微波技术基础实验指导书.docx

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微波技术基础实验指导书

微波技术基础实验指导书

实验一微波测量系统的了解与使用

实验性质：

验证性实验级别：

选做

开课单位：

信息与通信工程学院学时：

2学时

一、实验目的：

1．了解微波测量线系统的组成，认识各种微波器件。

2．学会测量设备的使用。

二、实验器材：

1．3厘米固态信号源

2．隔离器

3．可变衰减器

4．测量线

5．选频放大器

6．各种微波器件

三、实验内容：

1．了解微波测试系统

2．学习使用测量线

四、基本原理：

图1。

1微波测试系统组成

1．信号源

信号源是为电子测量提供符合一定技术要求的电信号的设备，微波信号源是对各种相应测量设备或其它电子设备提供微波信号。

常用微波信号源可分为：

简易信号发生器、功率信号发生器、标准信号发生器和扫频信号发生器。

本实验采用DH1121A型3cm固态信号源。

2．选频放大器

当信号源加有1000Hz左右的方波调幅时，用得最多的检波放大指示方案是“选频放大器”法。

它是将检波输出的方波经选频放大器选出1000Hz基波进行高倍数放大，然后再整为直流，用直流电表指示。

它具有极高的灵敏度和极低的噪声电平。

表头一般具有等刻度及分贝刻度。

要求有良好的接地和屏蔽。

选频放大器也叫测量放大器。

3．测量线

3厘米波导测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。

开槽波导中的场由不调谐探头取样，探头的移动靠滑架上的传动装置，探头的输出送到显示装置，就可以显示沿波导轴线的电磁场的变化信息。

4．可变衰减器

为了固定传输系统内传输功率的功率电平，传输系统内必须接入衰减器，对微波产生一定的衰减，衰减量固定不变的称为固定衰减器，可在一定范围内调节的称为可变衰减器。

衰减器有吸收衰减器、截止衰减器和极化衰减器三种型式。

实验中采用的吸收式衰减器，是利用置入其中的吸收片所引起的通过波的损耗而得到衰减的。

一般可调吸收式衰减器的衰减量可在0到30-50分贝之间连续调节，其相应的衰减量可在调节机构的度盘上读出（直读式），或者从所附的校正曲线上查得。

五、实验步骤：

1．了解微波测试系统

1．1观看如图装置的的微波测试系统。

1．2观看常用微波元件的形状、结构，并了解其作用、主要性能及使用方法。

常用元件如：

铁氧体隔离器、衰减器、直读式频率计、定向耦合器、晶体检波架、全匹配负载、波导同轴转换器等。

2．了解测量线结构，掌握各部分功能及使用方法。

2．1按图检查本实验仪器及装置。

2．2将微波衰减器置于衰减量较大的位置（约20至30dB），指示器灵敏度置于较低位置，以防止指示电表偶然过载而损坏。

2．3调节信号源频率，观察指示器的变化。

2．4调节衰减器，观察指示器的变化。

2．5调节滑动架，观察指示器的变化。

六、预习与思考：

总体复习微波系统的知识，熟悉各种微波元器件的构造及原理特点。

实验二驻波系数的测量

实验性质：

综合性实验级别：

必做

开课单位：

信息与通信工程学院学时：

2学时

一、实验目的：

1．理解测量大、中电压驻波比的原理和常用方法。

2．掌握用直接法测量小驻波比的方法。

二、实验器材：

1．3厘米固态信号源

2．隔离器

3．可变衰减器

4．测量线

5．选频放大器

6．各种微波器件

三、实验内容：

测量无耗小驻波比微波元件的电压驻波比。

四、基本原理：

图2.1直接法测电压驻波比方框图

微波元件的电压驻波比是传输线中电场最大值与最小值之比，表示为

（2.1）

1．直接法

该方法适用于测量中小电压驻波比。

当驻波系数不大于6时，可直接沿测量线测量驻波最大点和最小点的场强得到，故称为直接法。

直接法测电压驻波比方框图如图2.1所示。

被测器件接在测量线的终端，这时测量线中电场的纵向分布如图2.2所示。

图2.2测量线电场分布图

当测量线的探针沿纵向移动时，波腹点和节点指示电表读数分别为Umax和Umin。

晶体二极管为平方律检波时，则有：

（2．2）

当驻波比1.05<

<1.5时，Umax和Umin相差不大，且波腹和波节平坦，难以准确测定。

为了提高测量精度，可移动探针测出几个波腹和波节的数据，然后取平均值。

（2.3）

当驻波比1.5<

<6时可直接读出场强最大值和最小值。

2．功率衰减法

