北理工微波實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一 一般微波測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解一般微波測(cè)試系統(tǒng)的組成及其主要元、器件的作用，初步掌握它們的調(diào)整方法。2 掌握頻率、波導(dǎo)波長(zhǎng)和駐波比的測(cè)量方法。3 掌握晶體校正曲線的繪制方法。二、實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)原理常用的一般微波測(cè)試系統(tǒng)如1-1所示（示意圖）。本實(shí)驗(yàn)是由矩形波導(dǎo)（3厘米波段，模）組成的微波測(cè)試系統(tǒng)。其中，微波信號(hào)源（固態(tài)源或反射式速調(diào)管振蕩器）產(chǎn)生一個(gè)受到（方波）調(diào)制的微波高頻振蕩，其可調(diào)頻率范圍約為7.512.4GHz。隔離器的構(gòu)成是：在一小段波導(dǎo)內(nèi)放有一個(gè)表面涂有吸收材料的鐵氧體薄片，并外加一個(gè)恒定磁場(chǎng)使之磁化，從而對(duì)不同方向傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)產(chǎn)生了不同的磁導(dǎo)率，導(dǎo)致向正方向（

2、終端負(fù)載方向）傳播的波衰減很小，而反向（向信號(hào)源）傳播的波則衰減很大，此即所謂的隔離作用，它使信號(hào)源能較穩(wěn)定地工作。頻率計(jì)實(shí)際上就是一個(gè)可調(diào)的圓柱形諧振腔，其底部有孔（或縫隙）與波導(dǎo)相通。在失諧狀態(tài)下它從波導(dǎo)內(nèi)吸收的能量很小，對(duì)系統(tǒng)影響不大；當(dāng)調(diào)到與微波信號(hào)源地頻率一致（諧振）時(shí)，腔中的場(chǎng)最強(qiáng)，從波導(dǎo)（主傳輸線）內(nèi)吸收的能量也較多，從而使測(cè)量放大器的指示數(shù)從某一值突然降到某一最低值，如圖12(a)所示。此時(shí)即可從頻率計(jì)的刻度上讀出信號(hào)源的頻率。從圖1-1可知，腔與波導(dǎo)（主傳輸線）只有一個(gè)耦合元件（孔），形成主傳輸線的分路，這種連接方式稱為吸收式（或稱反應(yīng)式）連接方法。另一種是，腔與主傳輸線有兩

3、個(gè)耦合器件，并把腔串接于主傳輸線中，諧振時(shí)腔中的場(chǎng)最強(qiáng)，輸出的能量也較多，因而測(cè)量放大器的指示也最大，如圖1-2(b)所示。這種連接方法稱為通過式連接法。在實(shí)際中無(wú)論哪種連接方式，當(dāng)不測(cè)頻率時(shí)，為了不影響其它實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的觀測(cè)，應(yīng)把腔調(diào)到失諧狀態(tài)?？勺兯p器也是由一小段波導(dǎo)構(gòu)成的，其中放有一表面涂有損耗性材料，并與波導(dǎo)窄壁平行放置的薄介質(zhì)片。介質(zhì)片越靠近波導(dǎo)中心處，衰減越大，反之，衰減越小。利用可變衰減器可以連續(xù)地改變信號(hào)源傳向負(fù)載方向功率的大?。涣硗?，如同隔離器一樣，可變衰減器也具有一定的隔離作用。測(cè)量線是一段在其寬壁中心線開有一窄縫隙的矩形波導(dǎo)，與其配套的還有一個(gè)裝有微波范圍內(nèi)用的晶體二極管檢

4、波器及同軸線調(diào)諧式探針座。探針從縫隙插入波導(dǎo)后，送入測(cè)量（選頻）放大器，通過該放大器表頭的讀數(shù)，即可進(jìn)行各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)量工作。系統(tǒng)的最后部分是終端負(fù)載，它是被測(cè)試的某一微波元、器件，也可以是匹配負(fù)載、短路片或短路活塞等。需要指出的是，由于微波信號(hào)源產(chǎn)生的等幅高頻振蕩很微弱，若對(duì)其直接進(jìn)行檢波，則檢波器輸出的直流分量也是很微弱的，用一般儀表難以對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。因此為了提高測(cè)試靈敏度，以便于觀測(cè)，通常用一方波（重復(fù)頻率1000Hz）對(duì)高頻振蕩進(jìn)行幅度調(diào)制（也有用脈沖或其它波調(diào)制的）。經(jīng)調(diào)制后的高頻振蕩通過檢波后輸出的是其包絡(luò)，對(duì)包絡(luò)中的基頻（1000Hz）加以放大后再經(jīng)檢波，取出其直流分量加于測(cè)量放

