電磁場(chǎng)微波實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(電子專業(yè))(1)中國(guó)民航大學(xué),cauc

1、電磁場(chǎng)、微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(電子專業(yè)適用) 范懿、許明妍 編班級(jí)：111044C班學(xué)號(hào)：111044309姓名：賈二超中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院二零一三年十二月實(shí)驗(yàn)一 電磁波參量的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）在學(xué)習(xí)均勻平面電磁波特性的基礎(chǔ)上，觀察電磁波傳播特性如E、 H和 S 互相垂直。（2）熟悉并利用相干波原理，測(cè)定自由空間內(nèi)電磁波波長(zhǎng)，并確定電磁波的相位常數(shù) 和波速。（3）了解電磁波的其他參量，如波阻抗等。二、實(shí)驗(yàn)儀器（1） DH1211型3cm固態(tài)源1臺(tái)（2） DH926A型電磁 波綜合測(cè)試儀1套（3） XF-01選頻放大器1臺(tái)（4） PX-16型頻率計(jì)三、實(shí)驗(yàn)原理兩束等幅、同頻率的均勻平面

2、電磁波，在自由空間內(nèi)從相同（或相反）方向傳播時(shí)，由于初始相位不同，它們相互干涉的結(jié)果，在傳播路徑上形成駐波分布。通過(guò)測(cè)定駐波場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的分布，求得波長(zhǎng)的值，由、得到電磁波的主要參數(shù)：、。設(shè)入射波為：當(dāng)入射波以入射角向介質(zhì)板斜投射時(shí)，在分界面上產(chǎn)生反射波和折射波。設(shè)入射波為垂直極化波，用表示介質(zhì)板的反射系數(shù)，用和表示由空氣進(jìn)入介質(zhì)板和由介質(zhì)板進(jìn)入空氣的折射系數(shù)。可動(dòng)板和固定板都是金屬板，其電場(chǎng)反射系數(shù)為-1，則處的相干波分別為： 其中，因?yàn)槭枪潭ㄖ?，則隨可動(dòng)板位移而變化。當(dāng)移動(dòng)值時(shí)，使具有最大輸出指示時(shí)，則有和為同相疊加；當(dāng)移動(dòng)值，使具有零值輸出指示時(shí)，必有和反相。故可采用改變的位置，使輸出最大或零

3、指示重復(fù)出現(xiàn)。在處的相干波合成 或?qū)懗?式中為測(cè)準(zhǔn)入值，一般采用 零指示辦法 ，即或 n=0.1.2. n表示相干波合成駐波場(chǎng)的波節(jié)點(diǎn)（）處。除n=0以外的n值，表示相干波合成駐波的半波長(zhǎng)數(shù)。將n=0時(shí)的駐波節(jié)點(diǎn)作為參考位置: 故四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）了解并熟悉電磁波綜合測(cè)試儀的工作特點(diǎn)，使用方法，特別要熟悉與掌握利用相干波原理測(cè)試電磁波波長(zhǎng)的方法（2）了解3cm固態(tài)源的使用方法和正確操作。（3）電磁波E、H和S三者符合右手螺旋規(guī)則，向傳播的波應(yīng)有：E=,H=-S=EH=（4）測(cè)量值 移動(dòng)可動(dòng)板，測(cè)值，根據(jù)測(cè)得值，計(jì)算、的值。（單位：mm）57.2340.3340.3323.9123.916.20

4、57.236.2016.916.4217.7117.01數(shù)字頻率計(jì)指示 MHz 30 mm微安表零指示4可移動(dòng)板總位移 51.03 mm自由空間波長(zhǎng)= 34.02 mm波的相位常數(shù)= 0.185自由空間波速= m/s實(shí)驗(yàn)三 微波工作波長(zhǎng)的測(cè)量 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉測(cè)量線的使用方法。2. 掌握工作波長(zhǎng)測(cè)量的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1測(cè)量系統(tǒng)的連接與調(diào)整進(jìn)行微波測(cè)量，首先必須正確連接與調(diào)整微波測(cè)試系統(tǒng)。圖31示出實(shí)驗(yàn)室常用的微波測(cè)試系統(tǒng)，信號(hào)源通常位于左側(cè)，待測(cè)元件接在右側(cè)，以便于操作。連接系統(tǒng)平穩(wěn)，各元件接頭對(duì)準(zhǔn)。晶體檢波器輸出引線應(yīng)遠(yuǎn)離電源和輸入線路，以免干擾。如果系統(tǒng)連接不當(dāng)，將會(huì)影響測(cè)量精度，

