電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)2011版本

1、1目 錄實(shí)驗(yàn)一、GUNN 振蕩器 .1實(shí)驗(yàn)二、調(diào)制器和晶體檢波器.6實(shí)驗(yàn)三、波導(dǎo)內(nèi)的波長(zhǎng)測(cè)量.12實(shí)驗(yàn)四、Q 值和諧振腔帶寬的測(cè)量 .18實(shí)驗(yàn)五、駐波比的測(cè)量.22實(shí)驗(yàn)六、阻抗測(cè)量.252實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)一、Gunn 振蕩器振蕩器一、一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握微波信號(hào)源Gunn振蕩器的理論和操作方法2、掌握Gunn振蕩器電壓、電流、功率和頻率之間的關(guān)系二、二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備AT3000三厘米波導(dǎo)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計(jì)、示波器、SWR表三、三、 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理A、Gunn 效應(yīng)Gunn 效應(yīng)也稱電子遷移效應(yīng)，是 1963 年 Gunn 發(fā)現(xiàn)的，如圖 11，當(dāng)小的直流電壓加到硅材料薄片

2、上時(shí) Gunn 在他的實(shí)驗(yàn)方法里使用的是GaAs(砷化鎵）和 InP（磷化銦） ，在一定的條件下呈現(xiàn)出負(fù)阻（negative resistance）特性。一旦產(chǎn)生負(fù)阻，就能夠很容易地通過連接負(fù)阻到調(diào)諧電路產(chǎn)生振蕩。保持半導(dǎo)體材料的負(fù)阻狀態(tài)的條件是：保持加在半導(dǎo)體上的電壓梯度超過 3000V/cm。半導(dǎo)體微波源的最適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧電路就是諧振腔。圖 11 外延 GaAs Gunn 半導(dǎo)體側(cè)視圖Gunn 效應(yīng)只發(fā)生在 n 型半導(dǎo)體材料上，這是半導(dǎo)體自身特性的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)有關(guān)結(jié)或連接點(diǎn)的特性的任何參數(shù)和電壓、電流都不影響 Gunn 效應(yīng)，只有電場(chǎng)是需要高于閾值的，才能保持振蕩。Gunn 二極管對(duì)磁場(chǎng)不敏

3、感，因此，它對(duì)任何入射磁場(chǎng)都不響應(yīng)。振蕩器的頻率主要取決于電子束穿過材料薄片的時(shí)間。B、負(fù)阻和轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)3圖 12 是 GaAs 的能帶和能級(jí)。注意到這種材料（GaAs）在能級(jí)的頂部具有空能帶，部分滿的能帶在空能帶下面，當(dāng) N 型材料參雜入這種材料并有電壓加在二極管上時(shí)，將有剩余電子產(chǎn)生流動(dòng)。圖 12 GaAs Gunn 二極管的能級(jí)流過二極管的電流與電壓成正比，電流方向朝著 GaAs 的正極。電壓越高、電流越大的情形等效于正電阻。然而，當(dāng)電壓達(dá)到足夠高時(shí)，電子不會(huì)再流動(dòng)的更快些，而是遷移到更高的能帶。此能帶空穴多，遷移率低，結(jié)果電流減少了，二極管就表現(xiàn)出負(fù)阻現(xiàn)象。電子從低能級(jí)遷移到高能級(jí)叫

4、做轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)。如果電壓繼續(xù)增加，高能帶的電子遷移率就會(huì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致電流增加。C、Gunn 疇GaAs 振蕩器的頻率與電子束的形成和轉(zhuǎn)移時(shí)間有關(guān)。負(fù)阻效應(yīng)是理解Gunn 振蕩器的重要因素。然而，僅有負(fù)阻效應(yīng)并不能完全解釋振蕩器內(nèi)發(fā)生的所有過程，另一個(gè)重要的因素就是疇(domains)的形成，或 Gunn 疇。 GaAs 內(nèi)自由電子的總數(shù)依賴于 GaAs 內(nèi)參雜的 N-型材料的密度。因?yàn)槠鋮㈦s密度不是必須一致的，所以參雜密度低的地方自由電子就少一些。由于自由電子少一些意味著導(dǎo)電率也就低一些，因此，這樣的區(qū)域電勢(shì)（potential）差比自由電子多的區(qū)域大，當(dāng)施加的電壓增加時(shí)，足夠的電壓梯度導(dǎo)致