5、大器的指示表頭，讀數(shù)就方便了。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1首先按圖1-1所示將測(cè)量系統(tǒng)安裝好，然后接通電源和測(cè)量?jī)x器的有關(guān)開關(guān)，觀察微波信號(hào)源有無(wú)輸出指示。若有指示，當(dāng)改變衰減量或移動(dòng)測(cè)量線探針的位置時(shí)，測(cè)量放大器的表頭指示會(huì)有起伏的變化，這說明系統(tǒng)已在工作了。但這并不一定是最佳工作狀態(tài)。例如，若是反射式速調(diào)管信號(hào)源的話還應(yīng)把它調(diào)到輸出功率最大的振蕩模式（如n=2，參見附錄），并結(jié)合調(diào)節(jié)信號(hào)源處的短路活塞，以使能量更有效地傳向負(fù)載。若有必要，還可以調(diào)節(jié)測(cè)量線探頭座內(nèi)的短路活塞，以獲得較高地靈敏度，或者調(diào)節(jié)測(cè)量線探針伸入波導(dǎo)的程度，以便較好地拾取信號(hào)地能量（注意，伸入太多會(huì)影響波導(dǎo)內(nèi)的場(chǎng)分布）。對(duì)于其它微波信

6、號(hào)源也應(yīng)根據(jù)說明書調(diào)到最佳狀態(tài)。有時(shí)信號(hào)源無(wú)輸出，但測(cè)量放大器也有一定指示。這可能是熱噪聲或其它雜散場(chǎng)的影響；若信號(hào)源有輸出，但測(cè)量放大器的指示不穩(wěn)定或者當(dāng)測(cè)量線探針移動(dòng)時(shí)，其指示不變，均屬不正常情況，應(yīng)檢查原因，使之正常工作。系統(tǒng)正常工作時(shí)，可調(diào)節(jié)測(cè)量放大器的有關(guān)旋鈕或可變衰減器的衰減量（衰減量不能為零，否則會(huì)燒壞晶體二極管），使測(cè)量放大器的指示便于讀數(shù)。2測(cè)量微波信號(hào)源的頻率和波導(dǎo)波長(zhǎng)。測(cè)量信號(hào)源的頻率調(diào)節(jié)旋鈕，可使頻率在7.512.4GHz的范圍內(nèi)變化。選取該范圍內(nèi)的某個(gè)頻率，用頻率計(jì)測(cè)出它的頻率，并用測(cè)量線測(cè)出該頻率的波導(dǎo)波長(zhǎng)。在測(cè)時(shí)應(yīng)將系統(tǒng)終端短路（例如用金屬短路板或短路活塞），則系

7、統(tǒng)呈純駐波狀態(tài)（理論上），其場(chǎng)強(qiáng)的幅度分布如圖1-3所示。當(dāng)測(cè)量線的探針處于和位置時(shí)，測(cè)量放大器的指示為最?。ɡ碚撋蠟榱悖?，此時(shí)從測(cè)量線的刻度上即可求出波導(dǎo)波長(zhǎng)。在實(shí)際測(cè)量中，由于受設(shè)備的精度、靈敏度的限制，以及其它因素的影響，很難精確地確定和的位置。為提高測(cè)試精度，可采用“平均法”測(cè)定它們的位置，如圖1-3所示。為了確定，使在兩側(cè)（盡量地靠近）的和處測(cè)量放大器有相同的指示數(shù)，則，同理可得。這比直接去測(cè)和要精確些。3繪制晶體矯正曲線需要指出的是，當(dāng)用測(cè)量線測(cè)定微波系統(tǒng)（波導(dǎo)）內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)幅度的分布規(guī)律時(shí)，測(cè)量放大器的指示值并不直接表示高頻信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值，而是通過晶體二極管檢波后的電流值。我們已知傳輸系

