電磁場微波實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(電子專業(yè))(1)中國民航大學(xué),cauc

1、電磁場、微波測量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)許明妍 編班級：111044C 班學(xué)號：111044309姓名：賈二超中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院二零一三年十二月- 0 -、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)電磁波參量的測量(1)在學(xué)習(xí)均勻平面電磁波特性的基礎(chǔ)上，觀察電磁波傳播特性如 E、H和S互相垂直。(2 )熟悉并利用相干波原理，測定自由空間內(nèi)電磁波波長，并確定電磁波的相位常數(shù)和波速 。(3 )了解電磁波的其他參量，如波阻抗等。二、實(shí)驗(yàn)儀器DH1211型3cm固態(tài)源1臺DH926A型電磁波綜合測試儀XF-01PX-16三、實(shí)驗(yàn)原理選頻放大器1臺 型頻率計(jì)兩束等幅、I 于初始相位不同,同頻率的均勻平面電磁波,它們相互干涉的結(jié)果，2在自由

2、空間內(nèi)從相同(或相反)方向傳播時，由在傳播路徑上形成駐波分布。通過測定駐波場節(jié)點(diǎn)的分布，求得波長的值，由f得到電磁波的主要參數(shù):- 13 -.在-焊冬非，評應(yīng)!叩吃;訃存,語刊矣氓輕矯舗j- - - . UJ- b - . H幺匸1幣M吳匕VHHi加J10 ef.r-.Z-/小I T : V.t !Ao -設(shè)Po入射波為：EiEoie j當(dāng)入射波以入射角向介質(zhì)板斜投射時，在分界面上產(chǎn)生反射波Er和折射波Ei。設(shè)入射波為垂直極化波，用R表示介質(zhì)板的反射系數(shù),用To和T表示由空氣進(jìn)入介質(zhì)板和由介質(zhì)板進(jìn)入空氣的折射系數(shù)?？蓜影錚r2和固定板Pri都是金屬板，其電場反射系數(shù)為-1,則F3處的相干波分別

3、為:EriRT oT Eie j 1(LriLr3)LiEr2R T 0T Eie j 2(Lr2Lr3)(Lr3 VLLri)其中,L |L2 Li|因?yàn)長i是固定值，L2則隨可動板位移VL而變化。當(dāng)F2移動VL值時，使Pr3具有最大輸出指示時，則有Eri和Er2為同相疊加；當(dāng)F2移動VL值，使巳具有零值輸出指示時,必有Eri和Er 2反相。故可采用改變 Pr2的位置，使 只3輸出最大或零指示重復(fù)出現(xiàn)。在P3處的相干波合成ErEriEr2RToT Ej(e 1 e i2)12j(-或?qū)懗?Er2RiT 0T Ei cos()e2式中V 12 VL為測準(zhǔn)入值，一般采用Pr3零指示辦法，即cos

4、(V-)0 或n=0.1.2.n表示相干波合成駐波場的波節(jié)點(diǎn)（Er 0 ）處。除n=0以外的n值,表示相干波合成駐波的半波長數(shù)。將n=0時Er 02的駐波節(jié)點(diǎn)作為參考位置|0：V V故(2n 1)VL四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）了解并熟悉電磁波綜合測試儀的工作特點(diǎn)，使用方法，特別要熟悉與掌握利用相干波 原理測試電磁波波長的方法了解3cm固態(tài)源的使用方法和正確操作。（2）電磁波E、H和S三者符合右手螺旋規(guī)則，向vvPr3傳播的波應(yīng)有：E= y Ey ,H=- x H xS=EH=ZEyHx=ZE2測量值移動可動板Pr2，測In值，根據(jù)測得值，計(jì)算的值。（單位：mm）l01l02l11l12l21l22l3

5、1l3257.2340.3340.3323.9123.916.2057.236.20l 0l1l2l316.916.4217.7117.01數(shù)字頻率計(jì)指示f0MHz030 mm微安表零指示n 14可移動板總位移Vl l3 l051.03 mm自由空間波長2Vl-34.02 mmn波的相位常數(shù)2-0.185自由空間波速f 0 - m/s一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)三微波工作波長的測量1. 熟悉測量線的使用方法。2. 掌握工作波長測量的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 測量系統(tǒng)的連接與調(diào)整進(jìn)行微波測量，首先必須正確連接與調(diào)整微波測試系統(tǒng)。圖 波測試系統(tǒng)，信號源通常位于左側(cè)，待測元件接在右側(cè)，以便于操作。 件接頭對準(zhǔn)。晶

