微波基础实验

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实验原理
反射性谐振腔的品质系数与它的中心频率f0和半功 率带宽关系为 f
Q
0
f1 f 2
如谐振腔的品质因素较高，由微扰理论
f0 f s ' 1 Vs 2 f0 V0
1 ( ) QL '' Vs 4 V0
'' tan '
f0和fs分别为腔中放入样品前后谐振频率，V0、Vs分 别为腔和样品的体积。
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实验内容
• 波导波长的测量
1.按图连接并调整微波测试系统。 选频放 大器 信号源
隔离器
可变衰 减器
调制波法
波长表
测量线 直流微 安表
短路板
连续波法
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实验内容
• 波导波长的测量
调整微波测试系统 ： 主要是指对信号源、测量线的调整，以及对晶体检 波器的校准。信号源的调整主要包括对振荡频率、输出 功率及调制方式的调整。 测量线的调整一般包括选择合适的探针穿深度（通 常取1.0~1.5mm）、调谐探针电路使检波输出指示最大。 2.分别用驻波法和谐振法测量波导波长和自由空间波长
频率计（波 测量信号频率 长计）
元器件
功能
结构组成
微波二极管跨接在矩形波导 宽壁中心线上
晶体检波器 指示微波相对功率的大小
测量放大器 把检波器输出的电流放大
驻波测量线 可测量驻波的分布
一段开有纵向狭槽的波导， 一个可沿线移动的带有晶体 检波器的探针探头组成 多端口不可逆器件
环行器
常用的微波铁氧体器件
实验原理 • 晶体检波率测定
测量线内的检波晶体受到驻波电场作用
2 2
g g 2 n 2 K sin ( d) I KU n K (aEm )n sin n ( d) 0 g g K0为常数
对上式取对数，令K0=1，得：
U aE (aEm )sin(
d ) U m sin(
4.描绘出检波晶体的I~U定标曲线。 2 5.描绘出 lg I ~ lg sin d 关系曲线。 g
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实验内容
• 驻波比的测量 1．按图连接微波测试系统。 调整信号源使其工作在方波调制状态并获最佳输出，调 整测量线，使其工作在最佳状态。调整衰减器的衰减量，使 晶体工作在平方律检波范围。 2．直接法测量单螺调配器的电压驻波比。 测量线终端接单螺调配器和全匹配负载。单螺钉的穿深 度约2.5mm。移动探针至驻波腹点，调整指示器灵敏度，使 电表指示近满度，然后分别测量驻波腹点和节点的Imin和Imax。 即可求得驻波比。
微波基础实验
基本概念介绍
• 微波：频率大约在108Hz~1011Hz频率电磁波，波长大
约在1米到1毫米之间
• 品质因数Q：谐振腔内的总储能与一周期内损耗之比 • 波导波长：波导波长是指在波导管中所传播的微波
的波长
• 驻波比：微波功率沿均匀传输线传输时，由于负载
不匹配而产生能量反射的程度
• 晶体检波率n值:晶体二极管的检波电流与两端电压
之间关系为 I=KEn
微波元器件简介
元器件
波导管
功能
微波传输线
结构组成
常用的是矩形的金属波导管 由体效应管、谐振腔和阻抗变 换器组成 一段封闭金属导体空腔，分通 过式和反射式谐振腔
微波信号源 信号源 微ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ谐振腔 储能，选频 隔离器 衰减器 隔离信号源 与负载
用来降低微波系 波导管，吸收片 统中功率电平 由传输波导和谐振腔构成，分为“通 过式”与“吸收式”
实验内容
• 介质特性测量
