微波基本参数的测量-原理

PAGE/NUMPAGES微波基本参数的测量一、实验目的1、了解各种微波器件；2、了解微波工作状态及传输特性；3、了解微波传输线场型特性；4、熟悉驻波、衰减、波长（频率）和功率的测量；5、学会测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。二、实验原理微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。要对这些参数进行测量，首先要了解电磁波在规则波导内传播的特点，各种常用元器件及仪器的结构原理和使用方法，其次是要掌握一些微波测量的基本技术。１、导行波的概念：由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。导行波的电场E或磁场H都是x、y、z三个方向的函数。导行波可分成以下三种类型：(A)横电磁波（TEM波）：TEM波的特征是：电场E和磁场H均无纵向分量，亦即：,。电场E和磁场H，都是纯横向的。TEM波沿传输方向的分量为零。所以，这种波是无法在波导中传播的。(B)横电波（TE波）：TE波即是横电波或称为“磁波”（H波），其特征是,而。亦即：电场E是纯横向的，而磁场H则具有纵向分量。(C)横磁波（TM波）：TM波即是横磁波或称为“电波”(E波)，其特征是，而。亦即：磁场H是纯横向的，而电场E则具有纵向分量。TE波和TM波均为“色散波”。矩形波导中，既能传输波，又能传输波（其中m代表电场或磁场在x方向半周变化的次数，n代表电场或磁场在y方向半周变化的次数)。２、波导管：波导管是引导微波电磁波能量沿一定方向传播的微波传输系统，有同轴线波导管和微带等，波导的功率容量大，损耗小。常见的波导管有矩形波导和圆波导，本实验用矩形波导。矩形波导的宽边定为x方向，内尺寸用a表示。窄边定为y方向，内尺寸用b表示。波以圆频率自波导管开口沿着z方向传播。在忽略损耗，且管内充满均匀介质（空气）下，波导管内电磁场的各分量可由麦克斯韦方程组以及边界条件得到：，，，其中，位相常数，波导波长。3、波导管中的微波参数：(1)临界波长：矩形波导中传播的色散波，都有一定的“临界波长”。只有当自由空间的波长小于临界波长c时，电磁波才能在矩形波导中得到传播。波或波的临界波长公式为：。(2)波导波长和相速V、群速Vc：图1平面波的传播色散波在波导中的波长用表示。波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速度称为相速V。群速Vc是表示能量沿波导纵向传播的速度，其关系为。因为，波导中电磁波是成“之”字形并以光速传播的。所以，波导波长将大于自由空间的波长。同时，相速V也大于光速C。它们之间的相互关系为：，图1示出了电磁波在波导中传播的方向。(3)反射系数和驻波比：波导终端接入负载后，由于负载性质的不同，电磁波就将在终端产生不同程度的反射。如用Zc表示传输线的特性阻抗，用ZL表示负载阻抗。则反射系数为：可见，反射系数是个复数。当特性阻抗与负载阻抗相等（即接入匹配负载）时：=0,入射波全部被负载吸收而无反射。当终端短路（微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即）时：=1，入射波被负载全部反射。微波技术中，还经常使用驻波比来描述传输线阻抗匹配的情况。波导中驻波比被定义为：波导中驻波电场最大值和电场最小值之比，即:，驻波比与反射系数之间的关系应为：。由此，从图2中(a)、(b)、(c)可看出电场在波导中的分布情况。(a)在负载匹配情况下有：=0及=1；波导中传播的是“行波”，其幅值为；(b)在负载短路情况下有：=1及；波导中传播的是“纯驻波”，其幅度值为；(c)在其它任意负载下有：0<<1及1<<；波导中传播的是“行驻波”，其幅度(1+)。传输线的目的是要无损的传输功率，故常希望工作在负载阻抗匹配的情况下。图2不同负载情况下电场在波导中的分布图(4)反射系数和驻波比波在无限长的波导管中沿z方向传播，构成行波，现只考虑某时刻t的传输状态，略去因子，则，。若波导不是无限长的均匀导体，则存在反射波，电场由入射波和反射波叠加而成，，和分别表示入射波和反射波的振幅，将距离L的原点取在终端负载的反射面上，则上式变为。