微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)01723

1、Information Engineering School of Nanchang University實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)課程： 微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn) 學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)老師： 實(shí)驗(yàn)一 微波測(cè)量?jī)x器認(rèn)識(shí)及功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 熟悉基本微波測(cè)量?jī)x器；（2） 了解各種常用微波元器件；（3） 學(xué)會(huì)功率的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一、基本微波測(cè)量?jī)x器微波測(cè)量技術(shù)是通信系統(tǒng)測(cè)試的重要分支，也是射頻工程中必備的測(cè)試技術(shù)。它主要包括微波信號(hào)特性測(cè)量和微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)量。微波信號(hào)特性參量主要包括：微波信號(hào)的頻率與波長(zhǎng)、電平與功率、波形與頻譜等。微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括反射參量（如反射系數(shù)、駐波比）和傳輸參量（如S參數(shù)）

2、。測(cè)量的方法有：點(diǎn)頻測(cè)量、掃頻測(cè)量和時(shí)域測(cè)量三大類。所謂點(diǎn)頻測(cè)量是信號(hào)只能工作在單一頻點(diǎn)逐一進(jìn)行測(cè)量；掃頻測(cè)量是在較寬的頻帶內(nèi)測(cè)得被測(cè)量的頻響特性，如加上自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀，則可實(shí)現(xiàn)微波參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量與分析；時(shí)域測(cè)量是利用超高速脈沖發(fā)生器、采樣示波器、時(shí)域自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀等在時(shí)域進(jìn)行測(cè)量，從而得到瞬態(tài)電磁特性。圖1-1 是典型的微波測(cè)量系統(tǒng)。它由微波信號(hào)源、隔離器或衰減器、定向耦合器、波長(zhǎng)/頻率計(jì)、測(cè)量線、終端負(fù)載、選頻放大器及小功率計(jì)等組成。 圖 1-1 微波測(cè)量系統(tǒng)二、常用微波元器件簡(jiǎn)介微波元器件的種類很多，下面主要介紹實(shí)驗(yàn)室里常見的幾種元器件：（1） 檢波器 （2）E-T接頭 （3）H-T接頭

3、 （4）雙T接頭 （5）波導(dǎo)彎曲 （6）波導(dǎo)開關(guān) （7）可變短路器（8）匹配負(fù)載（9）吸收式衰減器 （10）定向耦合器 （11）隔離器實(shí)驗(yàn)體會(huì) 通過本次實(shí)驗(yàn)，熟悉了基本微波測(cè)量?jī)x器，了解到各種常用微波元器件，更加深刻的理解到微波元器件的工作原理。實(shí)驗(yàn)二 測(cè)量線的調(diào)整與晶體檢波器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 學(xué)會(huì)微波測(cè)量線的調(diào)整；（2） 學(xué)會(huì)校準(zhǔn)晶體檢波器特性的方法；（3） 學(xué)會(huì)測(cè)量微波波導(dǎo)波長(zhǎng)和信號(hào)源頻率。實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行微波測(cè)量，首先必須正確連接與調(diào)整微波測(cè)量系統(tǒng)。圖1-1 示出了實(shí)驗(yàn)室常用的微波測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)調(diào)整主要指信號(hào)源和測(cè)量線的調(diào)整，以及晶體檢波器的校準(zhǔn)。信號(hào)源的調(diào)整包括振蕩頻率、功率電平及調(diào)制方

4、式等。本實(shí)驗(yàn)主要討論微波測(cè)量線的調(diào)整和晶體檢波器的校準(zhǔn)。1 測(cè)量線的調(diào)整測(cè)量線是微波系統(tǒng)的一種常用測(cè)量?jī)x器，它在微波測(cè)量中用途很廣，可測(cè)駐波、阻抗、相位、波長(zhǎng)等。測(cè)量線通常由一段開槽傳輸線、探頭（耦合探針、探針的調(diào)諧腔體和輸出指示）、傳動(dòng)裝置三部分組成。由于耦合探針伸入傳輸線而引入不均勻性，其作用相當(dāng)于在線上并聯(lián)一個(gè)導(dǎo)納，從而影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。為了減少其影響，測(cè)試前必須仔細(xì)調(diào)整測(cè)量線。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量線的調(diào)整一般包括的探針深度調(diào)整和耦合輸出匹配（即調(diào)諧探頭）。2 晶體檢波器的校準(zhǔn)曲線在微波測(cè)量系統(tǒng)中，送至指示器的微波能量通常是經(jīng)過晶體二極管檢波后的直流或低頻電流，指示器的讀數(shù)是檢波電流的有效值。在