功率衰减法适用于测量大、中电压驻波比（

>6）。

当测量线的驻波比大于6时，驻波最大点和最小点的场强相差很大。

如果在最小点，检波晶体的输出能使指示电表有足够大的偏转，那么，在最大点，检波晶体的检波特性将从平方律变成直线律。

若减小微波的输入电平，则最小点的读数又太小，不易测准，且易受零点漂移的影响，故在这种情况下用直接法测量的误差较大。

下面简要介绍功率衰减法的原理。

它可用精密可变衰减器测量驻波腹点和节点两个位置上的电平差。

改变测量系统中精密可变衰减器的衰减量，使探针位于驻波腹点和节点时指示电表的读数相同，则驻波比可用下式计算：

（2.4）

Amax和Amin分别表示精密衰减器衰减量的分贝值。

五、实验步骤：

1．微波测试系统调整

（1）检查测试系统，测量线终端接匹配负载，开启电源，预热各仪器。

（2）按操作规程使信号源工作在方波调制状态，并获得最佳输出。

（3）调整测量线，调谐探针电路，使测量线工作在最佳工作状态。

调整输入电平，使晶体管工作在平方律检波范围内。

2．用直接法测量开口波导及单螺钉的电压驻波比

（1）测量线终端开口，移动探针至驻波腹点，调整指示器灵敏度，使指示电表读数达到满度。

（2）分别测定驻波腹点和节点的幅值Umax和Umin，并列表记录数据。

（3）测量线终端接单螺调配器和匹配负载，单螺钉穿伸度约2.5mm。

重复步骤

（1）、

（2）,并测量两次，记录数据。

表2。

1波腹波节处的电压值

1

2

3

4

5

Umax

Umin

六、预习与思考：

1．复习均匀传输线理论，了解传输线上电压电流的分布情况

2．熟悉各实验步骤，以加快测量速度。

3．驻波的节点与腹点如何选取？

实验三阻抗的测量

实验性质：

综合性实验级别：

必做

开课单位：

信息与通信工程学院学时：

2学时

一、实验目的：

1．掌握用测量线测量阻抗的原理和方法。

2．进一步掌握阻抗圆图的用法。

二、实验器材：

1．3厘米固态信号源

2．隔离器

3．可变衰减器

4．测量线

5．选频放大器

6．各种微波器件

三、实验内容：

1．调整微波测试系统

2．测量阻抗

四、基本原理：

微波元器件或天线系统的输入阻抗是微波工程中的重要参数，因而阻抗测量也是重要内容之一，本实验学习用测量线测量单端口微波元件输入阻抗的方法。

根据传输理论，传输系统中驻波分布与终端负载阻抗直接有关，表征驻波特性的两个参量，驻波比

及相位

与负载阻抗的关系：

（3.1）

图3.1电压与相位的关系

图3.2等效截面法

上式左端为归一化负载阻抗，即单端口微波元件的输入阻抗，

为驻波比。

是终端负载至相邻驻波节点的距离，参照图3.1。

因而只需在测量线的输出端接上待测元件，分别测定驻波比

，波导波长

及距离

，即可用上式或阻抗（或导纳）圆图计算待测元件的输入阻抗（或输入导纳）。

实际测量中常用“等效截面法”。

首先让测量线终端短路，沿线驻波分布如图3.2（a）所示，因而移动测量线探针可测得某一驻波节点位置

，它与终端距离为半波长的整数倍nλg/2（n=1,2,3…），此位置即为待测元件输入端面在测量线上的等效位置T。

当测量线终端换接待测负载时，系统的驻波分布如图3.2（b）所示，由测量线测得

左边（向波源方向）的相邻驻波节点位置

即为终端相邻驻波节点的等效位置。

所以

（3.2）

由公式

（3.3）

可以计算待测元件的输入阻抗ZL，下图为导纳圆，A点的读数即为待测元件的归一化导纳，B点的读数即为归一化阻抗,如图3.3所示。

图3。

3归一化阻抗圆图

图5.3归一化阻抗圆图

图3。

4实验装置图

五、实验步骤：

1．调整微波测量系统

（1）测量线输出端接匹配负载，调整测量系统。

（2）测量线终端换接短路板，用交叉读数法测量波导波长

并确定位于测量线中间的一个波节点位置

，记录测量数据。

2．测量电感（或电容）膜片及晶体检波器输入阻抗

（1）取下短路板，测量线输出端接“电感（或电容）膜片+负载匹配”测出

，左边相邻驻波节点的位置

，计算

，记录测量数据。

（2）用微波衰减器调整功率电平，使测量线探头晶体处于平方律检波范围。

用直接法测量驻波比

，记录数据。

（3）根据

，

，

，应用导纳圆图计算“电感（或电容）膜片+负载匹配”的归一化导纳。

表3.1数据记录表

六、预习与思考：

1、复习均匀传输线理论，了解传输线上电压电流的分布情况。

2、了解传输线不同终端负载的接入情况。

3、如果终端负载是感性的，则滑动螺钉与负载的距离必须满足什么条件？

