微波技術實驗

微波技術實驗微波技術是近代發(fā)展起來的一門尖端技術,以其高效、均勻、節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點受到普遍關注,在科學研究中也是一種重要的觀測手段,并廣泛應用于國防軍事、科學研究、醫(yī)療衛(wèi)生等領域。隨著社會向信息化、數(shù)字化的邁進,作為無線傳輸信息的主要手段,微波技術將發(fā)揮更為重要的作用。本實驗旨在通過觀測微波的產生和傳播的特性,使同學們了解微波的基本知識,掌握常用微波元器件的原理和使用方法,學習若干種微波測量方法,并理解微波通信的基本原理,為從事與微波有關的工作打下基礎。一、微波的性質微波是無線電波中波長最短的電磁波,其波長在1mm~1m范圍,頻率范圍處于光波和廣播電視所采用的無線電波之間,為300MHz~300GHz。微波又分為分米波、厘米波和毫米波。微波具有電磁波的一切特性,但因其波長的特殊性,微波在產生、傳輸、接收和應用等方面跟其他波段很不相同,具有下述幾個獨特的性質,主要表現(xiàn)在:(1波長短。其波長比地球上一般物體的幾何尺寸小得多或在同一數(shù)量級上,具有直線傳播的特性。利用這個特點能在微波波段制成方向性極強的無線系統(tǒng),也可以接收到地面和宇宙空間各種物體發(fā)射回來的微弱回波,從而確定物體的方位和距離,廣泛用于通信、雷達、導航等領域。(2頻率高。微波的頻率很高,電磁振蕩周期(10-9~10-12s很短,與電子在電真空器件中的渡越時間相似。因此,低頻的電子器件在微波階段都不能使用,而必須采用原理上完全不同的微波電子管、微波固體器件和量子器件來代替。在不太大的相對帶寬下可用帶寬很寬,所以信息容量大。此外,作為能量,可用于微波加熱、微波武器等。(3量子特性。在微波波段,電磁波每個量子的能量范圍大約是10-6~10-3eV,能被很多的原子分子吸收或發(fā)射,成為研究物質結構的重要手段,發(fā)展了微波波譜學和量子電子學等尖端學科,并研制了低噪音的量子放大器和極為準確的分子鐘與原子鐘。(4似光性,微波介于一般無線電波與光波之間,它不僅具有無線電波的性質,還具有光波的性質,以光速直線傳播,有反射、衍射、干涉等現(xiàn)象。(5在微波波段的電波能穿透電離層。微波可以暢通無阻地穿越地球上空的電離層,為衛(wèi)星通訊、導航、定位及射電天文學的研究和發(fā)展提供了廣闊的前景,進行外太空通信(衛(wèi)星、宇航、射電天文學等。綜上所述,微波的基本性質通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。不論在處理問題時運用的概念和方法上,還是在實際應用的微波系統(tǒng)的原理和結構上,都與普通無線電不同。而且,微波實驗是近代物理實驗的重要組成部分,在研究方法上不像無線電那樣去研究電路系統(tǒng)中的電壓和電流,而是研究微波系統(tǒng)中的電磁場,以波長、功率、駐波比等特性作為基本測量參量。二、微波的傳輸特性1.矩形波導中的TE10波在微波波段,為了避免導線的輻射損耗和趨膚效應等影響,一般采用波導管(微波在設備內傳遞的通道作為微波傳輸線。矩形波導管是較常用的傳輸線,它能傳輸各種波型的橫電波(TE波和橫磁波(TM波。在本實驗中,使用的標準矩形波導管為通常教學上使用的“3厘米”波導管,其采用的傳輸波型是TE10波,即只傳輸單一波型。該波型具有單模傳輸、頻帶寬、低損耗、模式簡單穩(wěn)定、易于激勵和耦合等優(yōu)點,因此應用廣泛。設矩形波導管內壁為理想導體且波導管沿z軸方向為無限長,截面寬邊為a、窄邊為b,電磁波以圓頻率ω自波導開口端沿z軸方向傳輸。由Maxwell'sequations可得矩形波導中TE10波的各電磁場分量為:(((?????????????=?????=?????