8、統(tǒng)的駐波為：由于晶體二極管為一非線性器件（如圖1-4(a)所示），因此就不能用測(cè)量放大器的讀數(shù)直接套用上面的公式求出駐波比。為了求出，應(yīng)作出晶體管的輸入電壓（它與探針拾取的場(chǎng)強(qiáng)幅值成正比）與檢波電流的關(guān)系曲線（如圖1-4(b)所示），稱為晶體校正曲線。此曲線中的電流雖然是從測(cè)量放大器中讀出的值，但它對(duì)應(yīng)的值（或），此時(shí)并非加于晶體二極管上的電壓值，而是通過測(cè)量于計(jì)算求出的與場(chǎng)強(qiáng)幅值成正比例的“等效”的電壓值。有了校正缺陷，當(dāng)探針在場(chǎng)強(qiáng)幅值最大值時(shí)，測(cè)量放大器有一讀數(shù)，探針在場(chǎng)強(qiáng)幅值最小處時(shí)，有一讀數(shù)，從校正曲線中查出和，分別對(duì)應(yīng)的（）和（），則駐波比為：為了作出晶體校正曲線，需將系統(tǒng)終端短路，

9、形成純駐波狀態(tài)。如圖1-5所示。場(chǎng)強(qiáng)E的幅度可表示為：為了求出場(chǎng)強(qiáng)幅值與檢波電流之間的關(guān)系（晶體校正曲線），就要利用這個(gè)公式計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)值（也即校正曲線中的U）。在7.512.4GHz范圍內(nèi)選定某一頻率，使系統(tǒng)正常工作，并求出該頻率對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng)。將測(cè)量線探針移到場(chǎng)強(qiáng)幅值的節(jié)點(diǎn)。例如圖1-5中所示的A點(diǎn)，作為的參考點(diǎn)，并記下此時(shí)測(cè)量放大器的讀數(shù)，從公式看該讀數(shù)（理論上為零，實(shí)際上不為零）對(duì)應(yīng)的應(yīng)為零。B是場(chǎng)強(qiáng)幅值的腹點(diǎn)，將此距離等分為若干個(gè)小段（例如10個(gè)小段），從A點(diǎn)開始，按分小段使探針逐次向B點(diǎn)移動(dòng)，并記住每一位置所對(duì)應(yīng)的測(cè)量放大器的讀數(shù)I，已經(jīng)每一位置的坐標(biāo)z的值，則即可求出。B點(diǎn)對(duì)應(yīng)于，若

10、已知，則利用公式即可求出每點(diǎn)的（U）與每點(diǎn)的I一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，根據(jù)這組數(shù)據(jù)即可畫出晶體校正曲線。但實(shí)際上，的值我們并不知道具體等于多少，為了解決這一問題，在作晶體校正曲線時(shí)，只需要知道各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)幅值的相對(duì)大小就可以了，并不需要求出它們的絕對(duì)大小，因此，我們可以把B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流讀數(shù)I作為看待，而其它點(diǎn)的（相對(duì)值）即可求出了。在實(shí)際測(cè)量中，為計(jì)算方便起見，可利用調(diào)節(jié)信號(hào)源的輸出，可變衰減器的衰減量和測(cè)量放大器的有關(guān)旋鈕等方法，使B對(duì)應(yīng)的I的讀數(shù)為10的某個(gè)整數(shù)倍（例如100）。另外需要指出的是，作晶體校正曲線也可以從場(chǎng)強(qiáng)幅值的腹點(diǎn)B開始，逐漸向節(jié)點(diǎn)A移動(dòng)探針，測(cè)出所需要的數(shù)據(jù)，場(chǎng)強(qiáng)幅值的變化為余弦。

11、但B點(diǎn)的確切位置比A點(diǎn)更難確定，所以，從A點(diǎn)開始，比從B點(diǎn)開始要好些。最后補(bǔ)充一點(diǎn)，當(dāng)晶體二極管的檢波電流很小時(shí)，其電壓和電流有近似于平方律的關(guān)系式：是與管子型號(hào)有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是常數(shù)。此時(shí)的駐波比可近似為而不需要查晶體校正曲線。實(shí)驗(yàn)二 阻抗的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握最常用的阻抗的測(cè)量方法，并能利用公式和阻抗或?qū)Ъ{圓圖計(jì)算阻抗。2 測(cè)量喇叭天線的等效（輸入）阻抗。二、實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理在微波范圍內(nèi)經(jīng)常遇到對(duì)微波元（器）件阻抗的測(cè)量問題（例如，在研究若干個(gè)元、器件相互間的連接和匹配問題時(shí)），因此掌握阻抗的測(cè)量方法是十分重要的。測(cè)量阻抗的方法有多種，其中較常用的是利用測(cè)量線來(lái)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)

