微波特性测量实验
一、 实验目的
1、 了解微波测试系统的组成及各部分的作用，正确使用实验仪器。
2、 了解微波信号源的工作方式及信号的检测
方法
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。
3、 熟练掌握交叉读数法测量波导波长的方法。
4、 了解测量线调整和使用方法。
5、 通过测量观察测量线终端接不同负载（短路、开口、匹配负载、晶体检波器）时系统中形成的驻波分布情况。
6、 掌握直接法测量负载驻波比。
二、 实验原理
微波测试系统
微波测试系统通常有同轴和波导两种系统。同轴系统频带宽，一般用在较低的微波，频段（2cm波段以下）；波导系统（常用举行波导）损耗低、功率容量大一般用在较高频段（厘米波直至毫米波段）。
微波测试系统通常由三部分组成，如图1－2所示。
图1－2微波测试系统
PX-16 频率计
框图中的频率计准确的说是一种谐振式波长
表
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，是利用微波谐振腔体制作而成，可分为吸收式和传输式两大类。在实验中，当吸收式波长表与信号源产生的微波信号频率共振时，将从电路中吸收最大的能量，此时，系统中通过波检波指示最小，在表上可以直接读出其共振0 值。本实验时采用 一种吸收式频率计 ，测量频率范围为8.2GHz~12.4GHz，利用圆柱形谐振腔的
工作原理
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，直接标记频率度，在用它测量频率过程中，只需要缓慢旋动套筒，当在选频放大器上观察到信号大小发生变化或者在示波器上观察到吸收峰时，可以确定此时圆柱形谐振腔的固有频率与系统的工作频率相同，从频率计上读出的频率值即为信号源的工作频率。读取频率值时，在两条水平线之间读取竖向红线处的频率值
TC26 测量线
是属于波导型测量线，它是利用波导宽边正中间壁电流分布的特点沿纵向开槽，外加探针通过开槽深入波导系统中提取能量。在测量线上有确定探针位置的刻度尺，进行测量时，旋动旋钮，移动探针，探针从波导中提取的能量通过微波检波器进行检波，从而可以用示波器、选频放大器或者直流电流表进行检测与指示。通常探针的穿伸度及调谐装置均已调整好，不宜轻易变动。
晶体检波器
为了提高对微弱信号检测的灵敏度，需对微波等幅波信号或者方波调制信号进行检波。未经调制的微波信号经检波后变成直流电流，此时可用检流计或微安表直接作为指示器
选频放大器
1KHz 方波调制的微波信号经检波后，得到 1KHz 的方波信号，需用选频放大器作为指示器。选频放大器是用来放大和测量微弱低频交流信号的低噪声精密测量仪器，配合微波测量线使用可测量波导系统的驻波系数。XF-01、YM3892、DH388A0 等选频放大器是目前常用的几种国产选放。除了可对电流或电压进行直读测量，还具有分贝读数以及1-4(或 3-10)驻波比刻度线，因此可以很方便地直读小反射器件的驻比。通常将输入量程衰减器至于 50dB 或 60dB 档处，以确保检波器工作于平方律检波。其频率微调旋钮用于调节选放回路的谐振频率，当其与信号源调制频率相同时输出最大
功率计
用来直接测量连续波或脉冲调制微波信号平均功率大小的仪器
短路板
在微波测试系统中实现终端短路的微波
标准
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器件。
匹配负载
在微波测试系统中实现与系统匹配的微波终端标准器件
驻波分布特性试验测试框图
当波导存在不均匀性或负载不匹配时，波导中存在驻波。驻波比定义为波的最大振幅与波的最小振幅之比，即
其中I
和I
分别是驻波的波腹点的建波和波节点的检波电流值
在实验中测量驻波比的方法是直接法，所使用的一起是选頻放大器。在选頻放大器上，有驻波比指示的刻度线。直接操作的具体步骤如下：
在终端接上被测负载，然后将测量线的探针移到测量线中间部位的某个波腹点；通过调节可变衰减器，将波腹点的电表指示值调整为满刻度，在信号源、衰减器等系统状态都不变的条件下，接着将测量线探针移到波节点的位置，这时读取选頻放大器上驻波比刻度线所对应的值就是终端负载驻波比的值。当驻波比在1.05
记录
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多个数据，然后进行平均。取平均的方法有几种。这里列出两种，可任选一种计算，在平方律检波情况下：
S=
或S=
必须指出，在尖锐驻波比测量时，探针导纳的存在将对测量造成较大误差，因此应尽量减小探针插入深度，以保证测量准确度
阻抗测量的基本原理
根据以上实验，传输线驻波分布情况和终端负载主抗直接有关。由传输理论可以证明单口波导元件的归一化阻抗Z
与传输系统的波导波长λg，驻波比S和驻波节点距终端距离d
有下列单值的对应关系式：
而负载归一化导纳
为：
易于求得归一化负载阻抗与驻波比S和波节点相位
之间更为简洁的关系为：
由此可见，单口元件阻抗测量的问题可以归结为驻波测量的问题，当将测量线的输出端接上待测的单口元件，分别测出沿线的S，波导波长λg和d
之后，阻抗测量的问题也就解决了。根据传输的图解法原理，还可以利用阻抗原图或导纳圆图，根据测得的S，d
和λg来求解单口元件归一化
或
.