5、產(chǎn)生誤差。圖31 微波測(cè)試系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)整主要指信號(hào)源和測(cè)量線的調(diào)整以及晶體檢波器的校準(zhǔn)。信號(hào)源的調(diào)整包括振蕩頻率、功率電平及調(diào)制方式等。本實(shí)驗(yàn)討論駐波測(cè)量線的調(diào)整和晶體檢波器的校準(zhǔn)。2測(cè)量線的調(diào)整及波長(zhǎng)測(cè)量（1）駐波測(cè)量線的調(diào)整駐波測(cè)量線是微波系統(tǒng)的一種常用測(cè)量?jī)x器，它在微波測(cè)量中用途很廣，如測(cè)駐波、阻抗、相位、波長(zhǎng)等。測(cè)量線通常由一段開(kāi)槽傳輸線，探頭（耦合探針、探針的調(diào)諧腔體和輸出指示）、傳動(dòng)裝置三部分組成。由于耦合探針伸入傳輸線而引入不均勻性，其作用相當(dāng)于在線上并聯(lián)一個(gè)導(dǎo)納，從而影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。為了減小其影響，測(cè)試前必須仔細(xì)調(diào)整測(cè)量線。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量線的調(diào)整一般包括選擇合適的探針穿伸度、調(diào)諧

6、探頭和測(cè)定晶體檢波特性。探針電路的調(diào)諧方法：先使探針的穿伸度適當(dāng)，通常取1.01.5mm。然后測(cè)量線終端接匹配負(fù)載，移動(dòng)探針至測(cè)量線中間部位，調(diào)節(jié)探頭活塞，直到輸出指示最大。（2）波長(zhǎng)測(cè)量測(cè)量波長(zhǎng)常見(jiàn)的方法有諧振法和駐波分布法。a. 用諧振式波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量。調(diào)諧波長(zhǎng)計(jì)，使得指示器指針達(dá)到最大值，記錄此時(shí)的波長(zhǎng)計(jì)刻度，查表，確定波長(zhǎng)計(jì)諧振頻率，再根據(jù)，計(jì)算出信號(hào)源工作波長(zhǎng)。b. 用駐波測(cè)量線測(cè)量，當(dāng)測(cè)量線終端短路時(shí)，傳輸線上形成純駐波，移動(dòng)測(cè)量線探針，測(cè)出兩個(gè)相鄰駐波最小點(diǎn)之間的距離，即可求得波導(dǎo)波長(zhǎng)，再根據(jù)公式（32）計(jì)算出工作波長(zhǎng)。c. 將精密可調(diào)短路器接在測(cè)量線的輸出端，置測(cè)量線探針于某一波節(jié)

7、點(diǎn)位置不變，移動(dòng)可調(diào)短路器活塞，則探針檢測(cè)值隨之由最小逐漸增至最大，然后又減至最小值，即為相鄰的另一個(gè)駐波節(jié)點(diǎn)，短路器活塞移動(dòng)的距離等于半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)。在傳輸橫電磁波的同軸系統(tǒng)中，按上述方法測(cè)出的波導(dǎo)波長(zhǎng)就是工作波長(zhǎng)，即，而在波導(dǎo)系統(tǒng)中，測(cè)量線測(cè)出的是波導(dǎo)波長(zhǎng)，根據(jù)波導(dǎo)波長(zhǎng)和工作波長(zhǎng)之間的關(guān)系式： （31）便可算出工作波長(zhǎng) （32）式中，波導(dǎo)寬邊尺寸，本系統(tǒng)矩形波導(dǎo)型號(hào)為BJ-100 (mm2)，為了提高測(cè)量精度，通常采用交叉讀數(shù)法確定波節(jié)點(diǎn)位置，并測(cè)出幾個(gè)波長(zhǎng)，求其平均值。所謂交叉讀數(shù)法是指在波節(jié)點(diǎn)附近兩旁找出電表指示數(shù)相等的兩個(gè)對(duì)應(yīng)位置 ，然后分別取其平均值作為波節(jié)點(diǎn)位置，如圖32所示。 （