6、體檢波器輸出引線應(yīng)遠(yuǎn)離電源和輸入線路，以免干擾。 將會影響測量精度，產(chǎn)生誤差。3-1示出實(shí)驗(yàn)室常用的微連接系統(tǒng)平穩(wěn)，各元如果系統(tǒng)連接不當(dāng)，選頫 玻大5#圖3- 1微波測試系統(tǒng)信號源的調(diào)整包括振蕩系統(tǒng)調(diào)整主要指信號源和測量線的調(diào)整以及晶體檢波器的校準(zhǔn)。頻率、功率電平及調(diào)制方式等。本實(shí)驗(yàn)討論駐波測量線的調(diào)整和晶體檢波器的校準(zhǔn)。2. 測量線的調(diào)整及波長測量(1) 駐波測量線的調(diào)整它在微波測量中用途很廣，如測駐波、阻駐波測量線是微波系統(tǒng)的一種常用測量儀器，抗、相位、波長等。、傳動測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)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，

7、其作用相當(dāng)于在線上并聯(lián)一個導(dǎo)納，從而影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。為了減小其影響，測試前必須仔細(xì)調(diào)整測量線。實(shí)驗(yàn)中測量線的調(diào)整一般包括選擇合適的探針穿伸度、調(diào)諧探頭和測定晶體檢波特性。探針電路的調(diào)諧方法：先使探針的穿伸度適當(dāng)，通常取1.01.5mm。然后測量線終端接匹配負(fù)載，移動探針至測量線中間部位，調(diào)節(jié)探頭活塞，直到輸出指示最大。(2) 波長測量測量波長常見的方法有諧振法和駐波分布法。a. 用諧振式波長計(jì)測量。調(diào)諧波長計(jì)，使得指示器指針達(dá)到最大值，記錄此時的波長計(jì)刻度，查表，確定波長計(jì)諧振頻率，再根據(jù)彳f，計(jì)算出信號源工作波長。(3 2)計(jì)算出工作b. 用駐波測量線測量，當(dāng)測量線終端短路時，傳輸線上形

8、成純駐波，移動測量線探針, 測出兩個相鄰駐波最小點(diǎn)之間的距離，即可求得波導(dǎo)波長，再根據(jù)公式 波長。c. 將精密可調(diào)短路器接在測量線的輸出端，置測量線探針于某一波節(jié)點(diǎn)位置不變，移 動可調(diào)短路器活塞， 則探針檢測值隨之由最小逐漸增至最大，然后又減至最小值， 即為相鄰的另一個駐波節(jié)點(diǎn)，短路器活塞移動的距離等于半個波導(dǎo)波長。在傳輸橫電磁波的同軸系統(tǒng)中，按上述方法測出的波導(dǎo)波長就是工作波長，即P而在波導(dǎo)系統(tǒng)中，測量線測出的是波導(dǎo)波長p,根據(jù)波導(dǎo)波長和工作波長之間的關(guān)系式:p式中c(a b 22.86 并測出幾個波長, 的兩個對應(yīng)位置 所示。d0i2(diidi2)(3 3)d022(d2i d22)(3

9、 4)(35)p圖32交叉讀數(shù)法測量駐波節(jié)點(diǎn)位置2d0i d02(3 1)便可算出工作波長(32)2a , a 波導(dǎo)寬邊尺寸，本系統(tǒng)矩形波導(dǎo)型號為 BJ-iOO i0.i6mm2),為了提高測量精度，通常采用交叉讀數(shù)法確定波節(jié)點(diǎn)位置， 求其平均值。所謂交叉讀數(shù)法是指在波節(jié)點(diǎn)附近兩旁找出電表指示數(shù)相等dii , di2 , d2i , d22，然后分別取其平均值作為波節(jié)點(diǎn)位置，如圖3. 晶體檢波器特性的測定檢波電流與加在晶體二極管上的電壓關(guān)系為:(36)I CU n2式中n是晶體二極管檢波律；如 n 1,1 |U|，稱線性檢波；當(dāng)n 2,I |U|，稱平方律 檢波。二極管檢波特性隨其端電壓大小而