5、負(fù)阻疇，所以電子遷移效應(yīng)就先發(fā)生在這個(gè)區(qū)域。上述的疇是不穩(wěn)定的。疇里的電子由于快速遷移而被分離，前面的電子向前移動(dòng)的速度快，后面的聚成（電子束） ，這樣，整個(gè)疇以 107cm/S 的速度穿過硅片到達(dá)正極。當(dāng)疇里發(fā)生電子遷移效應(yīng)時(shí)，電子移動(dòng)到低導(dǎo)電高能帶，少量電子留在4導(dǎo)帶，此時(shí)降低了此區(qū)域的導(dǎo)電率。如前面章節(jié)的解釋，這導(dǎo)致電勢(shì)梯度增加,使疇可以移動(dòng)。因此，電子的傳輸和疇的移動(dòng)過程自己重復(fù)著，這就是所謂的“自我塑造/再生” 。當(dāng)疇到達(dá)二極管的陰極，將產(chǎn)生一個(gè)脈沖到與之相連的諧振腔電路，形成振蕩。實(shí)際上，Gunn 二極管的振蕩是由到達(dá)負(fù)極的脈沖導(dǎo)致的，比用二極管的負(fù)阻特性來解釋更為合適。D、Gun

6、n 振蕩器圖 13 是 AT3000 使用的 Gunn 振蕩器圖 13 AT3000 中的 Gunn 振蕩器盡管振蕩器設(shè)計(jì)的可以避免副振蕩模式振蕩，振蕩器還是提供了調(diào)諧功能以備有必要細(xì)調(diào)時(shí)使用。四、四、實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)過程如圖 14 連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備電 源耿氏振蕩器可變衰減器同軸/波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器功率計(jì)VmA圖 14 建立 Gunn 二極管的電流和電壓的特性測(cè)試A、電流與電壓關(guān)系的特性。5(1) 將電壓調(diào)到 4V，將可調(diào)衰減器調(diào)到 10dB，這樣可以保證隔離Gunn 振蕩器。(2) 每次將電壓調(diào)高 0.5V（注意：不可以超過 10V） ，測(cè)量并將每次的電流記錄為：二極管電流與電壓關(guān)系的特性表。(3) 將電壓

7、減到 0V，根據(jù)表 11 繪制一個(gè) V-I 曲線。B、振蕩器輸出功率與輸入電壓關(guān)系的測(cè)量。(1) 打開功率表的電源，并校零。(2) 每次將電壓調(diào)高 0.5V（注：不可以超過 10V） ，并記錄每次功率表的功率讀數(shù)和衰減值。(3) 將讀到的功率值從 mW 轉(zhuǎn)換為 dBm，然后加上衰減值（dB）到 dBm.例如：假設(shè)功率讀數(shù)是 6.3mW，電源電壓是 8.5V，用dBm10log6.3=8dBm 加上 3dB 的衰減，那么總功率應(yīng)該是11dBm?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)換 Gunn 二極管的輸出功率 11dBm 到 mW：(4) 重復(fù)(3)，并完成表：電源電壓和與輸出功率的關(guān)系表。(5) 畫圖表示出電源電壓與輸出功

8、率之間的關(guān)系。C、振蕩器輸出頻率與電源電壓關(guān)系的測(cè)量。(1) 如圖 17，架設(shè)設(shè)備。將電源電壓調(diào)至 9V，將衰減器調(diào)到最大衰減，將功率表撥到 1.0 量程，減少衰減直到功率表的讀數(shù)接近刻度的右側(cè)(大約 0.8 到 1mW)。慢慢地調(diào)整頻率表，觀察功率表，當(dāng)功率表的讀數(shù)有大幅下降時(shí)，頻率表的讀數(shù)就是 Gunn 振蕩器的頻率。(2) 將電源電壓從能夠發(fā)生振蕩的最低電壓調(diào)到最高電壓（10V） ，每次增加 1V，完成頻率與電壓的關(guān)系表。注意頻率表的每個(gè)刻度是10MHz。6電 源耿氏振蕩器可變衰減器頻率計(jì)同軸/波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器功率計(jì)VmA圖 17 連接振蕩輸出頻率與電源電壓關(guān)系的測(cè)量實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)二、調(diào)制器和晶

9、體檢波器調(diào)制器和晶體檢波器一、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握 PIN 二極管調(diào)制器的基本原理及操作。2、掌握晶體檢波器的基本理論及操作。二、二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備AT3000三厘米波導(dǎo)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計(jì)、示波器、SWR表三、三、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 A、PIN 二極管如圖 21(a)，PIN 二極管由 P 材料、N 材料以及兩者夾心的一個(gè)薄絕緣體(Insulator)構(gòu)成，因此叫做 PIN 二極管。P 和 N 的厚度比絕緣體的厚度更重要。在反向偏壓和微波頻率下 PIN 二極管是高阻和電容元件。它是一個(gè)雪崩效應(yīng)元件，在正向偏壓條件下，絕緣體里發(fā)生雪崩效應(yīng)，允許 P 的空穴和 N 的電子流通，因

