微波技术实验指导书(2009)

式中 a max 和 a min 分别为在驻波电场的极大值和极小值处检波器的输出读数，也就是标量网 络分析上电流表的指示值。 为了提高读数的精确性，一般也要进行多次测量取平均值：
i i1 n
n
三、实验设置
实验装置方框图
9
项次 1 2 3 4
设备名称 微波标量网络分析仪 波导测量线 波导不同负载 示波器
g ，乘 2 之后，就得出我们所需 2
g ，必须将测得的 g 代入下式，才能算出自由空间波长 来：

2 a g
2 2 g 4a
，式中宽边尺寸 a Байду номын сангаас.286cm
然后，再利用波长计测量波导中传输的微波频率 f 的数据值，代入以下公式，就可以算 出电磁波在波导内传输的速度（即为光速） ： vc 2、频率的测量 将探针放置在波腹点位置， 即测量线上读数最大的位置， 改变波长计中谐振腔的谐振频 率，当其与外接波导中的微波频率相等时发生共振，部分能量被波长计吸收，使传播到测量 线中的微波能量减少， 反映在波腹点位置的读数在波长计临近共振频率时在减小， 当减到最 小时，即发生共振，此时波长计上的读数即为微波频率 f0。 三、实验设备

U入 U反
但 无法从测量线上直接测量，为了测量上的方便，我们又引入了电压驻波比的概念，以 ρ 表示：

U max U min
即沿线驻波的电压振幅极大值（驻波波腹）和极小值（驻波波节）之比，它与电压反射系数 的关系为：

U max U min

U 入 ＋ U反 U 入 － U反
=
1＋ 1－
E
和
E反 E入
E
Emax Emin
以及
E
1 E 1 E
8
当波导测量线的探针在开槽线上移动时， 利用附于探针后的检波晶体的检波输出读数 a ， 就可以决定驻波比。如果检波器工作于平方律区域，则 a 电场确定。于是：
E 2 ，其中 E 是探针所在处的
E
Emax a max amin Emin
微波技术实验指导书
集美大学信息工程学院通信工程专业 二零零九年九月
目录
实验一 用波导测量线测光速………………………………….……...3 实验二 电压驻波比的测量…………………………………………....8 实验三 波导谐振腔有载品质因素的扫频测量……………………..12 实验四 晶体检波器特性的校正及阻抗测量……………………..…15 实验五 用介质微扰谐振腔的方法测量塑料介质的参量………..…24
l1
l1 ' l1 "
2
， l2
l2 ' l2"
2
， l3
l3 ' l3"
2
g 2(l2 l1 ) 或 g 2(l3 l2 )
此时，波长绝对误差
g
g
1 3
|
m 1
3
m
g | ，
波长相对误差
r
g
100%
注：在现有的实验条件下，要取得更加准确的 值，还可用不同的测量方法来取得：增 大测量的长度， 可直接测量一个波长长度。 大约每增加半个波长， 相对误差相应地降低一半。 但是， 也不是越长越好， 因为机械不平稳度等等带来的误差也同样随着测量长度的增加而增 加。所以，增加多少应根据所用测量线的平稳度来确定。 8、 将探针放回波腹位置，利用频率计，测出 f0（寻找吸收点，指示最小值） 。 9、 计算光速： c f 0 .及 c 误差。 注意：做完实验，请将可变衰减器往下调至较低位置，网络分析仪上衰减开关放最小。 五、实验报告及思考题： 1、实验报告 用前述步骤测出的波导波长 g 、波导宽边尺寸 a 和测出的频率 f0，代入下式计算光速：
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实验三
一、实验目的：
波导谐振腔有载品质因素的扫频测量
1、分析电磁场在腔中如何转换与分布及微波谐振腔的工作原理 2、了解微波谐振腔与低频谐振回路的相同点与不同点。 3、掌握示波器测量 Q 值的方法。 二、实验原理： 1、谐振腔 Q 值的测量 品质因数 Q 是表征微波谐振系统的一个重要技术参量，其测量方法很多，例如：功率传 输法、功率反射法、阻抗法等等，通常可根据谐振腔 Q 值的大小、外界电路耦合的程度及 要求的精度等，选用不同的测量方法。本实验主要运用功率传输法测量 Q 值。 功率传输法是根据谐振腔的功率传输特性来确定它的 Q 值。 通常有 “传输” 型 （通过式） 和“反应”型（吸收式）两类谐振腔。图 4-1（a） 、 （b）分别表示测量“传输”型及“反应” 型谐振腔功率传输特性的方框图。当微波振荡源的频率逐渐改变时，由于谐振腔的特性，传 输到负载的功率将随着改变，它与频率的关系曲线参见图 4-2（a） 、 （b） 。
' "
实验数据： 测量 L1＇ （mm） L1＇ ＇ （mm） Ｌ２＇ （mm） Ｌ２＇ ＇ （mm） Ｌ３（mm） Ｌ３＇ ＇ （mm） 次数 1 2 3 平均
5
对应的零点位置即为：
' '' lm lm lm 2
(m 1,2,3,...)
由于测量必然存在误差，为减小之，应反复测量然后取平均值，测量的次数越多，越接 近于准确值，但由于时间有限，此实验只要求较理想地重复测量三次，测量后经过计算，就 可得到：
以上是双线、同轴线的结论，对波导传输线也一样，当负载阻抗不匹配时，能量也将产生反 射，反射的电磁场与入射的电磁场在波导内干涉的结果变形成了波导内的电磁场的驻波分 布。所不同的是，双线、同轴线中用电压和电流作为基本参量，而波导中则用电场强度与磁 场强度作为基本参量。对应于电压反射系数 和电压驻波比 ρ，波导中则有电磁场反射系数 和电场强度电场驻波比，它们分别为：