10、變化，當(dāng)其端電壓較小時， 呈現(xiàn)出平方律；端電壓較U U2時大時，呈現(xiàn)出線性規(guī)律，如圖33所示。由圖可見，在U Uj范圍內(nèi)近似線性； 呈平方律；處在U2 U U,范圍內(nèi)，檢波律n不是整數(shù)。因此加在晶體管兩端電壓變化幅 度較大時，n就不是常數(shù)，所以在精密測量中必須對晶體檢波律進(jìn)行標(biāo)定。測量線探針在波導(dǎo)中感應(yīng)的電動勢（即晶體二極管兩端電壓 U）與探針?biāo)谔幍碾妶?EI C En成正比，因而，檢波電流和波導(dǎo)中的場強(qiáng)同樣滿足關(guān)系式：(3-7)n。當(dāng)n= 2時，該故要從檢波電流讀數(shù)值決定電場強(qiáng)度的相對值，就必須確定晶體檢波律 檢波電流讀數(shù)即為相對功率指示值。晶體檢波律基本為平方律,實(shí)驗(yàn)中，大多數(shù)微波測試系

11、統(tǒng)屬于小信號工作狀態(tài)，因此， 如果不是精密測量，可取 n = 2。三、實(shí)驗(yàn)儀器及裝置圖遑 HI 啟大ttM ft復(fù)CRM軒圖3-4測試裝置圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.調(diào)整測量線1.1參照圖3 4連接各微波元件。1.2測量線終端接晶體檢波架，調(diào)整微波信號源使獲得最佳方波調(diào)制輸出功率。1.3調(diào)整測量線：（1）測量線終端接匹配負(fù)載，并將探頭晶體檢波輸出端接選頻放大器。（2）轉(zhuǎn)動探頭上部的調(diào)節(jié)螺母來調(diào)整探針插入深度，其讀數(shù)由頂部標(biāo)尺刻度指示（單位為mm）。插入深度取11.5mm。調(diào)諧探針回路（調(diào)銀白色活塞），使指示器讀數(shù)最大，再調(diào)諧檢波回路（黑色活塞），使指示器讀數(shù)最大。2.工作波長的測量2.1用波長計(jì)測

12、量工作頻率，記錄數(shù)據(jù)，隨即失諧頻率計(jì)。表3 1波長計(jì)測量工作波長信號源工作頻率波長計(jì)刻度查表對應(yīng)工作頻率工作波長kHZ5.899214KHZ32.56mmd11 , d12，將探針移動相鄰的波節(jié)點(diǎn)上，用同樣的方法 p，由式（32）計(jì)算工作波長，將上述測量和計(jì)算數(shù)據(jù)2.2測量線終端換接短路板，移動探針至駐波節(jié)點(diǎn)，然后在此波節(jié)點(diǎn)兩邊以一個適當(dāng)?shù)?讀數(shù)為參考，記下相應(yīng)探針的位置 讀取d21 , d22，并計(jì)算波導(dǎo)波長 填入表32。d11d12d01d21d22d02p159.4159.2159.3131.6131.3131.4555.735.08表3 2單位：mm計(jì)算P和2.3將精密可調(diào)短路器接在測

13、量線的輸出端，置測量線探針于某一波節(jié)點(diǎn)位置不變，移 動可調(diào)短路器活塞，在波節(jié)點(diǎn)兩邊以一個適當(dāng)?shù)淖x數(shù)為參考，記下相應(yīng)探針的位置d11 ,d12，將探針移動相鄰的波節(jié)點(diǎn)上，用同樣的方法讀取 式（2 2）計(jì)算工作波長，將數(shù)據(jù)填入表33。d21 , d22，并計(jì)算波導(dǎo)波長P，由單位：mm表33計(jì)算 p和d11d12d01d21d22d02p27.74622.41825.0825.4290.2882.85844.4431.87五、思考題1. 閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，了解測量線的調(diào)整方法。六、注意事項(xiàng)1. 測量波導(dǎo)波長或其它微波參量時，測量線探針位置及短路活塞位置必須朝一個方向 移動，以免引起回差。2. 當(dāng)微波信