10、此，絕緣體成為有效導(dǎo)體。圖 21(b) 表示 PIN 二極管的等效電路。圖 21(c) 和 (d) 是等效電路被修改為偏壓后的結(jié)果。7(a) 構(gòu)造 (b) 等效電路 (c) 反偏等效電路 (d) 正偏等效電路圖 21 PIN 二極管的結(jié)構(gòu)和等效電路PIN 二極管調(diào)制器有一個(gè)與波導(dǎo)交叉連接的二極管，當(dāng)偏壓按足夠大的方波（低頻）變化，并且波導(dǎo)內(nèi)有微波時(shí)，二極管具有調(diào)制器功能。當(dāng)二極管被反向偏置時(shí)，不影響能量流通，當(dāng)其被完全或部分地去除反向偏置時(shí)，可以使二極管控制能量流。這種使用絕緣體在 P 和 N 之間的調(diào)制器具有優(yōu)良的調(diào)制性能，因?yàn)樗谡{(diào)制過程中可以使整流和諧波產(chǎn)生的影響最小。B、晶體檢波器晶體

11、檢波器是一種可以按“平方律”特性檢測(cè)微波信號(hào)的元件，點(diǎn)接觸鍺或硅晶體的二極管是最常見的晶體檢波器。有時(shí)，輻射熱測(cè)量?jī)x也用于微波檢測(cè)，此器件主要是用來測(cè)量微波功率的。典型的晶體檢波器如圖 22 和圖 23(a)和(b)。在圖 22 里兩個(gè)濾波器(輸入高通和輸出低通)是用來分離微波和直流輸出的。8圖 22 典型晶體檢波器電路圖 23 晶體檢波器的 V-I 特性在圖 23 中，我們來關(guān)注二極管的電流和電壓的關(guān)系。一般來說，圖 23 中的一條曲線可以近似地用電壓的冪的泰勒級(jí)數(shù)來表示。 (2-1)通常，前三項(xiàng)已經(jīng)足夠近似于整個(gè)方程。如果電壓表示為V=Acost這里 A 是振幅， 等于 2f將 V 代入式

12、 21,得出i=a0+a1(Acost)+a2(Acost)2+ (2-2)用9 得出a2 A2i= a0+a1(Acost)+2(1+cos2t)+. (2-4)現(xiàn)在，平方律的特性已經(jīng)明顯了，在等式 24 里，項(xiàng)已經(jīng)包含直流分量 ，二次諧波表達(dá)為。因此我們可以說，檢波器的電流正比于微波電壓的振幅 A 的平方。這個(gè)概念只在一定的信號(hào)電平內(nèi)有效；在信號(hào)電平更高時(shí)，式 24 中更多的項(xiàng)需要考慮，二極管不再被當(dāng)作平方律器件了。除圖 22 的檢波電路之外，二極管本身可以表達(dá)為等效電路的項(xiàng)。圖 24 表示一個(gè)完整的等效電路。圖 24 檢波器的等效電路圖 24 中，Ro 和 C 代表結(jié)的阻抗，r 是二極管

13、的體電阻。檢波器的品質(zhì)因數(shù)是檢波公式的電壓和電流的靈敏度，表達(dá)為：1cos2t=2(1+cos2t) (2-3)開路電壓RoIdc電壓靈敏度=輸入功率=Pin (2-5)短路電流Ro/(r+ Ro)電流靈敏度=輸入功率= Pin(2-6)10為了使輸出功率最大化，必須匹配二極管的微波阻抗和波導(dǎo)的特征阻抗。匹配阻抗的另一個(gè)好處是使來自檢波器的反射最小化，因?yàn)榉瓷溆绊憸y(cè)量的準(zhǔn)確度。二極管能夠檢測(cè)到的最小信號(hào)電平取決于二極管的噪聲。二極管在存在噪聲時(shí)檢測(cè)信號(hào)的能力叫做檢波器的正切靈敏度(TSS)。圖 25 中簡(jiǎn)要畫出了 TSS 的概念。圖 25 二極管的 TSS在圖 25 中，方波調(diào)制的微波信號(hào)被檢

14、波、放大并顯示在示波器上。TSS 的真正意思是必須使方波的最小微波功率高于噪聲。檢波器的 TSS主要依靠檢波器前的放大器的帶寬，因?yàn)橹付ǚ秶鷥?nèi)的噪聲幅度決定于帶寬。微波檢波器的典型參數(shù)是 1MHz 帶寬和-50dBm 的 TSS.四、四、 實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)過程電 源耿氏振蕩器PIN 調(diào)制器可變衰減器檢波器方波發(fā)生器示波器圖 26 方波調(diào)制的測(cè)試連接圖(1)如圖 26 連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備。(2)給 Gunn 振蕩器加+12V 電源。(3)調(diào)節(jié)衰減器到 10dB。(4)調(diào)整方波發(fā)生器到 1kHz 和 2Vp-p 輸出，連接到 PIN 調(diào)制器。(5)調(diào)節(jié)示波器，使屏幕上的方波的頂部對(duì)齊參考電平線。11(6)調(diào)