5、測(cè)量線中，晶體檢波電流與高頻電壓之間關(guān)系是非線性的，因此要準(zhǔn)確測(cè)出駐波（行波）系數(shù)必須知道晶體檢波器的檢波特性曲線。晶體二極管的電流I 與檢波電壓U 的一般關(guān)系為I=CU n (2-1)式中，C 為常數(shù)，n 為檢波律，U為檢波電壓。檢波電壓U 與探針的耦合電場(chǎng)成正比。晶體管的檢波律 n 隨檢波電壓U 改變。在弱信號(hào)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(hào)范圍，n 近似等于1，即直線律。測(cè)量晶體檢波器校準(zhǔn)曲線最簡(jiǎn)便的方法是將測(cè)量線輸出端短路，此時(shí)測(cè)量線上載純駐波，其相對(duì)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(zhǎng)。

6、因此，傳輸線上晶體檢波電流的表達(dá)式為根據(jù)式（2-3）就可以用實(shí)驗(yàn)的方法得到圖2-1 所示的晶體檢波器的校準(zhǔn)曲線。 圖 2-1 校準(zhǔn)曲線3 波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量測(cè)量線的基本測(cè)量原理是基于無(wú)耗均勻傳輸線理論，當(dāng)負(fù)載與測(cè)量線匹配時(shí)測(cè)量線內(nèi)是行波；當(dāng)負(fù)載為短路或開路時(shí)，傳輸線上為純駐波，能量全部反射。因此通過測(cè)量線上的駐波比，然后換算出反射系數(shù)模值，再利用駐波最小點(diǎn)位置zmin 便可得到微波信號(hào)特性和網(wǎng)絡(luò)特性等。根據(jù)這一原理，在測(cè)得一組駐波最小點(diǎn)位置z1，z2，z3，z4 后，由于相鄰波節(jié)點(diǎn)的距離是波導(dǎo)波長(zhǎng)的1/2，這樣便可通過下式算出波導(dǎo)波長(zhǎng)。由教材P48 ，工作波長(zhǎng)與波導(dǎo)波長(zhǎng)有如下關(guān)系：式中，c 為截止

7、波長(zhǎng)。 一般波導(dǎo)工作在主模狀態(tài)，其c =2a 。本實(shí)驗(yàn)中波導(dǎo)型號(hào)為BJ-100，其寬邊為 a =22.86 mm ，代入上式計(jì)算出工作波長(zhǎng)。于是信號(hào)源工作頻率由下式求得：另外，信號(hào)源工作頻率亦可用吸收式頻率計(jì)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)步驟1 測(cè)量線的調(diào)整 將信號(hào)源設(shè)置在內(nèi)調(diào)制狀態(tài)，選擇工作頻率在10 GHz，將衰減器調(diào)整到合適位置。 先使探針調(diào)整至合適深度，探針深度既不能太深，影響波導(dǎo)內(nèi)場(chǎng)分布，也不能太淺，否則耦合輸出太弱。通常取1.0至1.5 mm 。然后開槽測(cè)量線終端接匹配負(fù)載，移動(dòng)探針至測(cè)量線中間部位，調(diào)節(jié)探頭活塞使探針耦合匹配，直到輸出指示最大。 反復(fù)調(diào)整輸出衰減器、探針位置、探針耦合匹配、選頻放大器

8、靈敏度使測(cè)量線工作在最佳狀態(tài)。2 晶體檢波器的校準(zhǔn)曲線 終端接短路片，在波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)之間（見圖2-2）等距離取10點(diǎn)，從波節(jié)點(diǎn)開始將探針逐次移動(dòng)到d1，d2， , d10 ,并記錄電表的相應(yīng)讀數(shù) I1，I2， ，I10，列入表中。 圖 2-2 波腹波節(jié)點(diǎn)示意 以U 為橫軸，I 為縱軸，將其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)畫在坐標(biāo)紙上，并連成曲線。此曲線即為晶體檢波器的校準(zhǔn)曲線。d/mm1.092.183.274.365.456.547.638.729.8110.9U=sin(2d/g)0.1590.3140.4620.5970.7170.8190.9000.9580.9910.999I/mA192020304598

9、1451801982003 波導(dǎo)波長(zhǎng)測(cè)量 按圖1-1所示連接微波測(cè)量系統(tǒng)，將系統(tǒng)調(diào)整到最佳工作狀態(tài)，終端接上短路片。從負(fù)載端開始旋轉(zhuǎn)測(cè)量線上的探針位置，使選頻放大器指示最小，此時(shí)即為測(cè)量線等效短路面，記錄此時(shí)的探針位置，記作zmin0 ; 繼續(xù)旋轉(zhuǎn)探針位置，可得到一組指示最小點(diǎn)位置 z1，z2，z3，z4 ；zmin0 = 72.54mm測(cè)量次數(shù)Z1Z2Z3Z4193.04113.50135.30156.10293.12113.86135.60156.40392.96113.48135.44156.32則由式（2-4）計(jì)算出波導(dǎo)波長(zhǎng)。g = 42.79mm用頻率計(jì)測(cè)量信號(hào)源工作頻率：通過定向耦

