電磁場與微波實(shí)驗(yàn)報告波導(dǎo)波長的測量

1、電磁場與微波測量實(shí)驗(yàn)報告 學(xué)院：班級： 組員： 撰寫人： 學(xué)號：序號：實(shí)驗(yàn)二 波導(dǎo)波長的測量一、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容波導(dǎo)波長的測量【方法一】兩點(diǎn)法實(shí)驗(yàn)原理如下圖所示： 按上圖連接測量系統(tǒng)，可變電抗可以采用短路片。選 頻放 大 器可變電抗 波長表隔離器微 波信 號 源測量線可變衰減器當(dāng)矩形波導(dǎo)（單模傳輸TE10模）終端（Z0）短路時，將形成駐波狀態(tài)。波導(dǎo)內(nèi)部電場強(qiáng)度（參見圖三之坐標(biāo)系）表達(dá)式為：在波導(dǎo)寬面中線沿軸線方向開縫的剖面上，電場強(qiáng)度的幅度分布如圖三所示。將探針由縫中插入波導(dǎo)并沿軸向移動，即可檢測電場強(qiáng)度的幅度沿軸線方向的分布狀態(tài)（如波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)的位置等）。終端短路面0圖 三ZXaYb兩點(diǎn)法確定波

2、節(jié)點(diǎn)位置將測量線終端短路后，波導(dǎo)內(nèi)形成駐波狀態(tài)。調(diào)探針位置旋鈕至電壓波節(jié)點(diǎn)處，選頻放大器電流表表頭指示值為零，測得兩個相鄰的電壓波節(jié)點(diǎn)位置（讀得對應(yīng)的游標(biāo)卡尺上的刻度值和），就可求得波導(dǎo)波長為：由于在電壓波節(jié)點(diǎn)附近，電場（及對應(yīng)的晶體檢波電流）非常小，導(dǎo)致測量線探針移動“足夠長”的距離，選頻放大器表頭指針都在零處“不動”（實(shí)際上是眼睛未察覺出指針有微小移動或指針因惰性未移動），因而很難準(zhǔn)確確定電壓波節(jié)點(diǎn)位置，具體測法如下：把小探針位置調(diào)至電壓波節(jié)點(diǎn)附近，盡量加大選頻放大器的靈敏度（減小衰減量），使波節(jié)點(diǎn)附近電流變化對位置非常敏感（即小探針位置稍有變化，選頻放大器表頭指示值就有明顯變化）。記取同

3、一電壓波節(jié)點(diǎn)兩側(cè)電流值相同時小探針?biāo)幍膬蓚€不同位置，則其平均值即為理論節(jié)點(diǎn)位置：最后可得（參見圖四）I00圖 四I【方法二】間接法矩形波導(dǎo)中的H10波，自由波長0和波導(dǎo)波長滿足公式：其中：，通過實(shí)驗(yàn)測出波長，然后利用儀器提供的對照表確定波的頻率，利用公式0=cf 確定出0，再計算出波導(dǎo)波長。校準(zhǔn)晶體二極管檢波器的檢波特性由于微波晶體檢波二極管的非線性, 在不同信號幅度時具有不同的檢波律。在一般測量精度要求的場合, 可認(rèn)為在小信號時為平方律檢波,大信號時為直線律檢波, 或在系統(tǒng)信號幅度范圍內(nèi)做平均檢波律定標(biāo)。晶體檢波二極管的定標(biāo)準(zhǔn)確與否, 直接影響微波相關(guān)參數(shù)的測量精度。微波頻率很高, 通常用

4、檢波晶體(微波晶體二極管)將微波信號轉(zhuǎn)換成直流信號檢測出來。微波晶體二極管是一種非線性元件, 檢波電流I 同微波場強(qiáng)E 之間不是線性關(guān)系,在一定范圍內(nèi), 兩者關(guān)系為: 晶體檢波二極管的檢波電流隨其微波電場而變化, 當(dāng)微波場強(qiáng)較大時近似為線性檢波律, 當(dāng)微波場強(qiáng)較小時近似為平方檢波律。因此, 當(dāng)微波功率變化較大時a 和k 就不是常數(shù), 且和外界條件有關(guān), 所以在精密測量中必須對晶體檢波器進(jìn)行定標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)中采用兩種定標(biāo)方法第一種定標(biāo)方法檢波電壓U 與探針的耦合電場成正比。晶體管的檢波律n 隨檢波電壓U 改變。在弱信號工作（檢波電流不大于10 A）情況下，近似為平方律檢波，即n=2；在大信號范圍，n

5、 近似等于1，即直線律。測量晶體檢波器校準(zhǔn)曲線最簡便的方法是將測量線輸出端短路，此時測量線上載純駐波，其相對電壓按正弦律分布，即：式中 ，d 為離波節(jié)點(diǎn)的距離，Umax為波腹點(diǎn)電壓，g 為傳輸線上波長。因此，傳輸線上晶體檢波電流的表達(dá)式為根據(jù)上式就可以用實(shí)驗(yàn)的方法得到圖所示的晶體檢波器的校準(zhǔn)曲線。將上兩式聯(lián)立, 并取對數(shù)得到：作出曲線, 若呈現(xiàn)為近似一條直線, 則直線的斜率即是微波晶體檢波器的檢波律。第二種定標(biāo)方法測量線終端短路，測出半峰值讀數(shù)間的距離W，晶體檢波率可以根據(jù)下式計算：n=log0.5logcos(Wg)二、 實(shí)驗(yàn)步驟（1）、按照圖示連接好測量系統(tǒng)（2）、利用兩點(diǎn)法測量，將波導(dǎo)測