15、整衰減器使屏幕上的方波的底部對(duì)齊參考電平線(7)調(diào)到 1Vp-p 負(fù)方波，重復(fù)以上的測(cè)量。(8)用以下公式計(jì)算 2Vp-p 和 1Vp-p 的兩個(gè)調(diào)制輸入的調(diào)制深度。VmaxAdB=20log(Vmin) (2-7)A 是 (3) 和 (6) 之間的衰減設(shè)置的差值。Vmax/ Vmin-1m=Vmax/ Vmin+1 (2-8)這里，m 是調(diào)制深度。如圖 27 表示方波調(diào)制和檢波的波形。 圖 27 方波調(diào)制和檢波從圖 27 中可以看出，衰減設(shè)置差值 A 可以表示為：PmaxVmaxAdB=10 logPmin=20 logVmin(2-9)1213實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)三、波導(dǎo)內(nèi)的波長(zhǎng)波導(dǎo)內(nèi)的波長(zhǎng)測(cè)量測(cè)

16、量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)波導(dǎo)理論2、通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)自由空間與波導(dǎo)內(nèi)的微波傳播的波長(zhǎng)二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備AT3000三厘米波導(dǎo)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計(jì)、示波器、SWR表三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理 微波波導(dǎo)是矩形或圓形截面的空金屬管。在本實(shí)驗(yàn)里使用的是矩形波導(dǎo)。下面的數(shù)學(xué)分析是以矩形波導(dǎo)分析的。假設(shè)用戶具有波動(dòng)方程的基本知識(shí),那么原形波導(dǎo)可以用圓柱坐標(biāo),并用相似的方法分析。我們從波動(dòng)方程開始分析。A、波動(dòng)方程簡(jiǎn)化的波動(dòng)方程表達(dá)如下：+k=0 (3-1)這里，(x,y,z)是標(biāo)量波函數(shù)k 表示波數(shù),定義為：k= (3-2)在理想電介質(zhì)里,在直角坐標(biāo)系中,(3-1)變成： + + +k=

17、0 (3-3)x y z直角坐標(biāo)系被建立了,如圖 3-1.Z 是傳播方向。我們的目的是為了得到一個(gè)這樣的公式：G(x,y)f(z) (3-4) 這里,f 只是 z 的函數(shù),g 只是 x 和 y 或其他合適的橫向坐標(biāo)的函數(shù)。 用變數(shù)分離法解(3-3),求 ：=A1cos(KxX)+A2sin(kxX)B1cos(KyX)+B2sin(KyX) C1e-jgz+C2e+jgz (3-5)14xybaz圖 3-1 矩形波導(dǎo)在矩形坐標(biāo)系里由于電磁波傳播只發(fā)生在 Z 軸上,這里,Kx+Ky=K并且 z=-jg(g=2/波長(zhǎng))。電磁波在 z 軸正方向傳播可用 e 來表示,因此,相應(yīng)的e 表示在 z 軸的負(fù)

18、方向.我們對(duì)三種傳播模式感興趣:一、TEM(橫向電磁波)模式：在此模式里,電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是橫向傳播的,因此,在傳播方向上沒有場(chǎng)分量,TEM 波不存在于波導(dǎo).二、TE(橫向電波)模式或 H 模式:在次模式里,沒有電場(chǎng)存在與 z 方向,然而,有磁場(chǎng)存在于 z 方向,因此所有的場(chǎng)分量都來自于磁場(chǎng)的軸向分量Hz。 三、TM（橫向磁波）模式或 E 模式：在此模式里，沒有磁場(chǎng)存在于 z 方向，然而，有電場(chǎng)存在于 z 方向，因此，所有的場(chǎng)分量都來自于電場(chǎng)的軸分量 Ez。 TE 和 TM 波是在空的波導(dǎo)內(nèi)傳播的波。我們將盡量用數(shù)學(xué)方法計(jì)算 TE 模式的場(chǎng)分量。假設(shè)波導(dǎo)的內(nèi)壁是用完美的導(dǎo)體制成的（=） ，并且波導(dǎo)

19、內(nèi)充滿了理想的介質(zhì)（=0） ，則場(chǎng)公式就可以簡(jiǎn)化了。這些是必要條件：(1)TEmn 模式如果只考慮+z 方向，公式 3-5 可以寫成 Hz 的公式：Hz=A1cos(KxX)+A2sin(kxX)B1cos(KyX)+B2sin(KyX)(c1e)=De-jgz 15（3-6）波導(dǎo)的邊界條件：橫面磁場(chǎng)波的垂直分量（normal component）在理想導(dǎo)體的波導(dǎo)壁上必須消失：正切的電場(chǎng)在波導(dǎo)壁上也要消失。所以，如 3-6 中定義的， “D”的要求是：D/x=0 at x=0,a (3-7)D/y=0 at y=0,b (3-8) 將公式（3-7） 、(3-8)代入公式（3-6）中，指定特定常