8、33） （34） （35）圖32 交叉讀數(shù)法測(cè)量駐波節(jié)點(diǎn)位置3晶體檢波器特性的測(cè)定檢波電流與加在晶體二極管上的電壓關(guān)系為： （36）式中n是晶體二極管檢波律；如，稱線性檢波；當(dāng)，稱平方律檢波。圖33 二極管檢波特性二極管檢波特性隨其端電壓大小而變化，當(dāng)其端電壓較小時(shí)，呈現(xiàn)出平方律；端電壓較大時(shí)，呈現(xiàn)出線性規(guī)律，如圖33所示。由圖可見(jiàn)，在范圍內(nèi)近似線性；時(shí)呈平方律；處在范圍內(nèi)，檢波律n不是整數(shù)。因此加在晶體管兩端電壓變化幅度較大時(shí)，n就不是常數(shù)，所以在精密測(cè)量中必須對(duì)晶體檢波律進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)量線探針在波導(dǎo)中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)（即晶體二極管兩端電壓U）與探針?biāo)谔幍碾妶?chǎng)E成正比，因而，檢波電流和波導(dǎo)中的場(chǎng)

9、強(qiáng)同樣滿足關(guān)系式： （37）故要從檢波電流讀數(shù)值決定電場(chǎng)強(qiáng)度的相對(duì)值，就必須確定晶體檢波律n。當(dāng)n2時(shí)，該檢波電流讀數(shù)即為相對(duì)功率指示值。實(shí)驗(yàn)中，大多數(shù)微波測(cè)試系統(tǒng)屬于小信號(hào)工作狀態(tài)，因此，晶體檢波律基本為平方律，如果不是精密測(cè)量，可取n2。三、實(shí)驗(yàn)儀器及裝置圖圖34 測(cè)試裝置圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1調(diào)整測(cè)量線1.1 參照?qǐng)D34連接各微波元件。1.2 測(cè)量線終端接晶體檢波架，調(diào)整微波信號(hào)源使獲得最佳方波調(diào)制輸出功率。1.3 調(diào)整測(cè)量線：（1）測(cè)量線終端接匹配負(fù)載，并將探頭晶體檢波輸出端接選頻放大器。（2）轉(zhuǎn)動(dòng)探頭上部的調(diào)節(jié)螺母來(lái)調(diào)整探針插入深度，其讀數(shù)由頂部標(biāo)尺刻度指示（單位為mm）。插入深度取

10、11.5mm。調(diào)諧探針回路（調(diào)銀白色活塞），使指示器讀數(shù)最大，再調(diào)諧檢波回路（黑色活塞），使指示器讀數(shù)最大。2. 工作波長(zhǎng)的測(cè)量2.1 用波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量工作頻率，記錄數(shù)據(jù)，隨即失諧頻率計(jì)。表31 波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量工作波長(zhǎng)信號(hào)源工作頻率波長(zhǎng)計(jì)刻度查表對(duì)應(yīng)工作頻率工作波長(zhǎng)kHZ5.899214KHz32.56mm2.2 測(cè)量線終端換接短路板，移動(dòng)探針至駐波節(jié)點(diǎn)，然后在此波節(jié)點(diǎn)兩邊以一個(gè)適當(dāng)?shù)淖x數(shù)為參考，記下相應(yīng)探針的位置 ，將探針移動(dòng)相鄰的波節(jié)點(diǎn)上，用同樣的方法讀取，并計(jì)算波導(dǎo)波長(zhǎng)，由式(32)計(jì)算工作波長(zhǎng)，將上述測(cè)量和計(jì)算數(shù)據(jù)填入表32。 表32 計(jì)算和 單位：mm159.4159.2159.3131.6

11、131.3131.4555.735.082.3 將精密可調(diào)短路器接在測(cè)量線的輸出端，置測(cè)量線探針于某一波節(jié)點(diǎn)位置不變，移動(dòng)可調(diào)短路器活塞，在波節(jié)點(diǎn)兩邊以一個(gè)適當(dāng)?shù)淖x數(shù)為參考，記下相應(yīng)探針的位置 ，將探針移動(dòng)相鄰的波節(jié)點(diǎn)上，用同樣的方法讀取，并計(jì)算波導(dǎo)波長(zhǎng)，由式(22)計(jì)算工作波長(zhǎng)，將數(shù)據(jù)填入表33。表33 計(jì)算和 單位：mm27.74622.41825.0825.4290.2882.85844.4431.87五、思考題1閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，了解測(cè)量線的調(diào)整方法。六、注意事項(xiàng)1測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng)或其它微波參量時(shí)，測(cè)量線探針位置及短路活塞位置必須朝一個(gè)方向移動(dòng)，以免引起回差。2. 當(dāng)微波信號(hào)源工作頻率改變時(shí)