为什么？

实验四波长和频率的测量

实验性质：

综合性实验级别：

必做

开课单位：

信息与通信工程学院学时：

2学时

一、实验目的：

1．了解几种常用的测量频率和波长的仪器。

2．掌握测量频率和波长的基本原理和方法。

二、实验器材：

1．3厘米固态信号源

2．隔离器

3．可变衰减器

4．测量线

5．选频放大器

6．各种微波器件

三、实验内容：

1．测量微波信号的频率

2．测量微波信号的波长

四、基本原理：

图4.1实验装置图

频率是微波测量的基本参量之一。

从原理上说，波长的测量与频率的测量是有区别的，前者归结为长度的测量，后者归结为时间的测量。

根据谐振腔的谐振选频原理可知，单模谐振腔的谐振频率决定于腔体尺寸，得用调谐机构的位置对谐振腔进行调谐，使之与待测微波信号发生谐振，就可以根据谐振时调谐机构的位置，判断腔内谐振的电磁波的频率。

这就是谐振式频率计的基本原理。

本实验将频率计采用吸收式接法。

当产生谐振时，谐振腔最大程度的获取功率，使得输出几乎为0，这样从指示器上可以观察其谐振或失谐的情况，从而读出频率计上指示的读数。

根据传输线原理，邻近两个腹点或两个节点之间的距离为半波长，这样可根据选频放大器上显示的相邻腹点，从测量线上直接读出波长。

五、实验步骤：

1．微波频率的测量

（1）按图4.1所示的框图连接实验系统。

（2）将检波器及检波指示器接到被测件位置上。

（3）用频率计测出微波信号源的频率。

旋转频率计的测微头，当频率计与被测频率谐振时，将出现吸收峰。

反映在检波指示器上的指示是一跌落点（参见图4.2），此时，读出频率计测微头的读数，再从频率计频率与刻度曲线上查出对应的频率。

检波指示器指示I

谐振点频率计测微头刻度

图4.2频率计的谐振点曲线

2．波导波长的测量：

（1）接开路阻抗，其可变电抗的反射系数接近1，在测量线中入射波与反射波的叠加为接近纯驻波的图形，如图4.3所示，只要测得驻波相邻节点的位置L1、L2，由

，即可求得波导波长λg。

表4.1相邻节点位置数据表

L1

L2

λg

（2）接短路阻抗。

测量驻波相邻腹点的位置L1、L2，由

，即可求得波导波长λg。

表4.2相邻腹点位置数据表

L1

L2

λg

六、预习与思考：

1．复习均匀传输线理论，了解传输线上电压电流的分布情况。

2．用传输线理论分析测量波长与频率的原理。

实验五微波功率的测量

实验性质：

综合性实验级别：

必做

开课单位：

信息与通信工程学院学时：

2学时

一、实验目的：

1．了解不同大小程度的功率测量方法。

2．了解微波功率计按测量原理不同所划分的几种类型。

3．掌握功率测量的基本方法。

二、实验器材：

1．3厘米固态信号源

2．隔离器

3．可变衰减器

4．测量线

5．选频放大器

6．各种微波器件

三、实验内容：

1．相对功率测量

2．绝对功率测量

四、基本原理：

图5.1微波功率测量系统框图

微波功率测量是微波测量的基本测量技术之一,所用仪器称为微波功率计。

通常按功率大小分为如下三种量程范围:

小功率——功率电平低于100毫瓦；中功率——功率电平由100毫瓦至10瓦；大功率——功率电平高于10瓦。

按照测量原理可分为以下两种类型。

1．吸收式微波功率计。

它是利用接在波导或同轴线终端的匹配负载——水负载、热电偶、热敏电阻等，将微波能量全部吸收转换为热，然后根据热功当量即可算出功率。

这类方法测量的是传输线终端匹配负载所吸收的微波功率。

2．通过式微波功率计。

它是测量传输线中的通过功率而间接推算出功率值的。

可利用接入定向耦合器副线的吸收式功率计也可测出主线中的通过功率。

按照微波功率的校准方式可划分为绝对功率计、相对功率计及功率指示器。

五、实验步骤：

按图5.1连接仪器，使系统正常工作。

注意：

开机前将系统中的全部仪器必须可靠接地，否则，功率头极易烧毁。

1．相对功率测量：

波导开关旋至检波器通路，当检波器工作在平方率检波时，电表上的读数U与微波功率成正比，电表的指示U∝P，即表示为相对功率。

旋转可变衰减器，测得不同功率下的数据。

表5.1相对功率数据

U

P

2．绝对功率测量：

波导开关旋至功率计通路，用功率计可测得绝对功率值。

旋转可变衰减器，测得不同功率下的数据。

表5.2绝对功率数据

U

P

六、预习与思考（五号黑体）：

1．按功率大小划分可分为几种功率计？

2．大功率计与小功率计的不同之处是什么？