合肥工業(yè)大學(xué) 微波實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、實(shí)驗(yàn)一 微波常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)的熟悉與調(diào)整一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解常用微波常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)的組成，認(rèn)識(shí)常用微波元件，熟悉其特性、在系統(tǒng)中 的作用及使用方法。 2、熟悉常用微波儀器的調(diào)整和使用方法。二、實(shí)驗(yàn)原理 1、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介圖1-1 常規(guī)微波測(cè)量系統(tǒng)微波常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)如圖1-1所示。系統(tǒng)中的儀器和主要元件作用如下：(1)、信號(hào)源：產(chǎn)生微波信號(hào)。常用的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器，包括速調(diào)管振蕩器、速調(diào)管電源和調(diào)制器。速調(diào)管振蕩器產(chǎn)生并輸出需要的連續(xù)或調(diào)制信號(hào)，速調(diào)管電源供給速調(diào)管振蕩器所需各組穩(wěn)壓電源，調(diào)制器產(chǎn)生方波調(diào)制信號(hào)（重復(fù)頻率一般為1000Hz ）,對(duì)速調(diào)管振蕩器進(jìn)行方波調(diào)制。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器主要有速調(diào)管和體效應(yīng)

2、管兩類，在包含上述功能的基礎(chǔ)上增加了輸出幅度調(diào)節(jié)器（可變衰減器）以及頻率計(jì)等。(2)、頻率與功率監(jiān)視部分：由正向接入的定向耦合器從主通道中耦合出一部分能量，通過(guò)對(duì)該部分信號(hào)的監(jiān)測(cè)，確定其信號(hào)源的頻率并監(jiān)視輸出功率的穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源往往附有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。(3)、隔離器：是一種鐵氧體器件，用于消除負(fù)載反射對(duì)信號(hào)源的影響。理想的隔離器只允許信號(hào)由源向負(fù)載單方向通過(guò)（即對(duì)入射波衰減為零）。而全部吸收由負(fù)方載向源的反射功率（即對(duì)反射波衰減為無(wú)窮大）。利用其單向傳輸特性，既保證了信號(hào)的正常傳輸，又防止反射波進(jìn)入信號(hào)源影響其輸出功率和振蕩頻率的穩(wěn)定。實(shí)用的隔離器正向衰減為零點(diǎn)幾分貝，反向衰減為幾十分貝。在沒(méi)有

3、隔離器時(shí)，可用固定衰減器代替。此時(shí)，對(duì)正向、反向信號(hào)有同樣衰減。(4)、衰減器：分固定衰減器和可變衰減器兩種。為電平元件，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的大小。調(diào)整可變衰減器的衰減量，可以控制到達(dá)負(fù)載的功率，使指示器有適度的指示。固定衰減器也可以用定向耦合器代替。(5)、測(cè)量線：用來(lái)測(cè)量負(fù)載在傳輸線上造成的駐波分布，確定駐波系數(shù)、駐波最小點(diǎn)位置和波導(dǎo)波長(zhǎng)等，以便計(jì)算各種待測(cè)參數(shù)。 (6)、指示器：指示檢波電流的大小，對(duì)連續(xù)波信號(hào)、常用微安表、光點(diǎn)檢流計(jì)等指示器。而對(duì)調(diào)制波信號(hào)，常用選頻放大器做指示器。(7)、負(fù)載：包括匹配負(fù)載、短路器及其它任何待測(cè)終端器件。(8)、頻率計(jì)：用于測(cè)量信號(hào)源頻率。在簡(jiǎn)單的測(cè)量系

