工程電磁場實驗

工程電磁場實驗第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

微波指的是分米波、厘米波和毫米波。頻率范圍的一種說法是300kHz-300GHz,相應(yīng)波長是1m-1mm；另一種說法是1GHz-1000GHz,相應(yīng)的自由空間的波長為30cm-0.3mm。第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月微波測量技術(shù)的特點

微波波普處于無線電波普的高端，波長較短，因此帶來一系列的優(yōu)點。因為波長短，使得同樣尺寸的天線具有較高的方向性和分辨能力，或相同性能的天線具有相對小的尺寸。第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

在微波波段，電波在大氣中衰減比較?。ㄅc紅外、光波相比較），并能夠穿過電離層。對于通信、雷達、遙感、遙測、全球定位系統(tǒng)（GPS,globalpositioningsatellites）等應(yīng)用系統(tǒng)來說，微波確實提供了非常好的性能：低的大氣傳播衰減，高的輻射方向性和高的分辨率。

第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月因為波長短，在相對頻率帶寬相同時，微波能提供較寬的可用的頻譜。例如，分米波段、厘米波段和毫米波段的頻譜寬度分別為2.7GHz、27GHz和270GHz，這是一個非常豐富的頻譜資源，必須很好地利用和配合。第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

因為波長短，使得微波設(shè)備的尺寸可以做的相對較小，便于安裝在飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等各種飛行物中。正是由于微波的這些優(yōu)點，微波工程在國防工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)中的地位變得至關(guān)重要，幾十年來對于微波波普的開發(fā)和利用經(jīng)久不衰，而微波也從最初的軍事應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)變到以民用為主。第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月低頻和微波波段的電路實現(xiàn)的區(qū)別

微波技術(shù)是無線電技術(shù)向高頻發(fā)展形成的分支技術(shù),微波測量技術(shù)是微波技術(shù)的輔助部分，它對微波技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起到很重要的作用。同其他尖端科學(xué)技術(shù)一樣，微波技術(shù)中有很多問題在理論上并沒有完全解決，微波理論是否正確，只有通過生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗才能加以驗證。例如，理論上可以計算出空腔諧振腔的品質(zhì)因素，但由于實際加工生產(chǎn)出來的諧振腔不一定完全理想，因此，空腔諧振腔的品質(zhì)因素仍然要由實際的測量結(jié)果決定，而根據(jù)實際測量的結(jié)果又可以進一步驗證理論計算。第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月在微波元器件和微波設(shè)備的生產(chǎn)過程中，微波測量也是必不可少的。此外，在實際工作中，我們還常常需要知道振蕩器的振蕩頻率、輸出功率以及傳輸線的匹配情況?？梢姡诳茖W(xué)研究和生產(chǎn)實際中，微波測量技術(shù)是極其重要的環(huán)節(jié)。第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月很多基本研究例如微波波普分析、粒子加速度等都要用到微波測量技術(shù)。因此，掌握微波測量技術(shù)是極其重要的。但必須指出，微波測量技術(shù)本身是建立在理論的基礎(chǔ)上。因此，掌握足夠的微波理論是正確地、靈活地應(yīng)用微波測量技術(shù)的必要條件。第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月微波技術(shù)主要研究如何引導(dǎo)電磁波在微波傳輸系統(tǒng)中的有效傳輸.它的特點是：希望電磁波按一定要求沿著傳輸系統(tǒng)無輻射地傳輸。因為對傳輸系統(tǒng)而言，輻射是一種能量的損耗。在一個大系統(tǒng)中，如通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)或GPS中，微波工程系統(tǒng)通常是其中的一個子系統(tǒng)，其特征是微波系統(tǒng)工作在微波波段。第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月微波技術(shù)是無線電技術(shù)向高頻發(fā)展而形成的分支，它與一般的無線電技術(shù)有著共同的基礎(chǔ)。因此，兩種測量有著共同之處，某些微波測量的方法也在低頻中應(yīng)用（如駐波測量法），而低頻測量中的差頻法在微波測量中也能應(yīng)用。微波測量的內(nèi)容很多，實驗課中所進行的是微波基本量的測量。與一般的無線電測量相比較，微波測量具有很多不同的特點：第11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）微波測量的基本量是功率、波長λ、駐波比S,而不是電壓V、電流I和電阻Z。在低頻時，無線電工程測量均建立在原始參量電壓、電流和頻率的基礎(chǔ)上，其他參量，如波長、功率、阻抗、品質(zhì)因數(shù)和放大系數(shù)等均可由這三個基本量導(dǎo)出。然而，隨著頻率提高到微波波段，電壓、電流不僅失去了原來的意義，而且根本無法直接測量，所以，電壓、電流不能再作為微波測量的基本參數(shù)。第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月微波的重要特點是頻率高，波長短（和電路的尺寸差不多甚至更小），電磁場的空間效應(yīng)不能忽略，因此不能像低頻那樣用電路的概念和方法來處理問題，而是必須采用場的概念來研究微波問題。因此，微波測量的基本量是以場強為基本量的駐波比、功率、波長等，而其他參量如阻抗（或?qū)Ъ{）、衰減系數(shù)、增益和品質(zhì)因素等，原則上都可以由基本量導(dǎo)出。