2
实验一
一、实验目的：
用波导测量线测光速
1、通过波导测量线验证光的传播速度; 2、波导测量线测量波导波长，从而进一步弄清光速、相速、群速之间的关系。 二、实验原理： 1、微波波长的测量 ①测量时测量线终端必须短路，因开路时部分电磁能从波导口辐射出去，达不到全部反 射，测量线只是混波状态。要得到纯驻波，终端只能是短路状态。在微波原理的课程中，我 们已经了解到，当波导测量线终端短路时，波导测量线上将产生纯驻波分布，这时，我们就 可测出相邻两个波节点之间的距离 l2 l1 ，这个距离即为 的波长 g 。 但是， 需要注意的是在波导测量线中， 所测出的波长不是自由空间波长 而是波导波长
4
调节“零点调节”旋钮，使波节点置零，并读取该波节点位置 L1，再缓慢移动测量线 至下一个波节点位置 L2 并读取对应的值。 6、 移动测量线探针到（L1+L2）/2 处，该处即为波腹点，调节波导测量线调谐短路活塞， 使波腹输出指示最大。 （注：该数字表头指示值在大于 9.9 时会被箝位住，可配合网络 分析仪上的增益调节旋钮和可变衰减器旋钮，使表头指示最大值在 9～9.5，以提高测 量精度。 ） 7、 用最小点对称交叉读数法测出波导波长 g ： 从右到左缓慢移动测量线探针位置， 以 “驻 波”位置指示值“3.0”为参考测量点，读取对应该值时探针的位置，顺序读取六个点。 并填入表中：L1＇ ，L1＇ ＇ ，L2＇ ，L2＇ ＇ ，L3＇,L3＇ ＇ 。计算 g 及 0 。 （注：直接测零点 误差较大，故改为测零点两侧 l m 和 l m 诸点；测量时尽量不要回轮，以免造成读数误差）
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五、实验报告及思考题 1、实验报告 ①将步骤 2 记下的输出读数，标在坐标纸上，这时，我们就可得到三种不同情况时，沿 线的驻波曲线，并对三种不同曲线做定性分析，如从振幅、相位上进行分析。 ②将三种不同情况下反复测得的 a max 和 a min 代入公式
E
amax amin
计算出驻波比 ，并以选频放大器直接测出的驻波比比较，同时定性分析误差原因。 2、思考题 ①说明驻波测量的基本原理。 为什么要置探针于两极小值中点进行调谐？如果调谐不好， 将会在波导中产生什么影响？ ②在三公分波导测量线终端开路时，驻波系数为什么不是无穷大？
f
3
实验装置方框图
项次 1 2 3 4
设备名称 微波标量网络分析仪 波导测量线 示波器 波导短路片
数量 1 1 1 1
备注
四、实验内容及步骤： 1、 按实验装置方框图接好线路， 波导测量线输出接网络分析仪输入端， 在波导测量线终端 接上短路板（此时波导内微波工作在纯驻波状态） 。必须保证各个接头完全对准，连接 可靠，否则在连接处形成色阶不连续，将发生不可忽略的发射。 2、 预先将可变衰减器调至刻度 5db 位置， 测量线探针放置刻度 3 上； 网络分析仪上的衰减 开关放最小位置。 3、 打开网络分析仪电源开关，并将控制选择放在“同相” 、 “手动” 、 “点频”位置。 4、 将控制数字表指示的选择开关拨到“基准”位置。同时调节直流偏置旋钮，调至电压输 出为 5.00V。 5、 将选择开关打到“驻波”位置，移动测量线探针位置至波节点（表头指示值最小处） ，
数量 1 1 3 1
备注
短路，匹配负载，容（感）性膜片
四、实验内容及步骤： １、按实验装置方框图接好线路，并将测量线终端接上短路板。必须保持各个接头完全 准确（对准） ，连接可靠，否则在连接处形成各阶不连续，将发生不可忽略的反射。连接好 微波测量装置，并将波导测量线终端接上短路板。 ２、预先将可变衰减器调至刻度 5db 位置，测量线探针放置刻度 3 上。 ３、打开网络分析仪电源开关，预热几分钟，并将控制选择放置“同相” 、 “手动” 、 “点 频” 、 “宽带” 。 ４、将控制数字表指示的选择开关打到“基准”位置。同时调节直流偏置旋钮，调至电 压输出为 5.00V。 ５、将选择开关打到“驻波”位置， 移动测量线探针位置至波节点 （表头指示值最小处） ， 调节“零点调节”旋钮，使波节点置零，并读取该波节点位置 L1，再缓慢移动测量线至下 一个波节点位置 L2 并读取对应的值。 ６、将探针移至（L1+L2）/2 处，即波腹点位置，反复调节探针调谐旋钮，直至表头指 示达到最大值。 （同实验一） ７、测量线终端分别接上三种不同负载（短路片、匹配负载、容性负载） ，从负载端向源 端缓慢移动探针满全程，每移动 1mm，记下表头对应读数，并将数值标在坐标纸上，同时 反复测出三种不同状态下的 a max 和 a min ，代入公式计算出 驻波比。 注：理想情况下的驻波比为： 短路负载时: =∞ 容性负载时： =某一数值 匹配负载时: ≈0
图 4-1 测量谐振腔功率传输特性的方框图 （a） “传输”型 （b） “反应”型
图 4-2 谐振腔传输功率与频率的关系曲线 （a） “传输”型 （b） “反应”型 根据功率传输法测量谐振腔的等效电路可推得，谐振腔两端同时接有匹配微波源和匹配 负载时的有载品质因数为
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QL
三、实验设备
f0 f