-===?????=---0cossin0sin0200yztjzztixzxztiyHeaxEaiHeaxEHEEeaxEEβωβωβωπωμππωμβπ其中,常用來描述電磁波在波導管中傳播時的傳輸特性參量有:電磁波的圓頻率:μεβω=;相移常量:gλπβ2=;波導波長:21?????-=cgλλλλ;截止(臨界波長:ac2=λ;電磁波在自由空間的波長:νλc=,ν為電磁波的頻率。TE10波整體場結構分布如圖1所示,其具有以下特性:(10=zE,0≠zH,即電場垂直于波導的寬邊(因此是線偏振的,磁場平行于波圖1TE10波的場結構透視圖導的寬邊。電力線從一導體壁出發(fā),終止在另一導體壁上;磁力線則環(huán)繞電力線,形成閉合曲線。電場只存在橫向分量,即始終垂直于波導中波的傳播方向;磁場則既有橫向分量,也有縱向分量。這是與自由電磁波不同的,自由電磁波的電場和磁場都只有橫向分量。(2yE沿x方向為一個駐立半波,沿y方向為均勻分布;(3電磁場沿z方向為行波狀態(tài),在該方向,電磁場分量yE與xH的分布規(guī)律相同(即yE最大處xH也最大,yE為零處xH也為零,yE與zH的位相則相差2π。(4存在有一個臨界波長ac2=λ,只有其自由空間的波長cλλ<的電磁波才能在此寬邊為a的矩形波導管中傳播。同時,由于gλλ<,因此TE10波的相速cfvgp>=λ。由以上可以看出“TE10”波的含義:“TE”表明電場縱分量0=zE,第一個角標“1”表明場沿波導寬邊只有一個最大值,即形成一個駐波;第二個角標“0”表明場沿波導窄邊沒有變化。2.微波傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)為描述電磁波在波導管中的傳輸狀態(tài),引入反射系數(shù)與駐波比的概念。反射系數(shù)Γ定義為:φjireEEΓ==Γ駐波比ρ定義為:minmaxEE=ρ其中,maxE和minE分別為波腹和波節(jié)處電場的大小。在實際應用中,波導傳輸線并非是無限長,此時波導中的電磁波由入射波與反射波疊加而成,傳輸線中的工作狀態(tài)主要取決于終端負載的情況:(1波導終端接匹配負載時,傳播到終端的電磁波的所有能量全部被負載吸收,無反射波,電磁波在波導中呈行波狀態(tài)。此時,0=Γ,1=ρ;(2波導終端接短路器(或理想導體板、純電抗性負載時,形成全反射,電磁波在波導中呈純駐波狀態(tài)。此時,1=Γ,∞=ρ;(3終端接一般性負載(有電阻又有電抗,如實驗中用到的失配負載時,形成部分反射,電磁波在波導中呈行駐波狀態(tài),即所謂混合波。此時,10<Γ<,∞<<ρ1。三、常用微波元件及設備簡介1.微波振蕩器微波振蕩器(微波源是產生微波信號的裝置,常見的有磁控管振蕩器、速調管振蕩器和固態(tài)振蕩器幾種。本實驗中采用的微波源是反射式速調管振蕩器。反射式速調管是一種微波電子管,利用速度調制方法改變在交變電磁場中電子流的運動速度,從而將直流能量轉換為微波能量。它的輸出功率是可以改變的,輸出頻率也能在一個范圍內改變,改變的手段就是改變反射電壓。當反射極電壓固定時,輸出的功率和頻率就是固定的。如果反射電壓在小范圍變動,則功率和頻率都可以在小范圍變動;如果反射電壓是任意波形,則功率和頻率就可以是各種各樣。因此根據(jù)速調管特性與反射電壓的這種密切關系,可以設計出各種調制方式來滿足不同的需要。2.波導管波導管是引導電磁波傳播的空心金屬管,一般是由銅或鋁等良導體材料制成,內表面光潔度要求很高,鍍銀后可提高導電率。波導管的加工非常精密,常用的有矩形和圓形兩種。本實驗所使用的波導管型號為BJ—100。如圖2所示,該矩形波導的寬邊定為x方向,內尺寸用a表示,窄邊定為y方向,其內腔尺寸用b表示,電磁波是沿z方向傳播。該矩形波導管的內腔尺寸為:86.22=amm,16.10=bmm。