14、號源工作頻率改變時，測量線必須重新調(diào)整。實(shí)驗(yàn)四電壓駐波比的測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諟y量大、中電壓駐波比的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理電壓駐波比（簡稱駐波比）是傳輸線中電場最大值與最小值之比，表示為:(4 1)I Emax|lEmini測量駐波比的方法及儀器很多，本實(shí)驗(yàn)討論用駐波測量線，根據(jù)直接法，等指示度法 測量大、中電壓駐波比。1.直接法4 1）直接求出電壓駐直接測量沿線駐波的最大和最小場強(qiáng)（參見圖4- 1）,根據(jù)式（波比的方法稱直接法。該方法適用于測量中、小駐波比。圖4 1無耗線上的駐波圖如果駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)處指示電表讀數(shù)分別為1 max和1 min，日日體二極管為平方律檢波，則式（4- 1）成為：1.5

15、時，駐波的最大值和最小值相差不大，且波腹， 以準(zhǔn)確測定。為了提高測量精度，可移動探針測出幾個波腹和波節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù), 值。當(dāng)駐波比1.05（4 2）波節(jié)平坦，難然后取其平均I 1 max1 1 max2 L 1 maxn1 1 min1 1 min 2 L 1 min n(4 3a)當(dāng)駐波比1.5或一1(匹1n I min1j I max2 L I I maxn) y I min2y I min n(4 3b)6時，可直接測量場強(qiáng)最大值和最小值。2. 等指示度法等指示度法測量適用于大、中電壓駐波比（6 ）。如果被測件駐波比較大，駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)電平相差懸殊，因而測量最大點(diǎn)和最小點(diǎn)電平時，使晶體工作在

16、不同的檢波律，若仍按直接法測量駐波比誤差較大。等指示度法是測量駐波圖形節(jié)點(diǎn)兩旁附近的駐波分布規(guī) 律，從而求得駐波比的方法，因此能克服直接法測量的缺點(diǎn)。（測a線標(biāo)尺讀數(shù)）出圖42等指示度法如圖4 2，設(shè)Imin為駐波節(jié)點(diǎn)指示值, 為等指示度之間的距離，終端反射系數(shù)為1左，則：I右為駐波節(jié)點(diǎn)相鄰兩旁的等指示值,2kn（I 左或右 肩（Imin2 WI I cos)p(nr(4 4a)根據(jù) COS 2cos21 ,及式11，可得:1kcos2e=W)sinW)P(4 4b)當(dāng)探頭為晶體平方律檢波,I左或右=2Imin時，駐波比按式（3 4C）計(jì)算，這種方法也(4 4c)當(dāng) 10時，sin（理）很小，

17、則式（3 4C）可簡化為:P(4 5)3. 功率衰減法功率衰減法適用于任意駐波比的測量， 置上的電平差，從而測出駐波比。改變測量系統(tǒng)中精密可變衰減器的衰減量, 數(shù)相同，則駐波比可用下式計(jì)算：它用精密可變衰減器測量駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)兩個位使探針位于駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)時指示電表的讀AmaxAmin10 20(4 6)式中，Amax , Amin分別為探針位于波腹和波節(jié)點(diǎn)時精密衰減器衰減量。三、實(shí)驗(yàn)儀器及裝置圖如圖4 3所示。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.微波測試系統(tǒng)的調(diào)整稱為“二倍最小值法”或“三分貝法”。4.功率衰減法-15 -1.21.3電平，使晶體工作在平方律檢波范圍內(nèi)。速除放大）1按圖33檢查測試系統(tǒng)，測

18、量線終端接檢波架，開啟電源，預(yù)熱各儀器。按操作規(guī)程使信號源工作在方波調(diào)制狀態(tài)，并獲得最佳輸出。調(diào)整測量線，調(diào)整探針電路，檢波電路，使測量線工作在最佳狀態(tài)。調(diào)整輸入功率倍號恥2羅養(yǎng)購卅曾罟圖43測試裝置圖1.4用直讀式頻率計(jì)測量工作頻率f0，記錄數(shù)據(jù)。1.5測量線終端接短路板，用交叉讀數(shù)法測量兩個相鄰波節(jié)點(diǎn)位置，計(jì)算波導(dǎo)波長重復(fù)五次，將數(shù)據(jù)記于表 4- 1中，取平均值作為P。l01l02l11l12l21l22l31l32P778599.8106.9122.3130.414815547l011l2I381103.35126.35151.5單位：mm表4 1波導(dǎo)波長 P2.用直接法測量開口波導(dǎo)及單