功率一般是借助能量變換裝置，將微波電磁能變換成其他形式的能量來測量，而不是從電壓和電流出發(fā)來進行計算的；波長則往往根據(jù)電磁場的駐波分布直接進行長度的測量；阻抗測量是通過測量駐波比以及駐波最小點至負載的距離，從而確定阻抗；衰減量的測量則可以轉(zhuǎn)化為功率的測量；諧振腔Q值的測量可以轉(zhuǎn)化為頻率和駐波比的測量等。第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月用分布參數(shù)的元器件代替集中參數(shù)的元器件在低頻時，每一個元器件都有特定的電參數(shù)值，如電阻、電容、電感等。在微波段，由于頻率高，波長同一般電子元器件的尺寸差不多，故一般的接線或普通的電子元件就相當于天線，將會產(chǎn)生嚴重的輻射。因此，在微波電路中，一般低頻集中參數(shù)的電阻、電容和電感已不能使用，而應(yīng)以閉合的波導(dǎo)管、空腔諧振器以及各種類型的波導(dǎo)元件來代替一般的傳輸線、振蕩回路和電路元件。第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)在低頻和微波波段的電路實現(xiàn)具有很大的區(qū)別。

開路：不接任何元器件就可以在低頻時實現(xiàn)開路；在微波波段，如果不接元器件，則從開路處會有微波輻射出去，因此要用到可調(diào)短路器才可以實現(xiàn)真正的開路，在短路時再移動1/4個波長就可以實現(xiàn)開路。短路：在低頻時，用一根導(dǎo)線就可以實現(xiàn)短路；在微波段，需要用一個短路板或可調(diào)短路器來實現(xiàn)短路。第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月匹配：在低頻時，調(diào)節(jié)電壓和電流可以實現(xiàn)匹配；在微波波段，需采用各種匹配器，調(diào)節(jié)可調(diào)螺釘來實現(xiàn)匹配。濾波：在低頻時，實現(xiàn)濾波的電路非常容易；在微波段，采用傳輸線的實現(xiàn)方式，如波導(dǎo)、同軸線、帶狀線和微帶等，用這些傳輸線的電抗元件可實現(xiàn)濾波器的四種頻率變換（低通、高通、帶通、帶阻）。第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月諧振：低頻時，用電容、電感實現(xiàn)諧振；在微波段，采用諧振腔，其等效電路是等效為電容、電感來實現(xiàn)諧振的。(4)機械加工要求十分嚴格。對于波導(dǎo)管來說，內(nèi)壁要求十分光滑，需要鍍金或銀，內(nèi)壁的光滑度對測量結(jié)果影響很大。(5)理論性強。微波測量本身有一套完整的系統(tǒng)理論，是一門獨立系統(tǒng)的課程。第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月微波測量系統(tǒng)的認識與調(diào)試微波測量系統(tǒng)微波測量一般都是在微波信號源和若干波導(dǎo)或同軸元件組成的微波測量系統(tǒng)上進行的，根據(jù)信號源輸出功率電平的大小，可分為小功率和大功率兩類微波測量系統(tǒng)，其中大功率波導(dǎo)測量系統(tǒng)主要用來測量大功率微波管的特性。第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月微波測量系統(tǒng)通常由以下部分組成，圖所示的是一種較常用的小功率波導(dǎo)測量系統(tǒng)。圖中信號源產(chǎn)生的微波信號通過同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換進入測量系統(tǒng)。隔離器作為去耦合衰減器，防止反射波進入信號源，影響其輸出功率與頻率的穩(wěn)定?？烧{(diào)衰減器用來調(diào)節(jié)輸出功率的大小，使指示器有適當?shù)闹甘?。正接的定向耦合器從主波?dǎo)中分出部分功率到副波導(dǎo)中，供監(jiān)視功率和測量頻率之用。

