實(shí)驗(yàn) 微波的傳輸特性和基本測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn) 微波的傳輸特性和基本測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解電磁波在矩形波導(dǎo)中傳播的特點(diǎn)，學(xué)會(huì)用駐波測(cè)量線測(cè)量波的縱向分布。2、 掌握一些微波基本量的測(cè)量基本技術(shù)，學(xué)會(huì)測(cè)量駐波比、波導(dǎo)波長(zhǎng)、檢測(cè)信號(hào)頻率等。3、 學(xué)會(huì)阻抗調(diào)配。實(shí)驗(yàn)儀器微波窄帶掃頻信號(hào)源、衰減器、頻率計(jì)（波長(zhǎng)計(jì)）、駐波測(cè)量線等。一、實(shí)驗(yàn)原理微波是指波長(zhǎng)范圍在1mm1m，即頻率范圍在300MHz300GHz的電磁波。微波信號(hào)系統(tǒng)中最基本參數(shù)有頻率、駐波比、功率等。1 矩形波導(dǎo)及其中的TE10波：矩形波導(dǎo)是一個(gè)橫截面為ab矩形的均勻、無損耗的波導(dǎo)管。如下圖1。本實(shí)驗(yàn)室使用的是國際通用的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，其內(nèi)壁尺寸為：a=22.86mm,b=10.16m

2、m。波導(dǎo)中傳播的電磁波被完全局限在波導(dǎo)管內(nèi)。圖1 矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖假設(shè)矩形波導(dǎo)管內(nèi)壁為理想導(dǎo)體且波導(dǎo)沿z軸方向?yàn)闊o限長(zhǎng)，由麥克斯韋電磁理論可求得矩形波導(dǎo)中TE10波的各電磁場(chǎng)分量為：Ex=0Ey=E0sin xj(t-z) eaEz=0Hx=xj(t-z) E0sin ea-Hy=0Hz=jxj(t-z) Ecose2a0 a圖2 TE10波的電場(chǎng)分量分布圖E x波導(dǎo)中電磁場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖2所示。電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)具有以下特性： Ez=0,H0，電場(chǎng)在z 方向無分量，為橫電波；電磁場(chǎng)沿x方向?yàn)橐粋€(gè)駐立半波，沿y方向?yàn)榫鶆蚍植?；電磁?chǎng)沿z方向?yàn)樾胁顟B(tài)，在該方向，電磁場(chǎng)分量Ey與Hx的分布規(guī)律相同。

3、2實(shí)驗(yàn)裝置其它元件：標(biāo)準(zhǔn)短路片待測(cè)阻抗 匹配負(fù)載 阻抗調(diào)配器3傳輸線的特性參量與工作狀態(tài)：在波導(dǎo)中常用相移常數(shù)、波導(dǎo)波長(zhǎng)、駐波系數(shù)等特性參量來描述波導(dǎo)中的傳輸特征，對(duì)于矩形波導(dǎo)中的TE10波： 自由空間波長(zhǎng)：=cf截止波長(zhǎng)：c=2a波導(dǎo)波長(zhǎng)：g=相移常量：=2 g反射系數(shù)：=E反E入駐波比： =EMaEmin由此可見，微波在波導(dǎo)中傳輸時(shí)，存在著一個(gè)截止波長(zhǎng)c，波導(dǎo)中只能傳輸<c的電磁波。波導(dǎo)波長(zhǎng)大于自由空間波長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，傳輸線并非是無限長(zhǎng)，此時(shí)傳輸線中的電磁波由入射波與反射波迭加而成，傳輸線中的工作狀態(tài)主要決定于負(fù)載的情況。波導(dǎo)終端接上負(fù)載后，由于負(fù)載反射電磁波性質(zhì)的不同，電磁波在

4、終端產(chǎn)生不同程度的反射。微波技術(shù)中，常用駐波比來描述傳輸線阻抗匹配的情況。駐波比與反射系數(shù)之間的關(guān)系為：=1+1-由于=01，則的值在1之間。波導(dǎo)終端接匹配負(fù)載時(shí)，微波功率全部被負(fù)載吸收，無反射波，波導(dǎo)中呈現(xiàn)行波狀態(tài)。此時(shí)有：=0,=1；波導(dǎo)終端接標(biāo)準(zhǔn)短路片（即理想導(dǎo)體板）時(shí)，形成全反射，波導(dǎo)中呈現(xiàn)出純駐波狀態(tài)，此時(shí)有：=1,=波導(dǎo)終端接一般性負(fù)載時(shí)，形成部分反射，波導(dǎo)中呈現(xiàn)出駐波狀態(tài)，此時(shí)0<<1,1<<。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中，打開信號(hào)源的電源， 調(diào)節(jié)與波導(dǎo)連接的衰減器，使在波導(dǎo)中傳播的電磁波能量大小適中。調(diào)節(jié)方法：在波導(dǎo)終端接上標(biāo)準(zhǔn)短路片，將駐波測(cè)量線的探針移