19、螺釘?shù)碾妷厚v波比。2.1測量線終端開口，移動探針至駐波腹點(diǎn)，調(diào)整指示器靈敏度，使指示電表讀數(shù)達(dá)滿 度（或近滿度，“100”或“ 90”）。2.2分別測定駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的幅值 Imax和Imin，列表4-2記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算 。表4-2駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的幅值指示計(jì)讀數(shù)12341 max615960633.835I .min53452.3測量線終端接單螺釘（旋入 4mm）和匹配負(fù)載，重復(fù)步驟2.1 , 2.2,并測量兩次，列表記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算。3.用等指示度法測量單螺釘?shù)碾妷厚v波比。3.1調(diào)節(jié)單螺釘穿伸度約7mm，測量線探針移至駐波節(jié)點(diǎn)。調(diào)整可變衰減器，指示度靈敏度，必要時可調(diào)整測量線探針穿伸度（一般不調(diào)

20、），使指示電表讀數(shù)接近 “ 40”或“50”,讀取駐波節(jié)點(diǎn)幅值Imin。2 I min的兩個等指示度點(diǎn)，應(yīng) di和d2，重復(fù)五次，將數(shù)據(jù)3.2緩慢移動探針，在駐波節(jié)點(diǎn)兩旁找到電表指示讀數(shù)為 用測量線標(biāo)尺刻度讀取二個等指示度點(diǎn)對應(yīng)的探針位置讀數(shù)值 記于表4 3。3.3根據(jù)公式計(jì)算駐波比。表4-3等指示度法測駐波比次數(shù)nI min (%)2I min對應(yīng)的探針位置Wn |d2 d1(mm)W(mm)PWd1(mm)d2(mm)179.7778582104.399.8106.97.17.052.123126.3122.3130.48.14150.81481535表4 4可變衰減器讀數(shù)AmaxAmin

21、五、思考題1. 用等指示度法測量 W時，移動測量線探針位置應(yīng)注意什么?2. 推導(dǎo)公式（4 4a）, （4 4b）和（4 4c）。，為什么？如何在波導(dǎo)終端獲得一個真正的開口面，應(yīng)采3. 開口波導(dǎo)的駐波比用什么方法？六、實(shí)驗(yàn)報告要求1. 畫出實(shí)驗(yàn)裝置圖。2. 整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)五 定向耦合器特性的測量、實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯慷ㄏ蝰詈掀鞯奶匦浴６?、?shí)驗(yàn)原理通常有波導(dǎo)、同軸線、帶狀線及微帶定向耦合器是一種有方向性的微波功率分配器件，等幾種類型。定向耦合器包含主線和副線兩部分，在主線中傳輸?shù)奈⒉üβ式?jīng)過小孔或間隙等耦合元件，將一部分功率耦合到副線中去，由于波的干涉和疊加， 使功率僅沿副線中的一個方向傳輸（稱“正方

22、向”），而在另一方向幾乎沒有（或極少）功率傳輸（稱“反方向”- 21 -F4圖5 1定向耦合器原理圖定向耦合器的特性參量主要是:（1 ）耦合度，（2）方向性，（3）輸入駐波比，（4）帶寬范圍。1.耦合度及其測量輸入至主線的功率與副線中正向傳輸?shù)墓β手确Q為定向耦合器的耦合度C。C 10lgE(dB) 20lg U(dB)P3U 3(5- 1)式中，P、U1分別為主線輸入端的功率及電壓; 及電壓。P3、U3分別為副線正方向傳輸功率本實(shí)驗(yàn)測定某定向耦合器的耦合度。首先測量主波導(dǎo)輸入端的功率電平，然后將耦合器正向接入測量系統(tǒng)，參見圖 5- 2,測出副波導(dǎo)正向輸出端的功率電壓，在耦合度 公式（5- 1）計(jì)算。也可以改變精密可變衰減器衰減量，使兩種情況的檢測指示器讀數(shù)相等，則衰減器的讀數(shù)差即為耦合度C可根據(jù)C。圖5-2測量定向耦合器耦合度裝置圖2.方向性及其測量副線中正方向傳輸功率與反向傳輸?shù)墓β手确Q為定向耦合器的方向性D 10lg 空(dB) 20lg 土(dB)P4U 4(5-2)式中，P3、U3分別為耦合至副線正方向傳輸?shù)墓β始半妷? 線反方