计算机数据自动处理在微波实验中的应用Word格式.docx
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分米波段、厘米波段、毫米波段,本实验中将使用厘米波段微波,波长为3厘米[1]。
波长在1毫米以下至红外线之间的电磁波称为“亚毫米波”,这是一个正在开发的波段。
微波和低频率的电磁波(如中波、短波段的电磁波)虽都是电磁波家族的成员,但由于它的波长很短,使它具有许多特殊的性质[2]。
首先,微波的波长比许多常见的物体(如飞机、船舶、建筑物等)的几何尺寸要小得多。
在这种情况下,微波的传播就与光波很相似,即沿直线传播,遇到较小的物体就能发生反射。
其次,微波可以畅通无阻地通过大气高层的电离层。
因此是电磁波谱中的“宇宙窗户”。
另外,微波具有很宽的频率范围,可以用来传递大量的信息。
微波透入物体时产生的热作用也被广泛利用。
目前,微波技术在雷达、宇宙通讯、导航、射电天文学、电视、遥控遥测、生产和医疗等各方面都有着广泛的应用,而且成为发展尖端科学技术必不可少的手段[3]。
在微波波段,由于波长很短,以至和电路的尺寸相当或更小,因此电路中常用的处理问题的方法在这里已不适用,电压、电流的概念失去了确切的含义。
低频电路中通常采用集中参数元件,如电阻、电容、电感等。
在微波电路中则采用分布参数元件,如波导、谐振腔、测量线等,电磁场和电磁波的概念在这里显得重要起来,它是分析微波电路的根本方法[4]。
2微波测试系统
本实验所用的微波测试系统主要包括:
信号源、隔离器、波长计、精密衰减器、测量线、毫伏计和功率表等,图1为该实验系统框图,图2为实验系统实物图。
图1微波测试系统框图
图2微波测试系统实物图
2.1主要测量用器件功能介绍
2.1.1微波信号源
本实验采用XFL-2A型信号源、它可工作在连续和调制状态、并有外调制输入端,工作频率在8600——9600兆赫、输出功率大于7毫瓦。
信号源的方框图如图3所示。
图3信号源工作原理框图
速调管振荡器产生的高频振荡,沿波导管经过衰减器加到负载上。
该负载可与输出法兰盘连接(输出端最好外接隔离器,再与负载连接)。
振荡器输出的功率中有一部分经过定向耦合器,加到机内检波器检波,使机内微安表的指针偏转,机内波长表与定向耦合器的波导管耦合,当被测频率调至谐振时,波长表吸收能量最大,而使微安表的电流减少。
可变衰减器接于输出法兰盘与定向耦合器之间,它用来减少速调管振荡器供给输出法兰盘上的高频功率。
2.1.2波长计
通常微波频率的测量有许多方法,比较精确的是比较法,即通过将未知频率进行比较而测定未知频率,由于基准频率精度可以做得很高,因而测量的精度也很高,属于这方面的议表有微波外差式频率计,微波数字式频率计等。
但这些仪器很贵重,仅在精密测量中才使用。
实验中采用谱振式波长计来间接测量微波频率。
谐振式波长计如图4所示,它实际上是一个园柱型空腔,故也称为空腔谐振器。
它的输入端有一个耦合孔与波导管相联,测量时旋转手轮使活塞移动,可改变谐振腔的固有频率,当此固有频率与微波频率相同时,微波能量就会较多的被谐振腔吸收,因而到达晶体检波器的能量就减小了,因此可根据检波电流是否下降到最小值来判断谐振点,由于谐振腔有很高的Q值,因而测量的准确度可满足一般的需要。
波长计的刻度值一般需利用所附图表换算为频率值。
(a)(b)
图4谐振式波长计的工作原理
2.1.3精密衰减器
精密衰减器是一种能精确吸收微波功率的器件,它的结构是:
在一段波导管两端有法兰盘,波导内有一衰减片,可将微波能量转化为热能,该衰减片在波导管内可自由移动,当衰减片由波导管侧壁向波导中心移动时,波导内的衰减增大。
这是因为,波导内电场的分布是不均匀的:
在靠近波导管窄边的地方,电场强度最小;
愈向波导宽边中心,则电场强度愈,在波导中心,电场强度最大。
因此,改变衰减片的位置即可改变吸收微波功率的大小,如图5所示。
图5衰减器示意图
衰减器最大衰减量由衰减片的尺寸、吸收体的质量和成分所决定。
吸收片两端逐渐变尖以保证衰减器在整个工作波段和任何衰减量时驻波系数不超过1.2。
2.1.4测量线
测量线又称驻波测量仪,是微波测量中十分重要的器件,它是在一段矩形波导上,沿宽壁中心线沿轴向开出一条很窄的缝隙,有一个装在可动支架上的探针通过缝隙伸入波导中,它可由传动机构带动沿槽移动,检拾波导中的高频信号,其方向与波导中TE10波电场方向相平行,探针的穿深度可以通过调节上端的镙钉来控制,为了不影响波导内的场结构,探针不应穿入过深,一般以达波导窄边长度<
b>
的5-10%为宜。