4、統(tǒng)中也可以將其接在主通道中，接在副通道中的目的在于防止對(duì)主通道產(chǎn)生影響。在進(jìn)行微波參數(shù)測(cè)量之前，首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。主要包括：根據(jù)要求調(diào)整信號(hào)源頻率及輸出功率；調(diào)整可變衰減器使功率電平滿足要求；系統(tǒng)調(diào)配；測(cè)量線探頭調(diào)諧，該部分調(diào)節(jié)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可不進(jìn)行。主要調(diào)整步驟和原理介紹如下：(1)、信號(hào)源的調(diào)整 試驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)接觸到不同型號(hào)按“點(diǎn)頻”方式工作的信號(hào)源，其機(jī)械調(diào)諧旋鈕置于某一位置時(shí)，輸出相應(yīng)的單一頻率信號(hào)。信號(hào)源的調(diào)整主要包括：調(diào)整頻率旋鈕，選擇需要的頻率；系統(tǒng)調(diào)配使振蕩器處于最佳工作狀態(tài)且輸出功率最大；調(diào)整輸出衰減器，使信號(hào)源輸出功率滿足測(cè)量要求。在使用信號(hào)源之前，請(qǐng)仔細(xì)閱讀說(shuō)明書(shū)。(2

5、)、諧振式頻率計(jì)的使用 在厘米波段，廣泛使用諧振式頻率計(jì)（也稱為諧振式波長(zhǎng)計(jì)）。測(cè)量微波頻率，實(shí)際上是使用一只一端尺寸可調(diào)（一般用短路活塞）的單模諧振腔，將其以適當(dāng)方式接入到測(cè)量電路中，調(diào)整短路活塞（即改變腔體長(zhǎng)度），使之與信號(hào)源頻率諧振，諧振時(shí)活塞位置刻度所對(duì)應(yīng)的頻率值，即為待測(cè)頻率。諧振式的頻率計(jì)讀數(shù)方式通常有兩種：一種是頻率計(jì)上僅有用螺旋測(cè)微器讀出的活塞位置刻度，使用前先用外差式頻率計(jì)或數(shù)字頻率計(jì)校準(zhǔn)，做出刻度一頻率校正曲線（或校正表）；使用時(shí)根據(jù)讀數(shù)從校正曲線或校正表上查出頻率。另一種是直讀式，即將校準(zhǔn)的頻率值直接標(biāo)注在測(cè)微器的外側(cè)圓筒上，使用時(shí)可直接讀出頻率。根據(jù)諧振式頻率計(jì)藕合元件

6、的不同，采用不同的方式接入測(cè)量系統(tǒng)中，其調(diào)諧指示曲線也不相同。第一種：通過(guò)式頻率計(jì)的接法。這種接法的頻率計(jì)腔體具有兩個(gè)基本耦合元件。通過(guò)輸入、輸出耦合元件串接在測(cè)量系統(tǒng)中。當(dāng)腔體與待測(cè)信號(hào)失諧時(shí)，通過(guò)輸入棍耦合元件進(jìn)入腔體的信號(hào)很微弱，因而耦合輸出也很弱，檢波器指示會(huì)很小。嚴(yán)重失諧時(shí)，檢波電流接近于零，無(wú)檢波指示。當(dāng)調(diào)諧腔體尺寸使之與待測(cè)信號(hào)諧振時(shí)，進(jìn)入腔體的信號(hào)最強(qiáng)，耦合輸出也最大。測(cè)量時(shí)，只要連續(xù)調(diào)節(jié)調(diào)諧機(jī)構(gòu)，同時(shí)觀察檢波指示。當(dāng)檢波指示最大時(shí)，頻率計(jì)所對(duì)應(yīng)的頻率就是待測(cè)頻率。第二種：吸收式頻率計(jì)接法。該種頻率計(jì)腔體只有一個(gè)耦合元件。腔體通過(guò)耦合機(jī)構(gòu)與待測(cè)信號(hào)的傳輸系統(tǒng)相耦合，形成主通道的