第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.4測量線技術(shù)測量線是微波測量中的常用儀器,它在微波測量中用途很廣，不僅可以用來測量傳輸線上的駐波場分布,還可以測量波長、阻抗、衰減、相位移、Q值等微波參量，有“微波萬用表”之稱。其使用方便、靈活,具有一定精度，因而在微波測量中有廣泛應(yīng)用。第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

微波實驗內(nèi)容

微波測量系統(tǒng)的連接、調(diào)整與頻率檢查本實驗內(nèi)容主要解決以下內(nèi)容：1.熟悉測量裝置中各種微波元件和它的作用。2.熟悉微波信號源的工作方式和信號檢測3.用吸收式頻率計測量工作頻率f0實驗所依據(jù)的簡單原理第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月探針電路調(diào)諧

當波導(dǎo)中存在不均勻性或負載不匹配時，波導(dǎo)中將出現(xiàn)駐波。測量駐波特性的儀器為駐波測量線（簡稱測量線）。探針調(diào)節(jié)的方法是將探針穿透深度放在適當位置（通常在1.5～2mm，出廠時已調(diào)整并加鎖定套）。然后調(diào)節(jié)探頭的調(diào)諧活塞（側(cè)立小園盤）使選放指示最大，調(diào)諧的過程就是減小探針反射對駐波圖形的影響和提高測量系統(tǒng)靈敏度的過程，這是減小駐波測量誤差的關(guān)鍵，必須認真調(diào)整。另外當改變信號發(fā)生器頻率或探針插入深度時，由于探針電納Yp相應(yīng)改變，必須重新進行探針調(diào)諧。第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月信號源方波調(diào)制及選頻放大器功能利用：

為了便于觀察及分析信號量化，在微薄信號源中調(diào)制1kHz方波，經(jīng)檢波后輸入到選頻放大器中（選放相當于1kHz頻率，16Hz帶寬，0～60dB增益的放大器）。其表頭上有0～1000刻度，電流量（α值）及0～10dB的分貝值及駐波比1～4及4～10二檔的刻度值，可不需要計算而直接讀出，大大省略了測量步驟。因此在開機后務(wù)請切換至方波調(diào)制檔才能正常工作。第23頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月測試方法檢查儀器是否連接正確，參照基本系統(tǒng)連接方框圖開機檢查YS1125，頻率是否顯示正常，并調(diào)到9.37GHz，工作狀態(tài)須選擇在“等幅”或“方波”處，方波頻率是否在1000Hz處（系統(tǒng)若使用YS1124信號發(fā)生器時，只要打開YS1124電源后，前面板顯示9.37GHz，此時輸出為等幅信號，當按動“選擇”鍵，面板方波燈亮，說明此時工作于1kHz方波調(diào)制狀態(tài)）。對YS1125而言，

工作狀態(tài)鎖定在“方波”處。第24頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月將YS3892選頻放大器增益放大選擇位置調(diào)至40dB處，頻率微調(diào)使表針最大，并調(diào)諧TC26的探頭，能在YS3892表頭讀數(shù)最大。若表針超過刻度可調(diào)節(jié)增益電位器減小指示，或?qū)⒎糯筮x擇調(diào)至30dB處。譯動TC26探針平臺，可觀察到從大到小及從小到大的周期變化（即波腹與波節(jié)交替出現(xiàn)）此時系統(tǒng)即處于正常待測狀態(tài)。此時調(diào)節(jié)YS3892增益電位器使表針處于滿刻度處，旋轉(zhuǎn)PX16上的黑蓋，在9.3～9.4GHz處放慢旋轉(zhuǎn)動作，會有一個明顯表針跌落，該跌落處即是實際頻率點。觀察二條紅色滑標與豎紅線的交叉點“≠”處，正確讀出刻度值。為鞏固知識，可選擇在9.37GHz、8.6GHz、9GHz、9.6GHz再重復(fù)上述步驟，讀取各實際頻率并作記錄。第25頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月f（GHz）8.6GHz9