20、數(shù) Kx 和 Ky 的值。 Kx=n/a n=0,1,2, Ky=m/a m=0,1,2, 通過以上關(guān)系，代入 AiBi=Anm，得出”D”的表達(dá)式：D=Anmcos（nX/a）cos(nY/b) （3-9）n=0，1，2，；m=0,1,2,；n=m0Hz 的最終公式為：Hz=Anmcos（nX/a）cos(nY/b) e （3-10）由公式 3-10 得出相關(guān)的橫面 E 場(chǎng)和 H 場(chǎng)，直角坐標(biāo)的麥克斯韋方程為： 2222cossin.(3 11)sincos.(3 12)sinsin.(3 13)cossin.(3 14)j gZxnmcj gZynmcj gZxnmcj gZynmcjmn

21、 Xn YEAeK babjnn Xn YEAeK babj gnn Xn YHAeK babj gmn Xn YHAeK bab 注意： Kc=(n/a)+(n/b)=序號(hào)為 nm 模式的截止波數(shù)，且,g=K-Kc且 n=m0。整數(shù) n 和 m 的意義在于 n 或 m 的值表示每個(gè)相對(duì) X 和 Y 的場(chǎng)分量半周期變化的個(gè)數(shù)，換句話說，每個(gè) n 和 m 的結(jié)合代表波導(dǎo)里不同的場(chǎng)位形（或模式） 。（1） TM 模式：除 Hz 必須為 0 以外，獲得 TM 模式的場(chǎng)分布表達(dá)式的步驟和 TE 的是很相似的。B、矩形波導(dǎo)的特性16 （1）截止頻率和截止波長(zhǎng)指數(shù)形式 e 代表波在+z 方向行進(jìn)。讓我們從

22、新檢查下面的關(guān)系：g=K -Kc) KKc:g 是實(shí)數(shù)，e 是真正的+z 的行進(jìn)方向。）Kcg 是虛數(shù)，傳輸模式在+z 方向隨距離快速衰減，導(dǎo)致傳播截?cái)?。介于傳播和非傳播的頻率之間 的頻率叫做截止頻率。因?yàn)?，c=2fcc=Kc=(n/a)+(m/b)fc=(n/a)+(m/b)/(2) (3-15)而且，從 K=c 并代入 =2f 和=1（f）,結(jié)果K=2。當(dāng) K=Kc 時(shí)令 c 為截止波長(zhǎng)：2c=(n/a)+(m/b)c=2【(n/a)+(m/b)】 （2）矩形波導(dǎo)內(nèi)的波長(zhǎng) g=K-Kc，g=2g,K=2 和 Kc=2c 得出令 g 為波導(dǎo)波長(zhǎng)，從（2g）=（2）-（2c） （3-17）g=

23、(1-(c) (3-18)這里是 空間的波長(zhǎng)。為了在波導(dǎo)內(nèi)傳播，必須 c。這就是說在波導(dǎo)內(nèi) g 大于 。換句話說，波導(dǎo)波長(zhǎng)比空間波長(zhǎng)大。（2） 相速度波導(dǎo)內(nèi)的相速度或等相點(diǎn)的速度容易從頻率和波導(dǎo)波長(zhǎng)得出：p=fg (3-19)需要對(duì) 3-19 說明的是，波導(dǎo)內(nèi)的相速度可以超過真空中的光速3*10m/sec。四、實(shí)驗(yàn)過程四、實(shí)驗(yàn)過程如圖 3-2，連接實(shí)驗(yàn)器件。17方波發(fā)生生器PIN 調(diào)制器可變衰減器頻率計(jì)測(cè)量線選頻放大器（SWR）反射板 圖 3-2 頻率、g 和 的測(cè)量實(shí)驗(yàn)連接圖A、頻率測(cè)量 （1） 給 Gum 振蕩器加電，給 PINk 調(diào)制器送 1KHz、2Vp-p 的方波。（2） 調(diào)節(jié)可調(diào)衰

24、減器到 10dB，調(diào)節(jié) SWR 表時(shí)期指示在中間刻度位置。（3） 調(diào)節(jié)方波發(fā)生器的頻率，從而使 SWR 的指示最大。（4） 調(diào)解頻率計(jì)直到 SWR 表指示有大幅下降。將頻率記錄在表 3-1 中，再使頻率計(jì)失諧。B、自由空間波長(zhǎng)和波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量（1） 當(dāng)反射板放在波導(dǎo)的開口前方，反射板垂直于波導(dǎo)。移動(dòng)反射板，駐波圖形將由于反射板的變化而發(fā)生變化。駐波的變化是通過開槽測(cè)量線的探頭檢測(cè)的。移動(dòng)反射板，尋找兩個(gè)相鄰的最小檢測(cè)值的點(diǎn)，此兩點(diǎn)距離對(duì)應(yīng)自由空間的半波長(zhǎng)。將距離記錄在表 3-1 中。（2） 將開槽測(cè)量線的出口用短路板蓋住，調(diào)節(jié)開槽測(cè)量線并定位出shuchudianyazuidide 點(diǎn)，從此點(diǎn)