f0 f 2 f1
实验装置方框图
项次 1 2 3 4
设备名称 微波标量网络分析仪 波导测量线 矩形谐振腔 示波器
数量 1 1 1 1
备注
四、实验内容及步骤： 1、线路的连接及调整 ①按实验装置方框图接好线路（谐振腔不接） 。必须保证各个接头完全对准，连接可靠， 否则在连接处形成色阶不连续，将发生不可忽略的发射。 ②打开微波网络分析仪的电源开关，工作方式选在扫频工作，预热 20 分钟。打开示波 器开关，将示波器放外扫描档。 2、接上矩形谐振腔，调整微波网络分析仪的扫频幅度和直流偏置，使扫描信号的中心 频率大约为被测谐振腔的谐振频率。 这时， 在示波器的荧光屏上会显示被测谐振腔的特性曲 线。扫频信号中心频率调整正确时，得到的曲线起伏幅度将会最大。 3、同时结合调整晶体检波器调谐销钉、可变衰减器的衰减量以及示波器的垂直、和水 平放大旋钮，使示波器荧光屏上显示的曲线约占示波管直径的 1/2，然后调节示波器的“垂 直位置”及“水平位置”控制钮，使曲线半功率点标在荧光屏的水平标线上，也就是说，使
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实验二 电压驻波比的测量
一、实验目的： 1、通过三种不同负载情况下驻波波形的观测，掌握驻波测量线的使用方法，特别是熟练 掌握调谐结构的调谐。 2、 通过驻波比测量， 掌握驻波比测量方法， 同时加深对电磁波在波导中分布情况的理解。 二、实验原理： 在微波原理传输线理论这章中，我们已分别讨论了几种不同负载时传输线上电磁波的传 输情况，同时，为了进一步描写，我们引进电压反射系数这个重要参量，它表示某一点反射 波电压与入射波电压的比值，以 表示，即：
v0 f 0 0 f 0
10
2ag
g2 4a 2
把计算出的 v 0 与光速 c 2.99672 10 cm / s 作比较，并定性地进行误差分析。
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2、思考题 ①波导测量线终端负载在什么状态才能测量：开路、短路、纯电抗、任意阻抗、匹配负 载，放在那些状态测量精度较高？ ②调节波导测量线上的调谐旋钮（也就是改变短路活塞到探针的距离） ，理论上得出距 离为多少时最理想？实验时又如何调节呢？ ③两个波腹点之间的距离也为 g / 2 ，为什么不测波腹点而测波节点？如何用交叉读数 法测量？