7、一個(gè)分支。腔體失諧時(shí)，基本上不吸收微波功率，從而不影響信號(hào)的正常傳輸，檢波指示正常，當(dāng)調(diào)諧腔體使之與待測(cè)信號(hào)諧振時(shí)，腔體吸收功率很大，從而使檢波指示明顯下降。因此，在測(cè)量時(shí)只要緩慢連續(xù)調(diào)節(jié)調(diào)諧機(jī)構(gòu)，同時(shí)觀察檢波指示。當(dāng)指示突然下降到最小時(shí)，頻率計(jì)所對(duì)應(yīng)的諧振頻率就是待測(cè)信號(hào)頻率。 （3）、測(cè)量線的調(diào)整與使用 測(cè)量線的構(gòu)造主要包括開(kāi)槽線段（波導(dǎo)、同軸線或者平板式）、探頭裝置（包括探針、檢波座和調(diào)諧器）、探頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)和位置測(cè)量裝置等。探針伸入開(kāi)槽線段中并通過(guò)軸向槽縫可以左右移動(dòng)，拾取開(kāi)槽線段中的電場(chǎng)能量，感應(yīng)出與場(chǎng)強(qiáng)幅度成正比的電動(dòng)勢(shì)加到檢波晶體上。檢波輸出由指示器指示。因此，指示器的指示大小可反

8、映出開(kāi)槽線段內(nèi)探針?biāo)谖恢玫南鄬?duì)電場(chǎng)強(qiáng)度，再由測(cè)量線的位置刻度指示可確定一系列參數(shù)。探針伸入波導(dǎo)，相當(dāng)于在波導(dǎo)中引入不均勻性，從而影響了系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)，稱為探針的加載作用。為了分析方便，通常把探針等效成與傳輸線并聯(lián)的導(dǎo)納。其中為探針歸一化電導(dǎo)，反映探針吸收功率的大小；為探針歸一化電納，表示探針引起附加反射的影響。在信號(hào)源和傳輸系統(tǒng)匹配的情況下，當(dāng)終端接任意阻抗時(shí)，由于的分流作用，將使測(cè)得的駐波幅度比真實(shí)值要小。因?yàn)轳v波波腹附近為高阻抗區(qū)，的影響較大。的存在將使駐波波腹點(diǎn)和波谷位置（主要是腹點(diǎn)位置）發(fā)生偏移。一般情況下探針電納為容性，將使駐波波腹點(diǎn)向負(fù)載方向移動(dòng)。反之，當(dāng)為感性時(shí)，將駐波波腹

9、點(diǎn)向信號(hào)源方向偏移。但在終端短路或開(kāi)路的情況下，由于此時(shí)駐波波節(jié)點(diǎn)處的輸入導(dǎo)納的，所以影響很小，駐波波節(jié)點(diǎn)位置不會(huì)發(fā)生偏移。而在駐波波腹點(diǎn)，影響就將特別顯著。減小影響方法是適當(dāng)?shù)臏p小插入深度。插入越深，影響越大，但靈敏度越高；插入越淺，影響越小，但靈敏度越低。二者存在矛盾，必須權(quán)衡得失，適當(dāng)選取插入深度?；驹瓌t是在保證靈敏度的情況下盡量減少插入深度。一般插入深度為波導(dǎo)窄邊的10左右。對(duì)三公分波導(dǎo)系統(tǒng)，插入深度為l1.5毫米為宜。注一：交叉讀數(shù)法如圖l-2所示，首先將測(cè)量線探針置于駐波波腹位置，改變可變衰減器使之測(cè)量線檢波輸出放大器的讀數(shù)接近或達(dá)到滿量程，然后移動(dòng)測(cè)量線探針，在最小點(diǎn)兩側(cè)且在最