12、，測(cè)量線必須重新調(diào)整。實(shí)驗(yàn)四 電壓駐波比的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諟y(cè)量大、中電壓駐波比的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理電壓駐波比（簡(jiǎn)稱駐波比）是傳輸線中電場(chǎng)最大值與最小值之比，表示為： （41）測(cè)量駐波比的方法及儀器很多，本實(shí)驗(yàn)討論用駐波測(cè)量線，根據(jù)直接法，等指示度法測(cè)量大、中電壓駐波比。1. 直接法直接測(cè)量沿線駐波的最大和最小場(chǎng)強(qiáng)（參見(jiàn)圖41），根據(jù)式（41）直接求出電壓駐波比的方法稱直接法。該方法適用于測(cè)量中、小駐波比。圖41 無(wú)耗線上的駐波圖如果駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)處指示電表讀數(shù)分別為和，晶體二極管為平方律檢波，則式（41）成為： （42）當(dāng)駐波比時(shí)，駐波的最大值和最小值相差不大，且波腹，波節(jié)平坦，難以準(zhǔn)確測(cè)

13、定。為了提高測(cè)量精度，可移動(dòng)探針測(cè)出幾個(gè)波腹和波節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后取其平均值。 （43a）或) （43b）當(dāng)駐波比時(shí)，可直接測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)最大值和最小值。2. 等指示度法等指示度法測(cè)量適用于大、中電壓駐波比（）。如果被測(cè)件駐波比較大，駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)電平相差懸殊，因而測(cè)量最大點(diǎn)和最小點(diǎn)電平時(shí)，使晶體工作在不同的檢波律，故若仍按直接法測(cè)量駐波比誤差較大。等指示度法是測(cè)量駐波圖形節(jié)點(diǎn)兩旁附近的駐波分布規(guī)律，從而求得駐波比的方法，因此能克服直接法測(cè)量的缺點(diǎn)。圖42 等指示度法如圖42，設(shè)為駐波節(jié)點(diǎn)指示值，為駐波節(jié)點(diǎn)相鄰兩旁的等指示值，W為等指示度之間的距離，終端反射系數(shù)為，則： （44a）根據(jù)，及式，可得：

14、（44b）當(dāng)探頭為晶體平方律檢波，時(shí)，駐波比按式（34c）計(jì)算，這種方法也稱為“二倍最小值法”或“三分貝法”。 （44c）當(dāng)時(shí)，很小，則式（34c）可簡(jiǎn)化為： （45）3. 功率衰減法功率衰減法適用于任意駐波比的測(cè)量，它用精密可變衰減器測(cè)量駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)兩個(gè)位置上的電平差，從而測(cè)出駐波比。改變測(cè)量系統(tǒng)中精密可變衰減器的衰減量，使探針位于駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)時(shí)指示電表的讀數(shù)相同，則駐波比可用下式計(jì)算： （46）式中，分別為探針位于波腹和波節(jié)點(diǎn)時(shí)精密衰減器衰減量。三、實(shí)驗(yàn)儀器及裝置圖如圖43所示。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1. 微波測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)整1.1 按圖33檢查測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量線終端接檢波架，開(kāi)啟電源，預(yù)熱各

15、儀器。1.2 按操作規(guī)程使信號(hào)源工作在方波調(diào)制狀態(tài)，并獲得最佳輸出。1.3 調(diào)整測(cè)量線，調(diào)整探針電路，檢波電路，使測(cè)量線工作在最佳狀態(tài)。調(diào)整輸入功率電平，使晶體工作在平方律檢波范圍內(nèi)。圖43 測(cè)試裝置圖1.4 用直讀式頻率計(jì)測(cè)量工作頻率，記錄數(shù)據(jù)。1.5 測(cè)量線終端接短路板，用交叉讀數(shù)法測(cè)量?jī)蓚€(gè)相鄰波節(jié)點(diǎn)位置，計(jì)算波導(dǎo)波長(zhǎng)，重復(fù)五次，將數(shù)據(jù)記于表41中，取平均值作為。 表41 波導(dǎo)波長(zhǎng) 單位：mm778599.8106.9122.3130.41481554781103.35126.35151.52 用直接法測(cè)量開(kāi)口波導(dǎo)及單螺釘?shù)碾妷厚v波比。2.1 測(cè)量線終端開(kāi)口，移動(dòng)探針至駐波腹點(diǎn)，調(diào)整指示器