定义反射系数为波导中某横截面处的电场反射波与入射波之比，即：，其中，R（0）为终端的反射系数，表示在终端反射波与入射波的相位差，。当时，驻波电场达最大值，形成波腹，即：当时，驻波电场大最小值，形成波节，即：驻波比定义为波导中驻波最大值与最小值之比，即：4、波的特点：电场仅有分量，表明电场矢量总是垂直于波导宽边a，而表明磁场矢量在平行于波导宽边的平面内。电磁场沿y方向是均匀的，而在x方向形成驻波通常以脚标m,n分别表示在波导宽边和窄边的驻波的个数。电磁场在波导的纵向z上形成行波。沿z方向和分布规律相同，即最大处亦最大，处，场的这种结构是行波的特点，两者相差为。5、波：由公式可知，矩形波导中临界波长的最大值应出现在m＝1，n＝0的情况下（此时：=2a）。这就是波。波被称为矩形波导中的“主波”，也是最简单、最有用的波形。一般矩形波导所激励的都是波。下面将讨论，波中电磁场的简单结构。(a)电场结构：波中电场E只有Ey分量。其电力线将与x-z平面处处正交。如图6-2-3所示。在x-y平面内，说明电场强度只与x有关，且按正弦规律变化。在x＝0及x＝a处（即：波导中的两个窄边上）。。在x=a/2处（即：波导宽边中央），。由于，能量是沿z方向传播的。因此，将沿z方向呈行波状态，并在x=a/2的纵剖面内，沿z轴也是按正弦分布。(b)磁场结构：波中磁场H只有及分量。其磁力线将分布在x-z平面内。由于，和Hx决定着电磁波沿z方向传播的能量，就必然要求与同相，即沿z方向在最大处，也最大，在x方向上,是呈正弦分布（与同相）。所以在横截面和纵剖面的分布情况也与相同。图3矩形波导中H10波的电磁场分布图在讨论分布时，必须注意到，在z＝0的截面上，沿x方向是呈余弦变化，即在x=0及x＝a处，有最大值，而在x=a/2处，则有＝0。波场的特点可以归结为：a.只存在，x，三个分量；b.和均按正弦规律分布，按余弦规律分布。因而和同相，并与反相。图3显示了H10波电磁场在矩形波导中的分布。应当注意到，这些电力线和磁力线的分布情况将随着时间的顺延，而以一定的速度沿z方向在波导中向前移动着。三、实验仪器图4DH364A00型3cm测量线外形本实验是使用厘米波中的X波段，其标称波长为3.2cm，中心频率为9375MHz。其它主要设备有：1、测量线：三厘米驻波测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。其内腔尺寸为a＝22.86mm，b＝10.16mm。其主模频率范围为8.60～9.6GHz，对于TE10波而言，截止波长＝45.72mm，截止频率为6.557GHz。开槽直波导位于波导宽边的正中央，平行于波导轴线，不切割高频电流，因此对波导内的电磁场分布影响很小，开槽波导中的场由不调谐探针取样，探针感应出的电动势经过晶体检波器变成电信号输出，可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息。实验中就是通过探测测量线中电磁场的分布达到测量微波的各种参数目的。2、直波导管：型号为BJ—100，其内腔尺寸为a＝22.86mm，b＝10.16mm。其主模频率范围为8.20～12.50GHz，对于TE10波而言，截止波长＝45.72mm，截止频率为6.557GHz，实验中作为连接件使用。3、隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性。实验中隔离器用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。4、可变衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。5、波长表：电磁波通过耦合孔从波导进入波长表的空腔中，当波长表的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振波长。6、匹配负载：波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。7、单螺调配器：插入矩形波导中的一个深度可以调节的螺钉，并沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝作纵向移动，通过调节探针的位置使负载与传输线达到匹配状态。