10、小點(diǎn)附近選取場(chǎng)強(qiáng)相等的兩點(diǎn)，即等指示度點(diǎn)（測(cè)量線檢波指示均為），記下測(cè)量線探針在兩個(gè)等指示度點(diǎn)的位置和，則最小點(diǎn)的位置為圖1-2 交叉讀數(shù)法確定最小點(diǎn) (1-1)（五）晶體檢波器 駐波幅度分布的測(cè)量表現(xiàn)為晶體檢波電流的測(cè)量。預(yù)先知道指示器讀數(shù)與開(kāi)槽線中相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的函數(shù)關(guān)系曲線。加到晶體檢波器兩端的電壓V和檢波電流I的關(guān)系，一般表示為式中K為比例系數(shù)，n為檢波律。在一定電壓范圍內(nèi)n可以認(rèn)為是常數(shù)。通常檢波電平較低小（對(duì)調(diào)制波而言，輸出電壓不大于幾毫伏。對(duì)連續(xù)波而言，輸出電流不大于）時(shí)，即為小信號(hào)檢波，可以近似認(rèn)為是平方律檢波，即n=2。在精確測(cè)量中，晶體的檢波律n可利用對(duì)數(shù)關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、

11、調(diào)整信號(hào)源，調(diào)整輸出信號(hào)電平。2、測(cè)量工作頻率，計(jì)算工作波長(zhǎng)。3、調(diào)整測(cè)量線，用測(cè)量線測(cè)波導(dǎo)波長(zhǎng)，計(jì)算工作波長(zhǎng)，并與2中的結(jié)果比較。四、實(shí)驗(yàn)步驟 在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，必須仔細(xì)閱讀各儀器使用說(shuō)明書(shū)，熟悉基本原理和使用方法。（一）準(zhǔn)備工作 1、按圖1-1檢查測(cè)試系統(tǒng)，負(fù)載為短路片。2、將可變衰減器都置于最大衰減量位置。（二）信號(hào)源調(diào)整 1、閱讀信號(hào)源使用說(shuō)明書(shū)，按其說(shuō)明進(jìn)行調(diào)整。 2、減小可變衰減器1和3的衰減量，使指示器2有明顯指示。（三）頻率調(diào)整 1.緩慢調(diào)整檢波器的短路活塞，反復(fù)調(diào)整檢波器的調(diào)配螺釘，使檢波器指示器2指示較大或接近滿量程。 2.緩慢調(diào)整諧振式頻率計(jì)，使諧振于信號(hào)源頻率（對(duì)吸收式頻

12、率計(jì)，檢波指示器2 突然減到最小。對(duì)通過(guò)式頻率計(jì)，檢波指示器2突然增到最大）。實(shí)驗(yàn)中用的是吸收式頻率計(jì)。 3、讀取頻率計(jì)上的頻率值或讀取諧振時(shí)測(cè)微計(jì)刻度值，記錄信號(hào)源頻率，并計(jì)算工作波長(zhǎng)。（四）測(cè)量線的調(diào)整 1減少可變衰減器2的衰減量，使測(cè)量線檢波指示器1有明顯指示。（最大偏轉(zhuǎn)有三分之二刻度以上） 2移動(dòng)測(cè)量線探針至駐波最大點(diǎn)位置（注意:在移：過(guò)程中分需隨時(shí)調(diào)整可變衰減器2使檢波指示適中）。 （五）波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量。 1、移動(dòng)測(cè)量線探針，用交叉讀數(shù)法（注一方法）測(cè)量測(cè)量線（開(kāi)槽波導(dǎo)）中的駐波最小點(diǎn)位置。兩相鄰駐波最小點(diǎn)之間的距離為玉，計(jì)算平均波導(dǎo)波。1、 由公式 （1-8） 式中（BJ-100型