3.隔離器由于位于磁場中的某些鐵氧體材料對于來自不同方向的電磁波有著不同的吸收,因此,可以由鐵氧體材料制成隔離器。這是一種不可逆的衰減器,只允許微波單方向通過,對反方向傳播的微波呈電阻吸收,在傳輸中對微波具有單方向傳播的特性,其作用相當于普通電路中二極管。4.衰減器衰減器是一種電阻性器件,可分為固定式和可變式兩種,也可以分成吸收式衰減器、旋轉式極化衰減器以及過極限衰減器。實驗室常用吸收式可變衰減器,它是把一片能吸收微波能量的介質片縱向插入波導管,用以部分衰減微波的功率和電平,而且沿著寬邊移動吸收片可改變衰減量的大小,使輸入電磁波得到不同程度的衰減,從而調節(jié)輸出信號的強弱。5.頻率計(波長計頻率計(波長計是利用諧振腔來測量微波頻率的元件,用得較多的是“吸收式”諧振頻率計。該頻率計通常選用同軸或圓柱波導為諧振腔,其腔體通過耦合元件耦合到一段直波導上,電磁波通過耦合孔從波導進入頻率計的空腔中,移動諧振腔一端活塞的位置,來改變諧振腔的長度,可以改變諧振腔的固有頻率。這種結構方式可由活塞在腔體中位移距離來確圖3衰減器圖2矩形波導管定電磁波的頻率。6.駐波測量線駐波測量線是測量微波傳輸系統(tǒng)中電場強弱分布的精密儀器,可分為測量電場和測量磁場兩種,實驗室常用第一種。當波導內傳輸TE10波時,波導內壁表面將出現(xiàn)高頻電流,電流線與磁力線垂直。寬邊的中心線處的電流線與z軸平行,沿此中心線開一條槽線則不會切斷電流線影響波導內TE10波的傳輸。利用這一特點,實驗用的駐波測量線主要由一段沿縱向開有狹槽的直波導與一個帶有微波晶體檢波器的探針組成,探針經(jīng)狹槽伸入波導中。由于探針與電場平行,電場的變化在探針上感應出的電動勢經(jīng)過晶體檢波器變成電流信號輸出,則可以提取微波功率以測量微波電場強度的幅值沿軸線的分布規(guī)律,探針的位置則可由測量線上附的標尺或測微計讀出。7.晶體檢波器晶體檢波器的檢波晶體可將微波信號轉換成直流信號來檢測,其核心元件是采用半導體點接觸的二極管。從波導的寬壁中點耦合出兩寬壁間的感應電壓,經(jīng)微波二極管進行檢波,調節(jié)其短路活塞位置,可使檢波管處于微波的波腹點,以獲得最高的檢波效率。通常還配有三個調節(jié)螺絲,用來改變檢波器同波導的匹配。本實驗中采用二極管平方律檢波:把二極管垂直于波導的寬面放置,微波電場在二極管兩端施加周期性電壓,二極管輸出半波整流信號,該信號的直流分量正比于微波電場幅度的平方,即正比于微波功率。因此,用直流電流表的讀數(shù)表示功率的相對大小。在小功率下,是很好的近似。8.選頻放大器選頻放大器為實驗室用測量儀器,本儀器用于測量微弱低頻信號,配合微波測量線測量駐波系數(shù),配合微波檢波器進行衰減測量等。信號經(jīng)升壓、放大,選出1KHz附近的信號,經(jīng)整流平滑后由輸出級輸出直流電平,由對數(shù)放大器展寬供給指示電路檢測。9.傳輸式諧振腔傳輸式諧振腔是一個封閉的金屬導體空腔,由一段標準矩形波導管,在其兩端加上帶有耦合孔的金屬板,就可構成一個傳輸式諧振腔。圖5檢波器結構示意圖圖4駐波測量線10.匹配負載匹配負載通常做成波導管的形式,管內裝有很好地吸收微波能量的介質片或吸收材料,它幾乎能全部吸收入射功率,即可認為無反射。11.短路器微波入射到短路器的短路面時將形成全反射。本實驗中采用的短路器有兩種:一種是短路面可調動的短路活塞,另一種是短路面不能調動的短路板。12.環(huán)行器環(huán)行器是可以使微波能量按一定順序傳輸?shù)蔫F氧體器件,主要結構為波導Y形接頭,在接頭中心安置有鐵氧體圓柱。當能量從其中一個端口輸入時,只能從相鄰一側端口輸出,而相鄰另一側的端口則隔離,即能量傳輸方向為單向環(huán)行。實驗一微波測試系統(tǒng)的認識與調試【實驗目的】1.