12、驗(yàn)一所用的完全相同。為畫圖簡(jiǎn)單起見，我們用方框圖把它表示出來(lái)，如圖21所示。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1當(dāng)無(wú)耗傳輸線終端接有任意復(fù)數(shù)阻抗的負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)呈行駐波狀態(tài)，電壓或場(chǎng)強(qiáng)幅值的分布規(guī)律如圖22所示。為了求出被測(cè)阻抗可采用兩種方法，用公式計(jì)算和查圓圖。首先討論一下用公式計(jì)算的方法。根據(jù)傳輸線理論，等效（輸入）阻抗為據(jù)此，對(duì)終端被測(cè)負(fù)載而言應(yīng)為：式中，為傳輸線的特性阻抗，為電壓反射系數(shù)，為終端負(fù)載處的反射系數(shù)，為其初相角。在電壓（或場(chǎng)強(qiáng)幅度）最小點(diǎn)處反射系數(shù)的相角應(yīng)滿足即若取距終端負(fù)載最近的那個(gè)電壓（或場(chǎng)強(qiáng)幅值）最小點(diǎn)的距離，代入上式，則：而，式中，為波導(dǎo)波長(zhǎng)，為駐波比。由此可知，只要測(cè)出和（在某一頻率下）

13、，即可求出負(fù)載，它比計(jì)算方法要方便得多，例如用阻抗圓圖（用導(dǎo)納圓圖也可）來(lái)求阻抗，如圖23所示。如前所述，首先測(cè)出在某一頻率下得駐波比和電壓最小點(diǎn)（距終端被測(cè)負(fù)載最近得那點(diǎn)）的距離，然后在圖23中以O(shè)點(diǎn)為圓心畫出等駐波比圓（圓），并與實(shí)軸交于P點(diǎn)，該點(diǎn)即電壓最小點(diǎn)處的位置，其阻抗的歸一化值為。由P點(diǎn)開始沿等圓逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)刻度，過此刻度與圓心O連一直線與圓相交于M點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值就是被測(cè)負(fù)載的歸一化值，將該值再乘以，即得所求的負(fù)載阻抗。2在實(shí)際測(cè)負(fù)載阻抗的過程中，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的原因，用測(cè)量線無(wú)法直測(cè)得距負(fù)載最近的那個(gè)電壓（或場(chǎng)強(qiáng)幅值）最小點(diǎn)的距離，例如，它可能處于測(cè)量線探針無(wú)法接近的位置。此時(shí)，

14、可采用簡(jiǎn)接方法求出，如圖24所示。首先，將測(cè)量系統(tǒng)得終端用短路板短路，形成純駐波狀態(tài)（參見圖2-4中的圖形），終端即為電壓（或場(chǎng)強(qiáng)幅值）得最小點(diǎn)（理論上為零點(diǎn)），從終端算起向信號(hào)源方向，每隔的距離就出現(xiàn)一個(gè)最小點(diǎn)，因此總會(huì)由一些最小點(diǎn)落在測(cè)量探針可以達(dá)到的范圍之內(nèi)。我們可以任取其中的某個(gè)最小點(diǎn)（例如點(diǎn)）看作系統(tǒng)得終端位置（即被測(cè)負(fù)載的位置），然后取下短路板，接上被測(cè)負(fù)載，此時(shí)系統(tǒng)呈純駐波狀態(tài)（參見圖4-2中的圖形），在的左側(cè)找到距最近的那個(gè)電壓（或場(chǎng)強(qiáng)幅值）最小值位置，則所求得。至此，再利用圓圖即可求出被測(cè)負(fù)載。3 在7.512.4GHz頻率范圍內(nèi)得某個(gè)頻率上將系統(tǒng)調(diào)整到正常工作狀態(tài)，測(cè)出頻率

15、及其波導(dǎo)波長(zhǎng)。在終端負(fù)載處裝上被測(cè)的喇叭天線，求出駐波比和距終端負(fù)載最近的電壓（場(chǎng)強(qiáng)幅值）最小的距離，用阻抗（或?qū)Ъ{）圓圖求出喇叭天線的等效（輸入）阻抗，并將其與計(jì)算法求出的阻抗加以對(duì)照。改變一下信號(hào)源的頻率，再重作一次，以觀測(cè)喇叭天線等效（輸入）阻抗的變化。實(shí)驗(yàn)三 阻抗匹配一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆兆杩蛊ヅ涞姆椒?，利用單螺釘（相?dāng)于單株線）調(diào)配器使波導(dǎo)系統(tǒng)與喇叭天線相匹配。二、實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理1阻抗匹配在實(shí)際應(yīng)用中是很普遍、很重要的。因?yàn)檫@可以使信號(hào)源的功率更有效地供給傳輸線，并使傳輸線的負(fù)載吸收更多的功率，而且還可提高傳輸線的功率容量和增加信號(hào)源的穩(wěn)定性等。匹配一般有信號(hào)源與傳輸線之間的匹配，以及