25、開始尋找相鄰的另一個(gè)電壓最低的點(diǎn)。頻率測(cè)量的 測(cè)量的 g直導(dǎo)波電源耿氏振蕩器18計(jì)算的 計(jì)算的 g表 3-1 頻率、自由空間的波長(zhǎng)、波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量值和計(jì)算值得比較19實(shí)驗(yàn)四、實(shí)驗(yàn)四、Q Q 值和諧振腔帶寬值和諧振腔帶寬的測(cè)量的測(cè)量一、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)諧振腔的理論2、通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí) Q 值與帶寬之間的關(guān)系，學(xué)習(xí)如何測(cè)量諧振腔的 Q 值。二、二、實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器AT3000三厘米波導(dǎo)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計(jì)、示波器、SWR表三、三、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理諧振電路對(duì)微波振蕩器、調(diào)諧放大器和頻率測(cè)量等是非常重要的。如圖41 的諧振電路，當(dāng)頻率不超過 100MHz 時(shí)，可用 R、L、C 來表示。

26、圖 41 諧振電路在圖 41 里，(4-1)Ro是并聯(lián)等效電阻，o是諧振頻率，Qo是諧振腔的 Q 值。 (4-2)當(dāng) R、C 和 L 為已知時(shí)，從公式（41）中，很容易計(jì)算出 o、Qo 和 Ro。然而，在微波電路里，諧振腔的分析因?yàn)?Q 值太高變得困難?？蓪?dǎo)致諧振腔難于分析的其他特性有：1、電路的參數(shù)太依賴于傳播模式。2、不像低頻情況。此時(shí)電壓和電流的概念變得模糊，導(dǎo)致 Ro難以定義。通常微波中 Ro定義為：20(4-3)這里 E 是在腔內(nèi)兩點(diǎn)間的最大的電勢(shì)，并且 W 是腔內(nèi)耗散的功率。o、Qo和 Ro可從腔體的尺寸及壁上的功率耗散來尋找。然而由于腔體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，幾乎無法計(jì)算 o、Qo和 R

27、o。實(shí)際上腔體的少數(shù)參數(shù)測(cè)量是有可能確定器件的整個(gè)特性的。讓我們考慮如圖 42(a)的腔體系統(tǒng)。圖 42(a) 傳輸腔體在圖 42(a)中，Z01是波導(dǎo)的輸入阻抗，Z02是波導(dǎo)的輸出阻抗，Rg是振蕩器的內(nèi)部電阻，RL是負(fù)載電阻。令 Z01=Rg，Z02=RL ，圖 42(a)的等效電路可以改為如圖 42(b)所示。圖 42(b) 圖 42(a)的等效電路在圖 42(b)中，腔體等效為一個(gè)串聯(lián)諧振電路。用兩個(gè)理想變壓器耦合，變壓比為1:n1 和 n2:1。此時(shí)，輸出功率是 Po = Ey2 / 4Zo。諧振曲線是頻率和諧振腔輸出功率的關(guān)系圖，考慮諧振曲線上的兩點(diǎn)，如圖 45 中所示。假設(shè)這些點(diǎn)比

28、最大輸出功率發(fā)生時(shí)低幾 dB，結(jié)果21 (4-4)這里 F 是曲線上最大功率和這兩點(diǎn)處功率的比率。 f 是腔體的帶寬, 是帶寬系數(shù)。圖 42(b)的腔體部分可表示為圖 43。圖 43 圖 42(b)的腔體部份的等效電路仔細(xì)觀察圖 43 可得出以下關(guān)系：，因?yàn)?= (4-5)這里 和 等效電路的阻抗是：(4-6)到達(dá)負(fù)載的功率是：(4-7)22在諧振點(diǎn)上，公式 46 中虛部變成 0。(4-8)諧振電路的帶寬定義為：最大功率衰減到一半處的兩個(gè)頻率的差值。發(fā)生此情況的條件如下：(4-9)這里f 是半功率帶寬。四、四、實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)過程用功率測(cè)量技術(shù)測(cè)量 Q 值電 源耿氏振蕩器可變衰減器頻率計(jì)功率計(jì)同軸

29、/波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器圖 44 Q 值測(cè)量連接圖(1) 如圖 44 連接設(shè)備。(2)給 Gunn 振蕩器加電，調(diào)整功率計(jì)量程到1mW，調(diào)整衰減器到功率計(jì)的最大刻度。 將此時(shí)的值記為 P0。(3)慢慢調(diào)整頻率計(jì)，在功率計(jì)讀數(shù)最小處讀出功率和頻率。此時(shí)的功率記為 PB，頻率記為 f0。(4)慢慢調(diào)整頻率計(jì)，尋找兩個(gè)功率為P/2 處的頻率(f1 和 f2)。 圖 45 諧振腔的諧振曲線23實(shí)驗(yàn)五、實(shí)驗(yàn)五、駐波比的測(cè)量駐波比的測(cè)量一、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)如何用開槽測(cè)量線或 SWR 表測(cè)量 SWRX 。二、二、實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器AT3000三厘米波導(dǎo)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計(jì)、示波器、SWR表三、三、實(shí)驗(yàn)原理