调匹配过程的实质，就是使调配器产生一个反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射而达到匹配。8、功率计：本实验使用DH4861B型微瓦功率计来测量微波功率。当功率计探头接入系统终端时，就构成了微波系统的负载。探头内装有铋锑热电偶，可将微波产生的热能转换成电能，并直接由功率计表头上的读数得知被测功率值。功率计由功率探头和指示器两部分组成，功率探头是一个依据能量守恒定律，将微波功率线性地装换成直流电压的换能器。指示器是一台高增益、低噪音的直流电压放大器，放大功率探头提供的微弱信号，用数字电压显示功率值。功率探头是利用热电效应将射频功率线性地装换成热电势输出。其中的射频直流转换部分：主要是由热元件及匹配的散元件组成，热电元件采用真空镀膜技术，在介质薄膜上形成热电偶堆，在同轴结构的电磁场中，它既是终端的吸收负载，又是热电转换元件，电磁波从同轴传输线部分输出，消耗在热元件上使热电堆上两个热点节的温度上升，产生与所加射频能量成正比的热电动势，该电势送入指示器进行放大，做读数指示。9、可变短路器：可变短路器是由短路活塞与传动读数装置构成的，是一个可变电抗。10、环形器：环形器是一种具有非互易性的分支传输系统。Y型环形器是常用的一种，在其中心“截区”置有一块横向磁化的铁氧体，保证功率的单向循环流通。11、固态信号源：固态信号源产生微波信号输出，实现内方波周制，由体效应管振荡器、可变衰成器、PIN调制器等元件构成。在使用过程中注意体效应管电压。12、选频放大器：主要用于放大微弱低频交流信号，配合微波测量线用于交流信号驻波比测量。四、实验内容1、驻波比测量产生驻波的原因是由于负载阻抗与波导特性阻抗不匹配。因此，通过对驻波比的测量，就能检查系统的匹配情况，进而明确负载的性质。使用测量线测试驻波比，可直接由测量线探针分别处于驻波波腹及波节位置时的电流表读数及,求出驻波比。但是为了提高检测灵敏度，最好还是将微波信号源加以1KC的方波信号进行调制。此信号由选频放大器放大。在其指示电表上就能读出有关的电流值、分贝值或是直接读出驻波比值。本实验一般都是在小信号状态下进行测试，为此检波晶体二极管都是工作在平方律检波区域（检波电流），故应有：本实验是在小信号状态下进行测试的，这时驻波测量线中的检波晶体二极管工作在平方律检波区域，检波电流，可设：，因此：通过测量测量线开槽波导中微波驻波波腹处和波节处的最大电压值及最小电压值，就可以计算出波导中微波驻波的驻波比。步骤：（1）按图5所示的框图连接成微波实验系统。（2）开启微波信号源（DH1121C），工作方式选择“方波”，点频方式，频率9～9.5GHz，选择较小的微波输出功率，电流<500mA。（3）用选频放大器进行监测，调节单螺调配器，使微波在波导中形成小驻波比（驻波的最大值和最小值相差不大）的驻波。（4）移动波导测量线的探针测出波导测量线位于波腹和波节点上的和。由于此时驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据，然后取平均值再进行计算。a.小驻波比测量①调节选频放大器上的调零旋钮，使指针指示为零；②接入被测信号，调整“频率”旋钮，必要时可以换挡，直到仪器读数最大；③沿测量线移动探针使仪器得到最大指示值时，即波腹点位置，读出此时表头读数Umax；④沿测量线移动探针使仪器得到最小指示值，即波谷点位置，读出此时表头读数Umin，根据算出驻波比。b.大驻波比的测量①调节测量线，直到在选频放大器上指针偏转最小，然后向左和向右调节测量线指针，使选频放大器读数显示为最小值的两倍，记下测量线移动的距离d；②将测量线调节至最左端，然后在选频放大器上选择一个合适的读数值，使测量线依次从左到右移动；③记下每次使选频放大器读数相同时的测量线位置X1、X2、X3、X4；④由波导波长其中算出波导波长。⑤由大驻波比的计算公式将上述测得的值代入可以算出大驻波比值。(5)微波频率的测量：频率的测量是微波测量技术中的一个重要方面。本实验将采用“直接”和“间接”两种不同的方法来测量频率。(a)直接测量法使用外差式频率计或是数字微波频率计就能直接读出频率的数值。亦可以使用吸收式空腔波长计，利用空腔做为谐振系统，并通过机械装置进行调谐。当吸收式波长计的腔体被调节到谐振点时，输入到指示器的功率最小。此时即可由波长计中的螺旋测微计的读数D，通过D～f曲线查出被测的微波频率。