熟練認識若干微波元器件,掌握微波測試系統(tǒng)各組件的調整和使用方法。2.了解微波振蕩管――反射速調管振蕩器特性。3.掌握測量微波功率和頻率的基本方法?！緦嶒炂鞑摹课⒉▽嶒炏到y(tǒng)(DH406A0型【實驗原理】1.微波測量系統(tǒng)的基本組成2.反射速調管的振蕩特性反射速調管一般有三種工作狀態(tài):連續(xù)振蕩狀態(tài);方波(或矩形波脈沖調幅狀態(tài);鋸齒波(或正弦波調頻狀態(tài)。連續(xù)振蕩狀態(tài)就是在反射極不加任何調制電壓時,反射速調管處于某一振蕩點反射極電壓時的工作狀態(tài)。在這種工作狀態(tài)下,檢波輸出為直流信號,需要直流微安表或光電檢測。用方波調幅時,在反射極上除加有一定的直流電壓RU外還加有方波調制電壓。此時調制電壓應為嚴格的方波,且要選擇合適的反射極電壓的直流工作點,使得調制電壓波形的一個半周處在兩個振蕩模的不振蕩區(qū)域內,而另一個半周使速調管處在振蕩模的功率最大點,處于振蕩區(qū)域中心。這樣輸出穩(wěn)定,頻率單一,不會產生附加調頻。采用方波調制后,檢波輸出為方波,這樣就可以用選頻放大器放大,以提高測試靈敏度。在用鋸齒波調頻時,反射極電壓的直流工作點應選擇在某一振蕩模的功率最大點,即選在頻率變化曲線的當中。當鋸齒波的幅度比振蕩模的寬度小的多時,可得到近似線性的調頻信號輸出,且附加的調幅很小。當速調管處在調頻工作時,可用示波器觀測微波系統(tǒng)的動態(tài)特性。圖1微波測量系統(tǒng)3.功率的測量微波功率是表征微波信號強弱的一個物理量,本實驗中可采用吸收式微瓦功率計測量微波輸入功率,即將微波功率借助于能量轉換器轉換成易于測量的低頻或直流物理量,來實現(xiàn)微波功率的測量。功率計由功率探頭和指示器兩部分組成。探頭既用作熱電換能器,又作為吸收微波功率的匹配負載。在未輸入微波功率時,熱電堆節(jié)點之間沒有溫差,因而沒有輸出;當輸入微波功率時,熱電元件吸收微波功率使熱電堆的熱節(jié)點溫度升高,這就與冷節(jié)點產生溫差而引起溫差電動勢(微弱的直流勢,且該元件產生的直流電勢是與微波功率成正比例的,經(jīng)放大和定標后轉換為功率讀數(shù)示值。此外,在小功率情況下,當檢波電流不超過5~10微安時,檢波晶體管可定為平方律檢波,即檢流計測得的檢波電流與微波功率P成正比:IKPK是常數(shù)。其中,4.頻率測量微波的頻率是表征微波信號的一個重要物理量,測量方法通常有諧振法和頻率比較法,本實驗所測微波處于厘米波波段,可采用吸收型諧振腔式頻率計測得微波頻率,并可根據(jù)波長與頻率的關系得到微波在自由空間傳播的波長。頻率計腔體通過耦合元件與系統(tǒng)連接,形成一分路。當空腔失諧時,腔體內電磁場極弱,此時不吸收能量,基本不影響波導內電磁波的傳播,相應地接在終端的檢波器的示數(shù)保持恒定大小的信號輸出。反之,當電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時,即微波的頻率與腔體的固有頻率相同時,就會發(fā)生共振吸收,耦合進腔體的功率最大,相應地傳輸?shù)綑z波器的功率減小,接在終端的檢波器的示數(shù)將將出現(xiàn)明顯的跌落,調諧曲線如圖2所示。因此,測量時旋轉調諧活塞,在發(fā)生諧振時可從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時的刻度,從附表中查出對應的頻率,即可得知輸入微波的諧振頻率,同時利用波長與頻率的關系可以求出電磁波在自由空間的波長。圖2吸收式諧振曲線【實驗內容及步驟】1.微波測試系統(tǒng)的認識根據(jù)教師的講解及演示,認識測試系統(tǒng)中各個元器件,并熟悉實驗儀器的使用和調試。按圖1所示連接微波測量系統(tǒng),保證系統(tǒng)連接的平穩(wěn)。