6、量線終端短路，調(diào)測量放大器的衰減量和可變衰減器使當(dāng)探針位于波腹時，放大器指示電表接近滿格，用公式兩點(diǎn)法測量波導(dǎo)波長（3）、利用間接法測量波導(dǎo)波長。（4）、將探針沿測量線由左向右移動，按測量放大器指示每改變最大值刻度的10%，記錄一次探針位置，給出U沿線分布的圖形（5）、設(shè)計表格，用駐波測量線校準(zhǔn)晶體的檢波特性三、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析所測量的波導(dǎo)波長：43波節(jié)點(diǎn)d0的位置：153相對電場強(qiáng)度00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0d（理論值）0g63g31.3g20.6g15.3g12g9.8g8.1g6.8g5.6g4測量值d108.8876.25.854.23.220d0+d

7、143144.2145146146.8147.2148148.8149.8151153U0.2370.3130.3890.4660.5420.6180.6950.7710.8470.9241（1）、作出測量線探針在不同位置下的讀數(shù)分布曲線上圖橫軸表示位置，縱軸表示相對場強(qiáng)。分析：由于此時波導(dǎo)中存在的是駐波，并且測量的位置是從波節(jié)到相鄰的波腹，所以畫出來的波形應(yīng)該是正弦曲線的四分之一，由上圖可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合，誤差在允許范圍內(nèi)。（2）、給出檢波晶體的校準(zhǔn)曲線，求出晶體檢波率。上圖為對數(shù)坐標(biāo)，橫軸表示logE，縱軸表示logU分析：根據(jù)理論分析，上圖應(yīng)該是一條斜率為n的直線，而實(shí)際確實(shí)在前

8、半段有所彎曲，筆者決定采用理論擬合法擬合出一條直線。擬合后直線的斜率為1.60，所以晶體檢波率為1.60（3）、第二種定標(biāo)法n=log0.5logcos(Wg)=log0.5logcos11.3*43.12=1.80（4）、兩點(diǎn)法測量波導(dǎo)波長 =130.655+127.42=129.027 =106.37+108.52=107.43 =43.19mm（5）、間接法測量波導(dǎo)波長=43.12mm 比較兩種方法測量出的波導(dǎo)波長，可以看出相差不大，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范正確。四、 思考題（1）、用波長表測量自由空間中的信號振蕩頻率后，為什么還要失諧頻率計答：電磁波通過耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入頻率計

9、的空腔中，當(dāng)頻率計的腔體失諧時，腔里的電磁場極為微弱，此時，它基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過波導(dǎo)中的電磁波信號強(qiáng)度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時的刻度，通過查表可得知輸入微波諧振頻率。如果不失諧頻率計，波導(dǎo)中傳播的電磁波會十分微弱（2）、在測試過程中需要采取哪些措施來實(shí)現(xiàn)小信號答：使用衰減器：衰減器是把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動吸收片可改變衰減量的大小。衰減器起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率的作用。（3）、為什么要

10、測量晶體檢波率，指示電表讀數(shù)和微波場強(qiáng)E之間成什么關(guān)系答：當(dāng)微波功率變化較大時a 和k 就不是常數(shù), 且和外界條件有關(guān), 所以在精密測量中必須對晶體檢波器進(jìn)行定標(biāo)。電表讀數(shù)和場強(qiáng)的成指數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)三 微波駐波比的測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解波導(dǎo)測量系統(tǒng)，熟悉基本微波元件的作用。2、掌握駐波測量線的正確使用和用駐波測量線校準(zhǔn)晶體檢波器特性的方法。3、掌握大、中、小電壓駐波系數(shù)的測量原理和方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1、直接法由教材第一章微波傳輸線理論，傳輸線上的駐波比與波節(jié)點(diǎn)、波腹點(diǎn)的關(guān)系為一般實(shí)際測量為多個數(shù)據(jù)，則 在平方律檢波，即n = 2時 2、等指示度法：當(dāng)被測器件的駐波系數(shù)大于10時，由于駐波最大與

11、最小處的電壓相差很大，若在駐波最小點(diǎn)處使晶體輸出的指示電表上得到明顯的偏轉(zhuǎn)，那么在駐波最大點(diǎn)時由于電壓較大，往往使晶體的檢波特性偏離平方律，這樣用直接法測量就會引入很大的誤差。等指示度法是通過測量駐波圖形在最小點(diǎn)附近場強(qiáng)的分布規(guī)律，從而計算出駐波系數(shù)，如圖五所示。若最小點(diǎn)處的電表指示為Z，在最小點(diǎn)兩邊取等指示點(diǎn)，兩等指示度點(diǎn)之間的距離為W，有，設(shè)晶體檢波律為n，由駐波場的分布公式可以推出： （1）通常取K2（二倍最小法），且設(shè)n2，有 （2） W Z1節(jié) Zmin Z2節(jié) D 圖五 最小點(diǎn)附近場分布當(dāng)10時，上式可簡化為 （3）只要測出波導(dǎo)波長及相應(yīng)于兩倍最小點(diǎn)讀數(shù)的兩點(diǎn)Z1節(jié)、Z2節(jié)之間的距離W，代入（3）式，即可求出駐波比。可以看到，駐波系數(shù)越大，的值就愈小，因而，寬度W和波導(dǎo)波長的測量精度對測量結(jié)果的影響很大，特別是在大駐波比時，須要用高精度的位置指示裝置如千分表，測量線探針移動時應(yīng)盡可能朝一個方向，不要來回晃動，以免測量線齒輪間隙的“回差”影響精度，在測量駐波最小點(diǎn)位置時，為減小誤差，亦必須采用“交叉讀數(shù)法”。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理（1）、直接法測量駐波系數(shù)實(shí)驗(yàn)框圖： =27+26.8+26.915+15+15.2=1.336