13、波導(dǎo)：，。BJ-48型波導(dǎo)：，?？傻?（1-9） 按照式（1-9）計(jì)算工作波長(zhǎng)，并與步驟（三）的結(jié)果相比較。思考題：1、在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中需畫(huà)出微波常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)圖，并說(shuō)明各元件和儀器在系統(tǒng)中作用2、在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中給出調(diào)整測(cè)量線為最佳輸出狀態(tài)的步驟。3、如何用諧振式頻率計(jì)監(jiān)測(cè)工作頻率？4、確定波導(dǎo)波長(zhǎng)時(shí)，若用確定駐波最大點(diǎn)位置的方法，與用確定駐波最小點(diǎn)位置的 方法有何區(qū)別？實(shí)驗(yàn)二 駐波系數(shù)測(cè)量(一)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆沼弥苯臃y(cè)量駐波系數(shù)（電壓駐波比）的原理和方法。二、實(shí)驗(yàn)原理如圖2-1所示，測(cè)量單口器件的駐波系數(shù)時(shí)，待測(cè)器件接在測(cè)量線輸出端；測(cè)量雙口（或多口）器件的駐波系數(shù)時(shí)，需要輸出口接的匹配負(fù)載。圖

14、2-1 電壓駐波比測(cè)量電路 * 直接法對(duì)中小駐波系數(shù)（一般或更?。?，可以用接法測(cè)量，即移動(dòng)測(cè)量探針，根據(jù)在駐波最大點(diǎn)和最小點(diǎn)時(shí)指示器的指示和，按下式計(jì)算待測(cè)器件的駐波系數(shù)。 （2-1）式中n為晶體檢波律。在檢波功率電平最?。ㄐ⌒盘?hào)檢波）的情況下，可取n=2，則 （2-2）為了消除由于檢波律不確定而引起的計(jì)算誤差，可以按實(shí)驗(yàn)一的方法預(yù)先對(duì)晶體定標(biāo)，確定出檢波律，然后計(jì)算待測(cè)器的駐波系數(shù)。 三、實(shí)驗(yàn)步驟（1） 按實(shí)驗(yàn)一的方法，調(diào)整測(cè)量線為最佳輸出狀態(tài)；（2） 用直接法測(cè)量以下五種不同負(fù)載情況下的駐波系數(shù)：(a) 短路片；(b) 開(kāi)路負(fù)載；(c) 匹配負(fù)載；(d) 任意負(fù)載；(e) 喇叭天線；（3）

15、 結(jié)合傳輸線上不同工作狀態(tài)的特性分析，聯(lián)系以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，深入理解傳輸線工作狀態(tài)與所接負(fù)載的關(guān)系。四、思考題1、 結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，說(shuō)明在測(cè)量線終端接以上不同負(fù)載時(shí)，傳輸線分別工作在什么狀態(tài)？此時(shí)選頻放大器的指示有何特點(diǎn)？如何解釋該現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)三 阻抗測(cè)量與匹配技術(shù)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握測(cè)量線法測(cè)量微波器件阻抗參數(shù)的原理和方法。2、熟悉阻抗（或?qū)Ъ{）圓圖在阻抗測(cè)量中的應(yīng)用。3、熟悉阻抗調(diào)配技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理（一） 駐波法測(cè)量微波器件阻抗參數(shù)的原理當(dāng)微波傳輸系統(tǒng)的終端負(fù)載與傳輸線的特性阻抗不匹配時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射，在系統(tǒng)中形成行駐波或純駐波。由傳輸線理論知道，對(duì)于一段無(wú)耗傳輸線，距負(fù)載參考面距離為d的任一點(diǎn)

16、的阻抗和負(fù)載阻抗，傳輸線特性阻抗之間的關(guān)系為： （4-1）又因?yàn)樵陔妷厚v波電小點(diǎn)的輸入阻抗為： （4-2）所以，當(dāng)線上某一電壓駐波最小點(diǎn)距負(fù)載的距離為時(shí)，該點(diǎn)的輸入阻抗同時(shí)滿足（4-1）和（4-2）式，即簡(jiǎn)化此式，得到、S、之間的關(guān)系為 (4-3)歸一化負(fù)載阻抗為 (4-4)設(shè) 則 (4-5) (4-6)阻抗測(cè)量裝置如圖4-1所示。圖4-1 阻抗測(cè)量裝置圖為了避免復(fù)雜的運(yùn)算，可以利用阻抗圓圖求解，如圖4-2所示。 在圖圓上，以測(cè)得的S做等S圓。從等S圓與極小點(diǎn)軌跡的交點(diǎn)A處做沿等S圓逆時(shí)針（向負(fù)載方向）轉(zhuǎn)動(dòng)電長(zhǎng)度到B點(diǎn)，則B點(diǎn)的阻抗即為歸一化負(fù)載數(shù)阻抗。圖4-2 用阻抗圓圖求解負(fù)載阻抗（二）駐