本实验就是使用这种方法作为直接测量的。(b)间接测量法一般是使用测量线，先测出波导波长，然后由公式：计算出待测微波信号在自由空间的波长,最后再由波长频率f的关系求出频率。上式中：——波导波长；——自由空间波长；——波导的截止波长。在三公分微波系统中，波导的尺寸：a×b＝22.86mm×10.16mm。对于波而言，截止波＝2a＝45.72mm。微波系统中接入不匹配负载时，就将出现驻波，使用测量线就能很方便地测量出相邻两个波长点之间的距离：。图4示出了通过驻波波节点的位置来找出波导波长的方法：由于在驻波波节处指示仪器的数值很小，且驻波波节处波形的变化很陡，因而就很难找到波节点准确位置。为了提高测量的精度，可利用波节点两侧波形对称的特点，采用“等电位法”进行。所谓等电位法，就是先在任意一个图4用等电位法找驻波的波节波节点D1的左右两侧找出及两个位置，使指示仪器微安表的读数均为1a，则此波节点的正确位置为：同理，可在相邻波节点D2的左右两侧找出及，则：所以，(7)(6)驻波比的测量：产生驻波的原因是由于负载阻抗与波导特性阻抗不匹配。因此，通过对驻波比的测量，就能检查系统的匹配情况，进而明确负载的性质。本实验一般都是在小信号状态下进行测试，为此检波晶体二极管都是工作在平方律检波区域（检波电流），故应有：使用测量线测试驻波比，可直接由测量线探针分别处于驻波波腹及波节位置时的电流表读数及,求出驻波比。但是为了提高检测灵敏度，最好还是将微波信号源加以1KC的方波信号进行调制。此信号由选频放大器放大。在其指示电表上就能读出有关的电流值、分贝值或是直接读出驻波比值。(7)功率的测量：本实验使用DH4861B型微瓦功率计来测量微波功率。当功率计探头接入系统终端时，就构成了微波系统的负载。探头内装有铋锑热电偶，可将微波产生的热能转换成电能，并直接由功率计表头上的读数得知被测功率值。如果忽略传输线本身对信号的衰减，并假设功率计探头的阻抗与微波系统的特性阻抗相匹配（即：＝），则信号源输出的功率将全部为负载所吸收。但在一般情况下，功率计探头的输入阻抗ZL不可能做得完全与微波系统的特性阻抗ZC相匹配（即：），则一部分功率将会由探头反射回来，它正比于探头的功率反射系数。这种损耗称为：“反射损耗”。此时功率计所吸收的功率应为：其中：——功率计所测得的功率值；——系统终端输出的真实功率；——反射系数另外，在传输系统中，传输线本身也会对信号源的输出功率P0产生一定的衰减，这种衰减称为“插入损耗”。它主要是由于系统中的隔离器、可变衰减器等元件对信号功率产生的衰减所致（其他元器件的衰减可忽略不计）。隔离器的正向功率衰减为1db（即：经隔离器后，输入功率就有1.259倍的衰减）。只要可变衰减器的指针是放在“0”的位置，就不会引入衰减。为此，经传输系统衰减后，系统终端的实际功率为：式中，1/K是以倍数表示的微波元件的插入损耗；至此，不难得出微波信号源所发出的功率应为：(8)(9)光速的测量光速是物理学中十分重要的一个基本常数。用微波测光速是所有测试手段中精度最高的一种。当然，使用高级专用设备进行测量这不是我们微波实验所必须要求的。我们主要是利用实验室中现有的设备去了解光速测量的基本原理。其方法仅需通过对频率f及波导波长的测定，并由公式(2)换算出自由空间的波长l后，即可由C＝去计算光速。实验内容实验中使用的仪器有：DH3880选频放大器、DH1121微波信号源、DH4801B型厘米波功率计、BD1/049型H面波导开关、DH2150检波指示器频率测量连接微波系统，将检波器及检波指示器接到被测件位置，利用波长表可以测出微波信号源的频率。因为波长表由一个谐振腔构成，旋转波长表的测微头，可以改变谐振腔的大小，从而改变其固有频率,当固有频率与微波的频率相同时，两者发生共振。而发生共振时，谐振腔吸收微波的能量达到最大值。所以，当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰，反映在检波器上的指示是一跌落点，读出测量头读数，查出对应频率。实验时，微波信号源显示的数值为9.595GHZ，出现吸收峰时，波长表的读数为3.19mm，查表得到的数据为9596MHZ。功率测量功率计测量原理为将微波的电磁能先通过耦合转化为热能，形成热电动势，在功率计里测量后得到微波的功率。