16、靈敏度，使指示電表讀數(shù)達(dá)滿度（或近滿度，“100”或“90”）。2.2 分別測(cè)定駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的幅值和 ，列表4-2記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算。表42 駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的幅值指示計(jì)讀數(shù)1234615960633.83553452.3 測(cè)量線終端接單螺釘（旋入4mm）和匹配負(fù)載，重復(fù)步驟2.1，2.2，并測(cè)量?jī)纱?，列表記錄?shù)據(jù)并計(jì)算 。3. 用等指示度法測(cè)量單螺釘?shù)碾妷厚v波比。3.1 調(diào)節(jié)單螺釘穿伸度約7mm，測(cè)量線探針移至駐波節(jié)點(diǎn)。調(diào)整可變衰減器，指示度靈敏度，必要時(shí)可調(diào)整測(cè)量線探針穿伸度（一般不調(diào)），使指示電表讀數(shù)接近“40”或“50”，讀取駐波節(jié)點(diǎn)幅值。3.2 緩慢移動(dòng)探針，在駐波節(jié)點(diǎn)兩旁找到電表指示讀

17、數(shù)為的兩個(gè)等指示度點(diǎn)，應(yīng)用測(cè)量線標(biāo)尺刻度讀取二個(gè)等指示度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的探針位置讀數(shù)值和，重復(fù)五次，將數(shù)據(jù)記于表43。3.3 根據(jù)公式計(jì)算駐波比。表43 等指示度法測(cè)駐波比次數(shù)n對(duì)應(yīng)的探針位置（mm）（mm）179.7778587.052.122104.399.8106.97.13126.3122.3130.48.14150.814815354. 功率衰減法 表44 可變衰減器讀數(shù)五、思考題1. 用等指示度法測(cè)量W時(shí)，移動(dòng)測(cè)量線探針位置應(yīng)注意什么？2. 推導(dǎo)公式（44a），(44b)和（44c）。 3. 開(kāi)口波導(dǎo)的駐波比，為什么？如何在波導(dǎo)終端獲得一個(gè)真正的開(kāi)口面，應(yīng)采用什么方法？六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.

18、 畫(huà)出實(shí)驗(yàn)裝置圖。2. 整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)五 定向耦合器特性的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯慷ㄏ蝰詈掀鞯奶匦?。二、?shí)驗(yàn)原理定向耦合器是一種有方向性的微波功率分配器件，通常有波導(dǎo)、同軸線、帶狀線及微帶等幾種類型。定向耦合器包含主線和副線兩部分，在主線中傳輸?shù)奈⒉üβ式?jīng)過(guò)小孔或間隙等耦合元件，將一部分功率耦合到副線中去，由于波的干涉和疊加，使功率僅沿副線中的一個(gè)方向傳輸（稱“正方向”），而在另一方向幾乎沒(méi)有（或極少）功率傳輸（稱“反方向”）。圖51 定向耦合器原理圖 定向耦合器的特性參量主要是：（1）耦合度，（2）方向性，（3）輸入駐波比，（4）帶寬范圍。1. 耦合度及其測(cè)量輸入至主線的功率與副線中正向傳輸

19、的功率之比稱為定向耦合器的耦合度C。 （51）式中，、分別為主線輸入端的功率及電壓；、分別為副線正方向傳輸功率及電壓。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定某定向耦合器的耦合度。首先測(cè)量主波導(dǎo)輸入端的功率電平，然后將耦合器正向接入測(cè)量系統(tǒng)，參見(jiàn)圖52，測(cè)出副波導(dǎo)正向輸出端的功率電壓，在耦合度C可根據(jù)公式（51）計(jì)算。也可以改變精密可變衰減器衰減量，使兩種情況的檢測(cè)指示器讀數(shù)相等，則衰減器的讀數(shù)差即為耦合度C。圖52 測(cè)量定向耦合器耦合度裝置圖2. 方向性及其測(cè)量副線中正方向傳輸功率與反向傳輸?shù)墓β手确Q為定向耦合器的方向性D。 （52）式中，、分別為耦合至副線正方向傳輸?shù)墓β始半妷?；、分別為耦合至副線反方向傳輸?shù)墓β始半妷骸Ｓ袝r(shí)，反向程度也用隔離度來(lái)表示。隔離度表示輸入