2.5.3 膜片介绍
理论分析表明：当膜片厚度 t 满足δ t 时，它的等效电路为一并联的导纳Y = G + jB(δ是金属膜片的趋肤深度)，使传输引起不连续。
（a）膜片有电容作用，故称为容性膜片，
(b)膜片有电感作用，称为感性膜片。由于膜片的损耗极小，通常把它们的电导分量 G忽略，而电纳 B 在一级近似下可以表示为：
容性膜片：
感性膜片：
三、 实验步骤
波导波长的测量
1. 监察系统连接的平稳，工作方式选择为 1KHz 方波调制，使信号源工作与最佳状态；
2. 対实验系统中的元器件的功能做一定的了解，并对各个器件的使用方法作进一步的熟悉和掌握；
3. 通过信号源上的频率调谐旋钮调整信号源的工作频率，并用直读式频率计测定信号频率，使信号源的工作频率
0为 9370MHz；
4. 测量线终端接短路板，使系统处于短路状态，选择合适的驻波波节点，一般选在测量线的有效行程的中间位置，并选择一个合适的检波指示值(0或0)，然后按交叉读数法测量波导波长。测量三组数据，取算术平均值作为波导波长的测量值。
驻波比的测量
保持工作频率不变，按 2.3.2 的步骤，分别测量终端短路，开口，匹配时的驻波比。
阻抗的测量
容性膜片和感性膜片的驻波比按上的方法测量。
元件的测量：
1. 将端口短路，旋动旋钮，找到一个合适的波节点，记录相应位置dT；
2.保持旋钮不动，接上测试元器件，旋动旋钮，远离端口，找到此时的第一个波腹位置dT′，并记录
四、 实验数据及处理
波导波长的测量数据
d1
d2
d3
1
158.10
135.90
113.44
2
153.06
130.60
108.22
155.58
133.25
110.83
44.66
44.84
\
求得
=44.75,波导的理论计算有：m = 1, n = 0则可以得到波导波长的理论值(其中0 = c/f0，a = 22.86mm)
=44.78966mm
则相对误差为0.0887%可以看出此次试验还是很理想的，误差不会太大
驻波的测量
短路
开口
匹配
S
1.361
1
1.对于短路情况下，经金属导体L的反射后，将形成出纯驻波，而出现波节为零的情况，于是其驻波比为无穷大；
2. 对于开路情况，信号源发出的微波未被反射，所测到的就是原始波的驻波比。
3. 在匹配情况下，入射波与反射波干涉相消而使驻波比为 1，这时为行波，但实际情况，指针会出现微小的摆动，这可能是由于反射波没有全部被吸收。
膜片归一化电纳的测量
S
dT
dT’
容性膜片
1.160
88.44
94.36
5.92
0.147
-0.0741
0.1908
0.0988
感性膜片
1.449
106.42
17.98
0.039
-0.1523
0.0742
0.3173
由上表知容性膜片的阻抗和导纳分别为
ZL=0.147-j0.0741
YL=0.1908+j0.0988
感性膜片的阻抗和导纳分别为：
ZL=0.039-j0.1523
YL=0.0742+j0.3173
五、 思考题
1.测量待测元件驻波极小点位置时，是否必须在“等效截面”的左端？为
什么？
必须得在“等效截面”的左端，我们要找的是端口第一个波节，而短路时，在端口处是此时驻波的波节，当换上膜片时，端口第一个波节肯定在左边，相应的“等效截面”也应该向左移
2. 实验中当测量线终端开口时，驻波比不为，为什么？
答：对于开口波导，其负载阻抗
则
又根据r 的定义得
,则按理论推算开口波导的r应无穷大：但实际无法实现全反射，因此其驻波比不为无穷大。
浙公网安备 33021202002483