1．按图连接测试系统。 2．用示波器观测反射式谐振腔的工作特性。 3．用波长表测谐振腔的中心谐振频率f0。 4．将精密衰减器衰减3分贝，记下谐振曲线在示波器上的高 度。然后把精密衰减器恢复，此时与谐振曲线上与此高度相 对应的两点，即为谐振曲线的两个半功率点。调整波长计使 其吸收峰分别移到谐振曲线的两个半功率点上，分别读取波 长表的两个刻度数，查出所对应的频率f1和f2。 5．在反射式谐振腔中插入样品，重复3，4步骤。 6．代入公式
滑动单螺钉 用来在传输线中产生一个反 射波以抵消传输线中因阻抗 调配器
不匹配所引起的反射，达到 负载匹配
开了一条窄的无辐射纵槽的 矩形波导，一个穿透深度可 调的螺丝
实验原理 • 波长测量
谐振法：用谐振腔式波长表来测量微波信号的波长，调节波 长表的活塞杆，当谐振腔频率与信号源频率一致时，传输到 负载端的能量突然减小到一个最低值或增大到一个最大值， 记下这时波长表上螺旋测微器的刻度数，再查波长表的校准 数据表格和校准曲线，既得信号频率。由C 0 f 即可测得 信号的波长0 。 驻波法：是用测量线来测量波导波长 g ，当测量线终端短路 时，传输线中形成纯驻波，移动测量线的探针，测出两相邻 驻波节点距离即波导波长g 。
实验内容
• 驻波比的测量 3．用等指示度法测单螺钉的电压驻波比 调节单螺钉穿深度约为7mm。将测量线探针移至 波节点，调整可变衰减器、指示器灵敏度，使指示电表 指针接近满度的一半，读取波节点I min 值。 移动探针，在波节点两旁，找到电表指示为2 I min 的 两个等指示度点，读取这两个等指示度点所对应的探针 位置值d1和d2 ，这两个等指示度点之间的距离W就是d1 和d2之差。多重复几次，然后取其平均值 ，按下式 计算驻波比
d)
lg I n lg sin(
直线斜率即为检波率n
2
g
d)
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实验原理 • 驻波系数的测量（反射系数，驻波比）
反射系数 定义为
Er ei L Er 2i L i (2 L ) e e Ei ei L Ei
2 L 2n 时，驻波电场达到极大值 Emax Ei (1 ) 2 L (2n 1) 时，驻波电场达到极小值Emin Ei (1 )
W
实验原理
• 微波功率测量与指示 绝对值用微波热效应测量。热敏电阻吸收微波功率后 阻值发生改变，用适当电桥电路测出阻值变化即得微波功率。 相对值用晶体检波器指示功率 I=KP • 介质介电常数
电介质特性常用复介电常数
* 0 r 0 ( ' j '')
* r '(1 j tan ) 0
驻波比S：电场最大值和最小值之比
S
1 1
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实验原理
• 测量驻波比的方法
• 直接法：
直接测量沿测量线驻波的最大和最小场强 ，该方法适用于 测量中小驻波比 S I max
I min
。
• 等指示度法：
等指示度法适用于大驻波比的测量。该方法使用平方律的检
波晶体管，利用测量线的探针测量极小点两旁功率为极小点二倍 的两点间的距离W以及波导波长g ，按下式即可求得驻波比S g
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实验内容
• 微波功率的测量 1．按图连接测试系统，调整系统使其处于最佳工作状态。 调整可变衰减器衰减量，使检波晶体处于平方律检波状态。 2．相对功率的测量 将波导开关旋至检波器通路，在小功率情况下，检波晶 体管可以比较准确地认为是平方律检波。这时测得的检波电 流I与系统中的传输的微波功率成正比，即I P。电流表的示 数大小就表示微波相对功率的大小。 3．微波绝对功率测量 将波导开关旋至功率计通路，用功率计可直接读取绝对 功率数值。
3.验证测量结果。
g
1 (
0 0
2a
)2
实验内容
• 晶体检波律的测定 1.按图连接实验系统，并对系统进行调整。 2.选择驻波电场某一节点作为参考点，把此节点与相邻腹点 间的长度 / 4 等分为9分，得到10个等分点 d1 , d 2 ,...,d10
g
3.测出上述10个等分点处所对应的检波电流 I 1 ,I 2 ,..., I 10