17、波最小點(diǎn)的位置的確定通常測(cè)量線探針至負(fù)載參考面有較長(zhǎng)的一段距離，不能直接測(cè)出負(fù)載至第一個(gè)駐波最小點(diǎn)的距離，需要采用間接的方法。其原理如圖4-3所示。圖4-3 最小點(diǎn)偏移量的確定終端接短路片，將探針置于測(cè)量線終端短路時(shí)的駐波最小點(diǎn)位置，設(shè)標(biāo)尺刻度為，該點(diǎn)至短路面的距離為。去掉短路片，接上待測(cè)器件，則駐波圖形將發(fā)生變化，最小點(diǎn)將向信號(hào)源方向移動(dòng)。向信號(hào)源方向移動(dòng)測(cè)量線探針，找到鄰近的第一個(gè)駐波最小點(diǎn)位置，設(shè)標(biāo)尺刻度為，則距終端的距離為 （4-7）（三）匹配技術(shù)為了使負(fù)載與傳輸系統(tǒng)匹配，可以在負(fù)載與傳輸系統(tǒng)間加入調(diào)配元件。調(diào)節(jié)調(diào)配元件，使之產(chǎn)生一個(gè)附加反射，它與由于負(fù)載不匹配而產(chǎn)生的反射波大小相等，

18、相位相反，互相抵消，從輸入端看去沒(méi)有反射。調(diào)配元件種類很多，可以根據(jù)不同的場(chǎng)合和要求靈活選用。例如可以在系統(tǒng)中加入隔離器（主要用于源端匹配）、膜片、銷釘?shù)?。也可以加入可移單螺釘、固定位置的多螺釘、支?jié)線等。以可移單螺調(diào)配器為例，說(shuō)明調(diào)配原理。在一段開(kāi)槽波導(dǎo)段上安裝一個(gè)位置可調(diào)的螺釘，螺釘插入波導(dǎo)中，插入深度亦可調(diào)，就構(gòu)成可移單螺釘調(diào)器。將其接在測(cè)量線與被調(diào)配負(fù)載之間，即可進(jìn)行調(diào)配。圖4-7 調(diào)配原理圖解設(shè)系統(tǒng)終端負(fù)載的歸一化導(dǎo)納為，在圓圖上處于位置A點(diǎn)，如圖4-7所示，移動(dòng)單螺釘?shù)奈恢煤筒迦肷疃?，就是要找這樣一個(gè)位置，在這個(gè)位置參考面上向負(fù)載端看入一輸入導(dǎo)納為。在圓圖上相當(dāng)于從A點(diǎn)沿等圓移動(dòng)到等S圓與圓的交點(diǎn)B（或交點(diǎn)C），（圖上B點(diǎn)導(dǎo)納值，C點(diǎn)導(dǎo)納值為）在這個(gè)位置改變螺釘插入深度，相當(dāng)于傳輸系統(tǒng)上并聯(lián)一電納，使與原來(lái)的相抵消。此參考面上總的導(dǎo)納值為1。實(shí)現(xiàn)匹配。在圓圖上相當(dāng)于從B或C點(diǎn)點(diǎn)沿的圓移動(dòng)到原點(diǎn)。此時(shí)S=1達(dá)到了阻抗匹配的目的。實(shí)際上，通常采用逐步減小駐波系數(shù)法進(jìn)行調(diào)配。即先把測(cè)量線探針置于駐波波谷點(diǎn)處，