16、傳輸線與負(fù)載之間的匹配。本實(shí)驗(yàn)僅研究后者的匹配問題。傳輸線與負(fù)載的匹配可以采用阻抗變換器來(lái)達(dá)到。也可以采用在傳輸系統(tǒng)中并聯(lián)電抗性元件的方法達(dá)到。本實(shí)驗(yàn)采用后者，使波導(dǎo)系統(tǒng)與喇叭天線（負(fù)載）相匹配。2實(shí)驗(yàn)裝置如圖31所示。它與實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的裝置基本上是一樣的，只是在測(cè)量線與終端負(fù)載（喇叭天線）之間加入了一段帶有螺釘調(diào)配器的矩形波導(dǎo)，稱為單螺釘（單株線）調(diào)配器，利用它使波導(dǎo)系統(tǒng)與喇叭天線得到匹配。3圖32是單螺釘調(diào)配器結(jié)構(gòu)的示意圖及其等效電路，終端負(fù)載為一喇叭天線。螺釘從矩形波導(dǎo)寬壁的中心線處的縫隙中插入波導(dǎo)內(nèi)，其插入深度可以調(diào)節(jié)，螺釘可以在縫隙中左右移動(dòng)。由等效電路可知，螺釘?shù)淖饔孟喈?dāng)于一個(gè)并

17、聯(lián)在截面處的短路支線(單株線)，當(dāng)負(fù)載給定后，首先選取合適的距離，當(dāng)不考慮支線的影響時(shí)，使從向負(fù)載看去的歸一化輸入導(dǎo)納為，然后調(diào)節(jié)的長(zhǎng)度（即螺釘深度），使其歸一化的輸入電納恰好與相抵消（即與大小相等，而符號(hào)相反），則在處總的導(dǎo)納，從而在該截面處得到匹配。實(shí)驗(yàn)表明，螺釘插入深度較小時(shí)，其主要作用是使電場(chǎng)集中，具有電容的性質(zhì)（容性電抗），當(dāng)插入較多時(shí)，主要呈現(xiàn)電感性質(zhì)（感性電抗），而插入適中時(shí)，近似于一串聯(lián)諧振電路。這三種情況都與波導(dǎo)尺寸、螺釘直徑和工作頻率等有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，螺釘插入深度太多（尤其傳輸大功率時(shí)），會(huì)引起傳輸系統(tǒng)功率容量下降。因此，螺釘調(diào)配器一般都工作于容性電抗的范圍內(nèi)。三、 實(shí)

18、驗(yàn)內(nèi)容1首先在7.512.4GHz范圍內(nèi)某個(gè)頻率上將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)整到正常工作狀態(tài)，測(cè)出所選定的頻率和它對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng)，然后將喇叭天線和單螺釘調(diào)配器（在結(jié)構(gòu)上它們可能已連成一個(gè)整體）一起接在測(cè)量線的終端。把螺釘從縫隙中全部旋出，測(cè)出駐波比，以及喇叭天線的歸一化的等效（輸入）導(dǎo)納，設(shè)它位于導(dǎo)納圓圖的P點(diǎn)，如圖3-3所示。從P點(diǎn)開始沿等駐波比圓（圓）向信號(hào)源方向轉(zhuǎn)動(dòng)，與的圓相交于M1和M2兩點(diǎn)，它們距負(fù)載的距離（相對(duì)于的值）分別為和，和是調(diào)配器螺釘可以選擇的兩個(gè)位置。但是，如前所述，為使螺釘工作在容抗范圍內(nèi)，因此應(yīng)選M2點(diǎn)（也即）作為螺釘?shù)奈恢谩?螺釘位置確定后，慢慢地調(diào)節(jié)其插入深度，每調(diào)節(jié)一次，都要從測(cè)量放大器上觀察一下駐波比的變化趨勢(shì)：應(yīng)使最大讀數(shù)與最小讀數(shù)之差越小越好。當(dāng)調(diào)到所要求的匹配狀態(tài)時(shí)（例如，使）,最大讀數(shù)和最小讀數(shù)之差應(yīng)降到最?。ɡ?，約5個(gè)小格左右）。由于各種因素的影響，螺釘?shù)膶?shí)際位置d會(huì)稍微偏離理論計(jì)算值，在實(shí)際調(diào)配過程中可略加調(diào)整，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定螺釘?shù)淖詈笪恢?。?yīng)當(dāng)指