5、至使電流表示值為極大時(shí)對(duì)應(yīng)的位置，此位置即為波導(dǎo)中駐波的波腹，調(diào)節(jié)衰減器使電流計(jì)示值達(dá)到最大，但不超出量程。1微波頻率的測(cè)量微波的頻率是表征微波信號(hào)的一個(gè)重要物理量。本實(shí)驗(yàn)中采用吸收式頻率計(jì)進(jìn)行測(cè)量。吸收式頻率計(jì)的測(cè)量工作原理：當(dāng)調(diào)節(jié)頻率計(jì)，使其自身空腔的固有頻率與微波信號(hào)頻率相同時(shí)，則產(chǎn)生諧振，吸收式頻率計(jì)對(duì)微波有最大的吸收，此時(shí)連接在微波通路上的電流計(jì)的示值有明顯的減小，以減幅最大作為判斷頻率測(cè)量的依據(jù)。微波頻率的測(cè)量過程：在波導(dǎo)終端接上標(biāo)準(zhǔn)短路片，將探針移至某一波腹位置處，此時(shí)作檢測(cè)用的電流計(jì)的示值為最大，仔細(xì)調(diào)節(jié)頻率計(jì)，當(dāng)電流計(jì)示值減小到最小時(shí)，吸收式頻率計(jì)對(duì)通過的微波達(dá)到諧振吸收狀態(tài)

6、，頻率計(jì)對(duì)應(yīng)的讀數(shù)即為微波信號(hào)的頻率。2駐波比的測(cè)量駐波比，定義為波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值點(diǎn)的電場(chǎng)之比。即=EMax Emin式中EMax,Emin分別表示波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中通常采用駐波測(cè)量線來測(cè)定波導(dǎo)波長(zhǎng)和駐波比。駐波測(cè)量線的探針是用于探測(cè)波導(dǎo)中的電場(chǎng)分布，由探針探測(cè)，經(jīng)檢波晶體（微小二極管）轉(zhuǎn)換成檢波電流由電流計(jì)顯示。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)注意駐波測(cè)量線的諧振，使其有最佳靈敏度。實(shí)驗(yàn)中微波信號(hào)比較弱，駐波測(cè)量線中的檢波二極管符合在平方律檢波，即IE。則駐波比測(cè)量依據(jù)公式為=2EMax=Emin 即使用駐波測(cè)量線測(cè)量駐波比，是通過移動(dòng)測(cè)量線的探針分別處于駐波波腹及波節(jié)

7、位置，由對(duì)應(yīng)的IMax和Imin求得駐波比。短路測(cè)量：在波導(dǎo)終端接上標(biāo)準(zhǔn)短路片，測(cè)量此時(shí)的駐波比；觀察行波狀態(tài)：在波導(dǎo)終端接上匹配負(fù)載（又稱為終端負(fù)載），測(cè)量此時(shí)的駐波比。3波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng)在數(shù)值上為相鄰兩個(gè)駐波極值點(diǎn)（波腹或波節(jié)）距離的兩倍。在波導(dǎo)終端接上不匹配的負(fù)載（例如：標(biāo)準(zhǔn)短路片）時(shí)，波導(dǎo)中形成駐波，使用測(cè)量線探針的移動(dòng)，測(cè)出相鄰兩個(gè)波節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)D1和D2，即可由下式計(jì)算波導(dǎo)波長(zhǎng)1g=D2-D1 212z實(shí)際采用測(cè)定駐波極小點(diǎn)的位置來求出波導(dǎo)波長(zhǎng)?？紤]到駐波極小點(diǎn)附近變化平緩，因而測(cè)量值不夠準(zhǔn)確。為此，測(cè)量時(shí)通常不采取直接測(cè)量駐波極小點(diǎn)位置的方式，而是通過平均值法（也稱為等電位法）間接測(cè)量，亦即測(cè)極小點(diǎn)附近兩點(diǎn)（此兩點(diǎn)檢波顯示電流計(jì)上的讀數(shù)相等）的坐標(biāo)，然后取這兩點(diǎn)坐標(biāo)的平均值，即得極小點(diǎn)坐標(biāo)。如上圖所示。兩相鄰極小點(diǎn)的距離為半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)，測(cè)量計(jì)算式由上式可改為'+z2'')(z1'+z1'')z2(1 g=D2-D1= -222由上面實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波導(dǎo)波長(zhǎng)，通過公式g=計(jì)算出待測(cè)微波信號(hào)在自由空間的波長(zhǎng)，再由波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系式求出微波信號(hào)的頻率，將計(jì)算