探针与一个晶体检波器相连,经过晶体检波器把检波后的信号加到指示器上,当探针沿波导缝隙移动时,检波器的输出电流的变化即反映了波导内电场的分布情况,因而可以测出驻波比和波导波长等重要项目。
同时利用游标表尺(或百分表),就可测量出探针在波导中的相对位置和与其相对应的电场强度,由此便可确定各项有关被测参量。
测量线是十分精密的器件,它的机械加工要求很高,操作时动作要轻准确。
测量线的结构如图6所示。
图6测量线结构示意图
2.1.5晶体检波器
晶体检波器内部装有微波二极管,是一种非线性器件,它把微波信号转化为直流,以便于用检流计或示波器观测,当信号电压较小时,检波二极管基本遵守平方率特性,检波电流I与信号电压U间有如下关系I∝U2即I与输入功率成正比。
考虑到U∝E(E为波导内场强),所以
E∝
(1)
利用
(1)式即可根据检波电流算出驻波比。
2.1.6微波功率计
本实验采用热电偶功率计(吸收式微波功率计的一种),仪器型号为GX2A,它是利用一个匹配探头与波导相接,将微波能量导入并转换为热能,在探头内的薄膜热电偶即可以对这一热能进行计量,并且由仪器的电表指示出来。
实验中的GX2A功率计使用铋-锑薄膜热电偶,它即是吸收微波能量的匹配负载,同时又是热电偶转换器件,它质量很小,可测量微瓦级的信号功率。
3.实验内容
3.1频率测量
频率的测量是利用波长计的刻度值(即读数),根据所附图表换算为频率值。
3.2驻波比测量
驻波测量包括两部分内容,即:
(1)测定电场波腹和波节处的场强Emax和Emin,利用它们可以计算出驻波比等;
(2)测定波节之间(波腹之间)的距离,求得波导波长,为求得测量结果准确,常采用下述测量及计算方法:
(1)小驻波比(1.005<
P<
1.5)
在这种情况下,驻波波腹和波节都不尖锐,需多测几个波腹和波节的场强,求其平均值:
(2)
当检波器工作于平方率特性区时:
(3)
(2)中驻波比(1.5<
10)
这时
(2)或(3)式仍然适用,由于波腹和波节都很尖锐,故测量较准确,可适当减少测量次数。
3.3交叉读数法测波导波长
波导波长的测定一般为测定两个波节的位置,这样由探针引入的误差最小,为了准确测定波节的位置,常采用交叉读数法。
方法是,不直接测量最小点的位置,而是在最小点两侧找到两个电流读数相同的点,记下它们的位置分别为D1'
和D1"
如图7所示,则有:
D1min=(D1'
+D1"
)/2
同样,D2min=(D2'
+D2"
)/2
图7波导波形图
由此可得波导波长λg=2(D2min-D1min)。
4.实验步骤
(1)按实验线路检查测试系统,掌握XFL-2A信号源各旋钮的作用,终端负载处先接入晶体检波器。
(2)信号源工作稳定后(约需10分钟),将反射极电压调至最佳振荡模中心,用仪器所附波长计和外部波长计分别测出微波频率。
(3)用测量线测出晶体检波器的输入驻波比,包括匹配与失配两种状态下的驻波比(晶体检波器与系统的匹配可调节其后部的调节螺钉来达到,匹配时输出最大),并绘出驻波曲线。
(4)将终端负载换上吸收负载和短路器,分别测出它们的输入驻波比,并与晶体检波器的输入驻波比进行比较。
(5)用交叉读数法测波导波长λg,计算误差并与2的结果进行比较。
(6)将终端负载换上微瓦功率计探头(首先要将功率计予热、调零,并置于最高档位),测量微波功率(注意衰减量应考虑在内,最终求得实际功率,衰减量的计算公式为:
衰减量(dB)=10LgP入/P出
5.数据测量与处理
5.1数据测量
(1)频率测量:
波长计读数
所附图表对应频率
2.565mm
9605MHZ
(2)驻波比测量:
单位(mv)
Emax1
Emax2
Emax3
Emin1
Emin2
Emin3
38.4
38.6
28.2
28.4
28.5
(3)波导波长测量:
单位(mm)
D1
D1'
D2
D2'
16.0
23.90
36.65
45.0
(4)负载驻波比测量:
1吸收驻波比:
单位(mv)
33.0
33.5mv
33.8mv
32.2mv
32.0mv
2反射驻波比:
48.2
33.5
47.8
1.20
1.10
(5)衰减量的测量:
单位(mw)
功率
P出
P入
0dB
64
10dB
6.8
5.2数据处理
本实验数据我们利用Matlab语言进行编程,对测量所得的数据进行处理,其相应的部分数据处理程序如下:
disp('
=====驻波比====='
);
max1=input('
max1:
'
max2=input('
max2:
max3=input('
max3:
min1=
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