或接純電抗性負(fù)載時(shí)，終端全反射，波導(dǎo)中呈純駐波狀態(tài)；（3） 一般情況下，終端是部分反射，波導(dǎo)中傳輸?shù)募炔皇切胁?，也下是純駐波，而是呈行駐波狀態(tài).微波頻率的測量.微波的頻率是表征微波倌號的一個(gè)重要物理量.頻率的測量通常采用數(shù)字式頻率計(jì)或吸收式頻率計(jì)進(jìn)行測量.下面主要介紹較常用的吸收式頻率計(jì)計(jì)的工作原理.當(dāng)調(diào)節(jié)頻率計(jì)，使其目身空腔的固有頻率與微波信號頻率相同時(shí)，則產(chǎn)生諧振，此時(shí)通過連接在微波通路上的微安表或功率計(jì)可觀察到信號幅度明顯減小的現(xiàn)象.注意，應(yīng)以減幅最大的位置作為判斷畫頻率測量值的依據(jù).微波功率的測量.微波功率是表征微波信號強(qiáng)弱的一個(gè)物理量.通常采用替代或比較的萬法進(jìn)行測量.也就是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(shí)現(xiàn)微波功率的測量.實(shí)驗(yàn)室中通常采用吸收式微瓦功率計(jì)（如GX2A）.在功率計(jì)探頭表面。用兩種不同金屬噴鍍在薄膜基體上形成熱電堆，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(shí)?熱電堆節(jié)點(diǎn)之間沒有有溫差，因而沒有輸出；當(dāng)輸入微波功率時(shí)，熱電元件吸收微波功率使熱電堆的熱節(jié)點(diǎn)溫度升高?這就與冷節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫差而引起溫差電動(dòng)勢（微弱的直流電勢），且該元件產(chǎn)生的直流電勢是與輸入微波功率成正比例的.熱電堆輸出的微弱直流訊號再輸入到一只高靈敏度的直流放大器作功翠直讀指示.4?波導(dǎo)波長和駐波比的測量.關(guān)于駐波比，定義為波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值點(diǎn)的電場之比.即(&1.1)其中Ema和Emin分別表示波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值點(diǎn)的電場強(qiáng)度.實(shí)臉中通常采用測量線來測定波導(dǎo)波長和駐波比，其結(jié)構(gòu)如圖&11所示.圖8.1.1註波測秋線結(jié)構(gòu)示童圖圖8.1.1註波測秋線結(jié)構(gòu)示童圖使用駐波測量線進(jìn)行測量時(shí).要考慮探針在開槽波導(dǎo)管內(nèi)有適當(dāng)?shù)拇┥於龋结槾┥於纫话闳〔▽?dǎo)窄邊寬度的5%?10%.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)注意駐波測量線的調(diào)諧.使其既有最佳靈敏度，又使探針對微波通路的影響降至最低.一股是將測量線終端短接.形成純駐波場.移動(dòng)探針置于波腹點(diǎn).調(diào)節(jié)測量線，使得波腹點(diǎn)位置的檢波電流最大，反復(fù)進(jìn)行多次.（1）駐波比的測量.由于終端負(fù)載不同，駐波比P也有大中小之分，因此，駐波比測量的首要問題是，根據(jù)駐波極值點(diǎn)所對應(yīng)的檢波電流0,粗略估計(jì)駐波比P的大小在此基礎(chǔ)上，再作進(jìn)一步的精確測定.實(shí)驗(yàn)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.若不然，需進(jìn)行修正.依據(jù)公式

(8-1.2>求出P的粗略值后，再按依照駐波比的三種情況，進(jìn)一步精確測定P值.a）大駐波比（p〉6）,的測量.在大駐波比的三種情況下，檢波電流Imax與Imin相差太大，在波節(jié)點(diǎn)上檢波電流極微，在波腹上二極管檢波特性遠(yuǎn)離平方律，故不能用（8.1.2）式計(jì)算駐波比p,可采用“二倍極小功率法”.如圖&1.2所示，利用駐波測量線測量極小點(diǎn)兩旁功率為其二倍的點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而求出d,則b）中駐波比（1.5WPW6）的測量?中駐波比的情況可直接根據(jù)式b）中駐波比（1.5WPW6）的測量?中駐波比的情況可直接根據(jù)式（8.1.2）計(jì)算，EfnaK. 1ma?;0— :—: C）小駐波比（1.005WPW1.5）的測量.在小駐波比情況下，駐波極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)的檢波電流相差細(xì)微，因此采用測量多個(gè)相鄰波腹與波節(jié)點(diǎn)的檢波電流值，進(jìn)而取平均的方”_也冋畔+總加球+…+￡嗎上一Ml昨k+ 十“'—~~~— 二 1n_u.? 4O/(&1.4)= 法. "弘乙匚尼+”-+Q…（2）波導(dǎo)波長的測量.波導(dǎo)波長在數(shù)值上為相鄰兩個(gè)駐波極值點(diǎn)（波腹或波節(jié)）距離的兩倍.由于場強(qiáng)在極大值點(diǎn)附近變化緩慢，峰頂位置不易確定，買際采用測定駐波極小點(diǎn)的位置來求出波導(dǎo)波長.考慮到駐波極小點(diǎn)附近變化平緩，因而測量值不夠準(zhǔn)確.為此，測量時(shí)通常不采取直接測量駐波極小點(diǎn)位置的方式，而是通過平均值間接測量?亦即測極小點(diǎn)附近兩點(diǎn)（此兩點(diǎn)在指示器上的輸出幅度相等）的坐標(biāo)，然后取這兩點(diǎn)坐標(biāo)的平均值,即得極小點(diǎn)坐標(biāo)?如圖&1.3所示，兩個(gè)相鄰極小點(diǎn)的距離為半個(gè)波導(dǎo)波長久g,測量計(jì)算公式為(S.1.6)其中（x‘1,x〃1）、（xz2,x"2）分別為極小值點(diǎn)兩旁輸出幅度相等得兩點(diǎn)坐標(biāo).三、實(shí)驗(yàn)儀器以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、微波頻率的測量.2、駐波比的測量.關(guān)于駐波比，定義為波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值點(diǎn)的電場之比.即其中Emax和Emin分別表示波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值點(diǎn)的電場強(qiáng)度.3、波導(dǎo)波長的測量.波導(dǎo)波長在數(shù)值上為相鄰兩個(gè)駐波極值點(diǎn)（波腹或波節(jié)）距離的兩倍.由于場強(qiáng)在極大值點(diǎn)附近變化緩慢，峰頂位置不易確定，買際采用測定駐波極小點(diǎn)的位置來求出波導(dǎo)波長.考慮到駐波極小點(diǎn)附近變化平緩，因而測量值不夠準(zhǔn)確.為此，測量時(shí)通常不采取直接測量駐波極小點(diǎn)位置的方式，而是通過平均值間接測量亦即測極小點(diǎn)附近兩點(diǎn)（此兩點(diǎn)在指示器上的輸出幅度相等）的坐標(biāo)，然后取這兩點(diǎn)坐標(biāo)的平均值，即得極小點(diǎn)坐標(biāo)。