30、實(shí)驗(yàn)原理在傳輸線上任一點(diǎn)，我們可以考慮電磁場(chǎng)是兩個(gè)波形的總和：一個(gè)流向負(fù)載(入射波)，另一個(gè)流向發(fā)生器(反射波)。如前面章節(jié)所述，反射的原因是因?yàn)樽杩共黄ヅ?。線上任何開口都可以認(rèn)為是阻抗不匹配而且也是產(chǎn)生反射的原因。反射波的幅度和相位依賴于負(fù)載阻抗。線的衰減程度也影響反射波的幅度。消除反射的方法就是要么傳輸線無限長(zhǎng)，要么傳輸線與負(fù)載的阻抗匹配。駐波來自兩個(gè)相對(duì)方向的行波。正如前面章節(jié)所述，兩個(gè)波的向量和在駐波圖上產(chǎn)生最小、最大點(diǎn)。圖 61 表示無損失傳輸線的駐波圖形。圖 51 無損失傳輸線的駐波圖圖 62 表示具有特性阻抗 Zo 和負(fù)載阻抗 ZL的傳輸線里的電壓駐波波形。24在圖 62 中，復(fù)

31、反射因數(shù)為：Er-Zo- Z=- Ei= +Zo- Z(5-1)這里，Er=反射信號(hào)，Ei=入射信號(hào)，=給定點(diǎn)的復(fù)數(shù)阻抗,用負(fù)載表- Z示為：結(jié)果，因此圖 52 電壓駐波四、四、實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)過程(1)如圖 63，連接 SWR 測(cè)量實(shí)驗(yàn)。ZL-ZoL- =ZL +Zo(5-2)Emax| Ei| + | Er|VSWR= SEmin=| Ei| - | Er|.(5-3)S-1|- =S+1(5-4)25選頻放大器(SWR)測(cè)量線電 源耿氏振蕩器PIN 調(diào)制器固定衰減器方波發(fā)生器可變衰減器滑動(dòng)螺桿調(diào)配器匹配負(fù)載圖 53 連接 SWR 測(cè)量實(shí)驗(yàn)(2) 將 Gunn 二極管電源調(diào)到+12V，不要超過

32、此電壓。(3) 將衰減器調(diào)到 10dB。(4) 將 SWR 顯示范圍調(diào)到 20-40dB。打開 SWR 表。(5) 打開 Gunn 振蕩器。(6) 將調(diào)制信號(hào)輸入到 PIN 二極管調(diào)制器。(7) 調(diào)整 SWR 顯示頻率從而獲得最大表針偏轉(zhuǎn)。用校正過的衰減器測(cè)量高范圍 SWR。(1)將滑動(dòng)螺旋調(diào)諧器的探頭深度調(diào)到最大。(2)移動(dòng)開槽檢測(cè)線的探頭直到讀數(shù)最小。(3)調(diào)整衰減器到 10dB (稱此值為 A1)，調(diào)節(jié) SWR 的增益，直到顯示3dB。(4)移動(dòng)開槽檢測(cè)線的探頭，并調(diào)整衰減器，直到出現(xiàn)和上一步相同的最大值。讀此 dB 值(稱為 A2) 并記錄在表 63 中。探頭深度A1 dBA2 dBS

33、WR53 用校正過的衰減器測(cè)量 SWR(5)用下式計(jì)算 SWR 并填入表 6-3。 (5-6)用不同的探頭深度重復(fù)以上過程。26實(shí)驗(yàn)六、實(shí)驗(yàn)六、阻抗測(cè)量阻抗測(cè)量一、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?、根據(jù)傳輸線及波導(dǎo)理論，設(shè)計(jì)測(cè)量傳輸線的阻抗2、根據(jù)設(shè)計(jì)方案，實(shí)際測(cè)量并計(jì)算以上參數(shù)，以驗(yàn)證方案的可行性和正確二、二、實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器AT3000三厘米波導(dǎo)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、數(shù)字萬用表、功率計(jì)、示波器、SWR表三、三、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 在傳輸線上任一點(diǎn)，我們可以考慮電磁場(chǎng)是兩個(gè)波形的總和：一個(gè)流向負(fù)載（入射波）另一個(gè)流向發(fā)生器（反射波） 。如前面章節(jié)所述，反射的原因是因?yàn)樽杩共黄ヅ洌€上任何開口都可以認(rèn)為是阻抗不匹配而