测量时，传输线路终端接入探头和功率计，并选择合适的量程，功率计调零后把波导开关旋至检波器上，读出功率读数。实验得到的功率为9.10mW。微波驻波比测量测量驻波比，三厘米波导测量线是测量的基本仪器。测量线由开槽波导，不调谐探头和滑架组成。开槽波导中的场由不调谐探头取样，探头的移动靠滑架上的传动装置，探头的输出送到显示装置，就可以探测微波传输系统中电磁场分布情况。测量线波导是一段精密加工的开槽直波导，此槽位于波导宽边的正中央，平行于波导轴线，不切割高频电流，因此对波导内的电磁场分布影响很小。此外，槽端还有阶梯匹配段，两端法兰具有尺寸精确的定位和连接孔，而且保证开槽波导有很低的剩余驻波系数。三厘米波导测量线的外形图见实验仪器介绍部分所示。滑架是用来安装开槽波导和不调谐探头的。把不调谐探头放入滑架的探头插孔中，拧紧锁紧螺钉，即可把不调谐探头紧固。探针插入波导中的深度，可根据情况适当调整。⑴小驻波比将探头移动到波节和波腹的地方，从选频放大器读出电压的最大值和最小值，计算出驻波比S。⑵大驻波比如果直接测量大驻波的最大值，就会引入误差，驻波的最大值超出了指示器量程。此时可用“双倍最小值法”来测量假定晶体工作在平方律检波，则只须测出读数为最小点二倍的两点间距离及波导波长，便可以由计算出驻波比。d为二倍最小点幅度处d=X1-X2用“平均法”找出两个相邻的最小点位置D1和D2，即：移动探针在驻波最小点左右找出两个具有相同幅度的位置d1和d2，然后取其平均值、即为所需的最小点位置D1，用相同的方法找出相邻的最小点D2相邻两个最小点的距离即为半个波导波长。。实验内容根据讲义中介绍的常用微波器件和实验室提供的仪器使用说明书，掌握它们的工作原理及使用方法。(1)频率的测量：(a)直接测量法：仔细旋转吸收式波长计上螺旋测微计的刻度细心观察微安表电流值的变化。在找到最大吸收点时，记下波长计的读数D。要求操作三次，取其均值，然后由给出的D～f曲线查出被测的频率。(b)间接测量法：将吸收式波长计从吸收点移开。用等电位法，找出位于测量线中部两个波节点的位置(即：)。再计算出被测频率。(2)测出测量线中驻波场的分布：在整段测量线范围内，使用用选频放大器做出驻波分布曲线，并绘制成图。为保证驻波曲线精度，请自行选择“步长”。同时还应注意测量线的空程。(3)驻波比的测量：按下微波源“方波”按钮。(a)在系统终端分别接短路板和全匹配负载，观察驻波场。(b)在终端分别接失配负载A和B。选择合适的方法测出。(4)功率的测量：在实验室预定衰减值和增加1/2衰减下分别测出相对功率和绝对功率，并比较测量结果。注意事项(1)用选频放大器测驻波比时，体效应微波源必须使用“方波”档。由于仪器的灵敏度很高切勿使电表指示超出,否则极易损坏电表。(2)微波系统各元件器件的波导口应注意对齐，以减少因电波在参差的波导口多次反射而引入的寄生波。思考题(1)选用不同测量驻波比方法的原则是什么？(2)、、三种不同的功率值其含义有何不同？它们之间有何内在联系？选作内容微波元件衰减量定义为其中，为匹配状态下的输入功率，为匹配状态下的输出功率。试测出衰减器衰减量。实验结论：微波频率、波导波长和功率的测量方法较为直接简单，但在理解原理的过程中花费了很长的时间。通过对实验数据的整理和分析发现波导波长的两组数据差值较大，分析原因可能有下：在实验过程无意间改变了衰减器的数值；在移动波导测量线的游标卡尺时有一组数据不是相邻的两个波峰和波谷间的数值；也可能是人为误差，错误的读取了数值。试验中应注意的有：用选频放大器测驻波比时，体效应微波源必须使用“方波”档。由于仪器的灵敏度很高，可将“分贝”及“增益”旋钮做为“粗”、“细”调使用。切勿使电表指示超出100mA,否则极易损坏电表。功率计探头的功率衰减为100，故真实的功率应为功率计示值的100倍。本实验是微波实验中的基础实验之一。通过实验，基本达到了实验最初的目的：了解微本实验是微波实验中的基础实验之一。通过实验，基本达到了实验最初的目的：了解微波的传输系统的组成部分；对微波的产生、微波原件和微波测量的基本知识有了进一步的了解；掌握了测量微波基本参数的基本方法。总的来说，在自己探索加提问的方式完成了此次实验，同时了解了实验的实质就是对理论本质的理解，没有真正理解实验原理的本质，是很难开展实验的。友情提示： 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