五．?dāng)?shù)據(jù)記錄1.功率（電流代替）與頻率特性u/v0102030405060708090100110120130140I/|JA0.050.052.72007.813.2900000002.41U/V150160170180190200210220230240250260270280290I/pA4.831.610000000000000U/V300I/pA02.共振頻率：9.517GHz3.駐波測量（駐波位置與功率關(guān)系）X/cmI/pAX/cmI/pA01.64.41.640.224.62.10.42.494.82.520.62.8152.960.83.295.23.2213.45.43.241.23.115.63.081.42.695.82.721.62.1962.21.81.696.21.7221.76.41.722.21.716.61.692.42.086.82.122.62.4472.522.82.817.23.0233.257.43.293.23.317.63.323.43.167.82.93.62.682.523.82.148.22.0541.78.31.884.21.49

六．?dāng)?shù)據(jù)處理1.功率與頻率特性U-1曲線U-1曲線圖1.U-I曲線圖1.分析：①由功率與頻率特性曲線得知，反射速調(diào)管并不是在任意的反射極電壓下都產(chǎn)生振蕩，只有在特定的反射極電壓下才能振蕩；②在振蕩模中心輸出功率最大，且輸出功率P與振蕩頻率f隨反射極電壓的變化比較慢。2?測量共振頻率：f=9.517GHz3.駐波測量X-I曲線圖X-I曲線圖2.X-I曲線圖分析：由X-1曲線得：X1=2.0cm,X1'=1.8cm,X1'='2.2cmX2=4.2cm,X2'=4.0cm,X2'='4.4cm波導(dǎo)波長入g=(X2'X2(XI'XI''(4.0+4.4)(1.8+2.2)=4.4cm中駐波比E—MAXEMIN.I中駐波比E—MAXEMINMAXV'I'MIN理論值1.5< <6.Q明顯1.51在理論范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)是正確的。七.思考題1?駐波測量線的調(diào)節(jié)應(yīng)該注意哪些問題？答：使用駐波測量線測量時(shí)，要考慮探針在開槽波導(dǎo)管內(nèi)有適當(dāng)?shù)拇┥於龋结樕於纫话闳?dǎo)管窄邊寬度的5%到10%。實(shí)驗(yàn)前，注意波導(dǎo)線的調(diào)節(jié)，使其有最佳的靈敏度，又使探針對微波通路的影響降至最低。一般是將測量線終端短接，形成駐波場，一下將那個(gè)探針置于波腹點(diǎn)，調(diào)節(jié)測量線，使波腹點(diǎn)的位置的檢波電流最大，反復(fù)多次。2?駐波測量線測定波導(dǎo)波長的方法是什么？波導(dǎo)波長入g與自由空間波長入的大小關(guān)系如何？答：駐波測量線測定波導(dǎo)波長的方法：入g=（X2'+X2''）—（X1'+X1''）,其中（X2'+X2''）、（X1'+X1''）分別是極小值點(diǎn)兩旁輸出幅度相同的兩點(diǎn)，通過測量空間位置與輸出電流大小關(guān)系，波導(dǎo)波長入g大于自由空間波長入。3?為什么又是晶體檢波器在速調(diào)管和檢波二極管都完好的情況下會(huì)出現(xiàn)輸出信號很小的現(xiàn)象？如何調(diào)節(jié)？答：當(dāng)調(diào)節(jié)頻率計(jì)時(shí)，使其自身空腔的固有頻率與微波信號頻率相同時(shí)，產(chǎn)生共振，此時(shí)信號幅度會(huì)明顯減小，因此，應(yīng)該調(diào)節(jié)頻率計(jì)，使其自身固有頻率不等且與信號頻率相差很大。八.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及總結(jié)2?功率與頻率特性：①由功率與頻率特性曲線得知，反射速調(diào)管并不是在任意的反射極電壓下都產(chǎn)生振蕩，只有在特定的反射極電壓下才能振蕩；②在振蕩模中心輸出功率最大，且輸出功率P與振蕩頻率f隨反射極電壓的變化比較慢。2?調(diào)節(jié)頻率計(jì)，在某個(gè)瞬間電流突然變化很大，變小，此時(shí)達(dá)到共振，測得共振頻率f=9.517GHz。3?實(shí)驗(yàn)測得波導(dǎo)波長為44mm,駐波比為1.51。實(shí)驗(yàn)總結(jié)：通過實(shí)