34、且也是產(chǎn)生反射的原因。反射波的相位和幅度以來于負(fù)載阻抗。線的衰減程度也影響反射波的幅度。消除反射的方法就是要么傳輸線無限長(zhǎng)，要么傳輸線與負(fù)載的阻抗相匹配。駐波來自兩個(gè)相對(duì)方向的行波。正如前面章節(jié)所述，兩個(gè)波的向量和在駐波圖上產(chǎn)生最小、最大點(diǎn)。圖 6-1 表示無損失傳輸線的駐波圖形。 圖 6-1 無損失傳輸線的駐波圖27圖 6-2 表示具有特性阻抗 ZO和負(fù)載阻抗 ZL的傳輸線里的電壓駐波波形。在圖 6-2 中，復(fù)反射因?yàn)椋?Error!Error!=Er/Ei=(Error!Error!-Zo)/(Error!Error!+Zo) (6-1)這里，Er=反射信號(hào)，Ei=入射信號(hào),Error!E

35、rror!=給定點(diǎn)的復(fù)數(shù)阻抗，用負(fù)載表示為：Error!Error!L =(ZL-Zo)/(ZL+Zo) (6-2)結(jié)果：VSWR=S*Emax/Emin=(|Ei|+|Er|)/(|Ei|-|Er|) (6-3)因此|Error!Error!|=(S-1)/(S+1) (6-4) 圖 6-2 電壓駐波特征阻抗為 Zo 的傳輸線，其入射反射信號(hào)的反射系數(shù)定義為：Error!Error! =Z-Zo/Z+Zo (6-5)這里，Z=R+JX=連接傳輸線的負(fù)載阻抗 =Error!Error!Error!Error!ej=復(fù)數(shù)反射系數(shù)P（P）的大小是入射和反射信號(hào)幅度的比例，角度 代表反射點(diǎn)的相位角。

36、傳輸線上任意給出的電壓是入射和反射電壓波形的向量和。合成電壓波形叫做28駐波圖形。實(shí)際上，當(dāng)兩個(gè)波形同相相加時(shí)，在某點(diǎn)形成一個(gè)峰。同樣，當(dāng)兩個(gè)波形異相相加時(shí)，此點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)谷底或最低電壓。電壓駐波比 VSWR 定義為：VSWR=Emax/Emin=1+Er/Er/1-Er/Ei=1+Error!Error!/1-Error!Error! (6-6) 在距離負(fù)載“d”處的反射系數(shù)的相位角決定于： 可由以下 3 個(gè)步驟來確定負(fù)載阻抗： 通過正確設(shè)計(jì)的測(cè)量獲得波導(dǎo)的數(shù)據(jù)； 確定反射系數(shù)的大小和相位；計(jì)算負(fù)載阻抗。在第 3 步時(shí)應(yīng)用史密斯圓圖，從已知反射系數(shù)在波導(dǎo)（或傳輸線）上的任意給定點(diǎn)確定阻抗。史

37、密斯圓圖是表示傳輸線長(zhǎng)度的阻抗轉(zhuǎn)換工具圖。表的坐標(biāo)表示歸一化電阻和電抗，波導(dǎo)的特征阻抗被歸一化為 Zo,VSWR 圓并為包含在圖中，但是可以在需要時(shí)以圖中心為圓心用圓規(guī)來畫出。注意，圖外圈距離比例被歸一化到波導(dǎo)波長(zhǎng)。通常，最好的學(xué)習(xí)史密斯圓圖的方法就是試著解決實(shí)際問題。我們來看一個(gè)例題。例題：一個(gè)波導(dǎo)鏈接到 0.6+J1.2 的歸一化負(fù)載，波導(dǎo)波長(zhǎng)是 42 毫米。a.尋找距離負(fù)載 10mm 處的阻抗。b.尋找第一次出現(xiàn) VSWR 最小值時(shí)距離負(fù)載的距離。解題：a.參考史密斯。 尋找點(diǎn) A，阻抗為 0.6+J1.2. 從 O 畫直線到 A，此線相交于發(fā)生器方向距離圓 0.15 處。從負(fù)載處傳播10mm，相當(dāng)于從負(fù)載傳播 10mm/42mm=0.238g 。 在距離圓上，在 0.15+0.238=0.338 處定位一個(gè)點(diǎn)，從 O 處畫一直線。 以 O 點(diǎn)為圓心 OA 為半徑畫圓，B 點(diǎn)的阻抗表示距離負(fù)載 10mm 處一點(diǎn)的阻抗。B 點(diǎn)的歸一化阻抗是 0.38-J0.78.29b. C 點(diǎn)的 VSWR=4.3，它是 VSWR 的圖上出現(xiàn)的最大值處。第一個(gè)最小值出現(xiàn)處在 D 點(diǎn)，A 點(diǎn)和 D 點(diǎn)的距離是 0.5 -0.15=0.35 。 當(dāng)解決未知阻抗時(shí)，必須建立一個(gè)阻抗可以關(guān)系到的參考平面。例如，未知阻抗的輸入