10、合器將一部分微波能量分配至頻率測(cè)量支路，吸收式頻率計(jì)連在定向耦合器和檢波器之間。當(dāng)吸收式頻率計(jì)失諧時(shí)，微波能量幾乎全部通過頻率計(jì)，此時(shí)選頻放大器指示最大。慢慢調(diào)節(jié)吸收式頻率計(jì)，當(dāng)調(diào)至頻率計(jì)諧振狀態(tài)時(shí)，一部分能量被頻率計(jì)吸收，使選頻放大器指示最小，此時(shí)讀得吸收式頻率計(jì)上指示的頻率即為信號(hào)源工作頻率?？蓪y(cè)量結(jié)果與用波導(dǎo)波長(zhǎng)換算的結(jié)果進(jìn)行比較。理論值： 由式（2-5）計(jì)算工作波長(zhǎng) = 31.44mm 由式（2-6）計(jì)算信號(hào)源工作頻率 f = 9.54GHz測(cè)量頻率 f1f2f2(GHz) 9.47 9.474 9.478 思考：測(cè)量線為什么在波導(dǎo)中心線開槽？因?yàn)榫匦尾▽?dǎo)中的主模為 TE10 模,

11、由TE10 模的管壁電流分布可知,在波導(dǎo)寬邊的中心線處只有縱向電流。所以沿波導(dǎo)寬邊的中線開槽不會(huì)因切斷管壁電流，也不會(huì)影響波導(dǎo)內(nèi)的場(chǎng)分布,波導(dǎo)內(nèi)電磁波也不會(huì)在開槽口處向外輻射能量。實(shí)驗(yàn)體會(huì)通過本次實(shí)驗(yàn)，我充分的了解了/4 阻抗變換特性，利用/4 來(lái)測(cè)量微波波導(dǎo)波長(zhǎng)和信號(hào)源頻率，測(cè)量線的調(diào)整并非易事，需反復(fù)調(diào)節(jié)，需要耐心方可找到較佳的測(cè)量點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)三 微波駐波、阻抗特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 學(xué)會(huì)駐波比的測(cè)量；（2） 學(xué)會(huì)反射系數(shù)的測(cè)量；（3）學(xué)會(huì)輸入阻抗的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)原理在任何的微波傳輸系統(tǒng)中，為了保證傳輸效率，減少傳輸損耗和避免大功率擊穿，必須實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配。描述系統(tǒng)匹配程度的參數(shù)有電壓駐波比和復(fù)反

12、射系數(shù)。一、 駐波比及反射系數(shù)的測(cè)量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)系為而終端復(fù)反射系數(shù)的模值|l| 與駐波比有如下關(guān)系： 終端反射系數(shù)的相位l 與節(jié)點(diǎn)位置zminn 有以下關(guān)系：根據(jù)波導(dǎo)主模特性阻抗 及測(cè)得的駐波比和第一波節(jié)點(diǎn)位置zmin1 可得終端負(fù)載阻抗為（參見教材P28）： 其中， 。根據(jù)以上公式就可以利用測(cè)量線測(cè)得駐波比、復(fù)反射系數(shù)，進(jìn)而算出輸入阻抗和負(fù)載阻抗。實(shí)驗(yàn)步驟1 等效參考面的選取與波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量（1）將測(cè)量線調(diào)至最佳工作狀態(tài)；（2）終端接短路片，從負(fù)載開始，旋轉(zhuǎn)測(cè)量線上的探針位置，實(shí)現(xiàn)頻繁大器指示最小，此時(shí)即為測(cè)量線等效短路面，記錄此時(shí)的探針

13、位置，記作 zmin0 ；（3） 實(shí)驗(yàn)二的方法測(cè)出波導(dǎo)波長(zhǎng)。zmin0 = 73.00mm zmin1= 94.36mm zmin2 = 116.70mm由式（2-4）計(jì)算出波導(dǎo)波長(zhǎng)。g = 43.21mm2 駐波比測(cè)量終端接上待測(cè)負(fù)載，探針從zmin0 開始向信號(hào)源方向旋轉(zhuǎn)，依次得到指示最大值和最小值三次，記錄相應(yīng)的讀數(shù)，查晶體檢波器曲線得相應(yīng)的Umin和Umax 。測(cè)量次數(shù)IminUminImaxUmax1165mA0.92300mA0.992164mA0.92286mA0.993170mA0.93305mA0.99 由 計(jì)算得 = 1.073 反射系數(shù)的測(cè)量終端接上待測(cè)負(fù)載，探針從zmin0 開始向信號(hào)源方向旋轉(zhuǎn)，記錄波節(jié)點(diǎn)的位置zminn 。測(cè)量次數(shù)Zmin1Zmin2Zmin3190.50111.84133.46289.78111.72133.64 因?yàn)?即 |i | = 0.033 又