2.調節(jié)測量系統(tǒng)至工作狀態(tài)閱讀反射式速調管的使用說明書,按正確順序開啟微波信號源,調整信號源使其工作在方波調制狀態(tài)。左右移動測量線探針使選頻放大器有指示。3.微波頻率的測量調節(jié)頻率(波長計,使其產生諧振(即可觀察到信號幅度明顯減小的現(xiàn)象,記錄頻率計的讀數(shù),并查表(“3cm空腔波長表頻率刻度對照表”求得對應的微波頻率。將實驗數(shù)據(jù)填入表1。4.微波功率的測量測量功率時,必須先開機預熱功率計,并校正零點。測量時要注意恰當選擇探頭的衰減倍率,量程選擇要逐步由大到小,以免燒壞探頭;小量程時應經(jīng)常校正零點。將實驗數(shù)據(jù)填入表1。表1實驗二微波的傳輸特性【實驗目的】1.通過測量觀察測量線終端接不同負載(短路、開口、匹配負載等時系統(tǒng)中形成的駐波分布情況。2.掌握用直接法測量負載駐波比的方法。3.掌握用交叉讀數(shù)法測波導波長的方法?！緦嶒炂鞑摹课⒉▽嶒炏到y(tǒng)(DH406A0型【實驗原理】一般說來波導管中存在入射波和反射波,而描述波導管中匹配和反射程度的物理量為駐波比或反射系數(shù)。由于終端負載不同,波導管中電磁場的分布情況也不同,可以把波導管的工作狀態(tài)歸結為三種狀態(tài),即行波狀態(tài)、純駐波狀態(tài)和行駐波(或混波狀態(tài)。實驗中在測量線終端安裝不同的負載(如圖1,則可通過測量線探針在開槽傳輸線中移動,將部分功率經(jīng)過晶體二極管檢波后由指示器顯示,從而判斷波導管中電場的分布情況。1.駐波比的測量駐波比的確定是微波傳輸特性測定中最基本的測量,其測量方法、儀器很多。本實驗主要利用測量線采用直接法測量負載的中、小駐波比。直接法測駐波比是一種最簡單而又最常用的方法,但這種方法不適用于大駐波比的測量,需要尋求其他的方法。如果駐波腹點和節(jié)點處經(jīng)由檢波指示器所指示的電表讀數(shù)分別為maxI和minI,且晶體二極管為平方律檢波,則:圖1微波測量系統(tǒng)ImaxImin（1-1）（1）當駐波比1.0051.5，且駐波的波腹和波節(jié)平坦不尖銳，難以準確測定時，為了提高測量精確度，可多測出幾個波腹和波節(jié)點的數(shù)據(jù)然后取平均值，即可按下式計算：Imax1Imax2ImaxnImin1Imin2Iminn（1-2）（2）當駐波比1.510時，則可按式（1-1）直接由測量數(shù)據(jù)計算。2．波導波長的測量波導中存在反射時就形成駐波，相鄰兩波腹或兩波節(jié)之間的距離即為半個波導波長，因此很容易利用駐波測量線測量該波長。一般說來，與波腹處相比，波節(jié)處電場強度的變化較尖銳，且當測量線探針穿入深度不大時，對波節(jié)處電場分布的影響甚微，所以利用駐波測量線比較容易判斷波節(jié)的準確位置。通?？捎媒徊孀x數(shù)法確定波導波長g。首先移動測量線的探針，找出波節(jié)點的大致位置（如x1，x2）和選頻放大器指示Umin的大小，然后再確定波節(jié)點兩側選頻放大器指示值，則：相等時探針所在的位置（如圖1中的x1，x1和x2，x2）1(x1x121x2(x2x22x1波導波長則由兩個鄰近波節(jié)的距離決定：x2x1則：111(x2x2(x1x1g222圖1交叉讀數(shù)法測量波導波長g(x2x2(x1x1【實驗內容及步驟】1．調節(jié)測量系統(tǒng)至工作狀態(tài)保證測量系統(tǒng)平穩(wěn)連接，調整信號源使其工作在方波調制狀態(tài)。調整信號的輸出大小，調節(jié)選放增益檔，使選頻放大器的指示顯示大于2/3量程。用頻率計配合信號源上的調諧旋鈕，將微波信號調整至9000MHz左右，使系統(tǒng)