2021年北理工微波实验报告

试验一 通常微波测试系统调试
一、 试验目
1．了解通常微波测试系统组成及其关键元、 器件作用, 初步掌握它们调整方法。

2． 掌握频率、 波导波长和驻波比测量方法。

3． 掌握晶体校正曲线绘制方法。

二、 试验装置与试验原理
常见通常微波测试系统如1-1所表示（示意图）。

隔离器
衰减
器
频率计
衰减器
负载
图1-1
本试验是由矩形波导（3厘米波段, 10TE 模）组成微波测试系统。

其中, 微波信号源（固态源或反射式速调管振荡器）产生一个受到（方波）调制微波高频振荡, 其可调频率范围约为7.5~12.4GHz 。

隔离器组成是: 在一小段波导内放有一个表面涂有吸收材料铁氧体薄片, 并外加一个恒定磁场使之磁化, 从而对不一样方向传输微波信号产生了不一样磁导率, 造成向正方向（终端负载方向）传输波衰减很小, 而反向（向信号源）传输波则衰减很大, 此即所谓隔离作用, 它使信号源能较稳定地工作。

频率计实际上就是一个可调圆柱形谐振腔, 其底部有孔（或缝隙）与波导相通。

在失谐状态下它从波导内吸收能量很小, 对系统影响不大; 当调到与微波信号源地频率一致（谐振）时, 腔中场最强, 从波导（主传输线）内吸收能量也较多, 从而使测量放大器指示数从某一值忽然降到某一最低值, 如图1－2(a)所表示。

此时即可从频率计刻度上读出信号源频率。

从图1-1可知, 腔与波导（主传输线）只有一个耦合元件（孔）, 形成主传输线分路, 这种连接方法称为吸收式（或称反应式）连接方法。

另一个是, 腔与主传输线有两个耦合器件, 并把腔串接于主传输线中, 谐振时腔中场最强, 输出能量也较多, 所以测量放大器指示也最大, 如图1-2(b)所表示。

这种连接方法称为经过式连接
法。

在实际中不管哪种连接方法, 当不测频率时, 为了不影响其它试验项目观察, 应把腔调到失谐状态。

可变衰减器也是由一小段波导组成, 其中放有一表面涂有损耗性材料, 并与波导窄壁平行放置薄介质片。

介质片越靠近波导中心处, 衰减越大, 反之, 衰减越小。

利用可变衰减器能够连续地改变信号源传向负载方向功率大小; 另外, 如同隔离器一样, 可变衰减器也含有一定隔离作用。

测量线是一段在其宽壁中心线开有一窄缝隙矩形波导, 与其配套还有一个装有微波范围内用晶体二极管检波器及同轴线调谐式探针座。

探针从缝隙插入波导后, 送入测量（选频）放大器, 经过该放大器表头读数, 即可进行各试验项目测量工作。

系统最终部分是终端负载, 它是被测试某一微波元、器件, 也能够是匹配负载、短路片或短路活塞等。

I
f I
f
图1-2
(a)(b)
需要指出是, 因为微波信号源产生等幅高频振荡很微弱, 若对其直接进行检波, 则检波器输出直流分量也是很微弱, 用通常仪表难以对其进行观察。

所以为了提升测试灵敏度, 方便于观察, 通常见一方波（反复频率1000Hz）对高频振荡进行幅度调制（也有用脉冲或其它波调制）。

经调制后高频振荡经过检波后输出是其包络, 对包络中基频（1000Hz）加以放大后再经检波, 取出其直流分量加于测量放大器指示表头, 读数就方便了。

三、试验内容
1．首先按图1-1所表示将测量系统安装好, 然后接通电源和测量仪器相关开关, 观察微波信号源有没有输出指示。

若有指示, 当改变衰减量或移动测量线探针位置时, 测量放大器表头指示会有起伏改变, 这说明系统已在工作了。

但这并不一定是最好工作状态。

比如, 若是反射式速调管信号源话还应把它调到输出功率最大振荡模式（如n=2, 参见附录）, 并结合调整信号源处短路活塞, 以使能量更有效地传向负载。

若有必需, 还能够调整测量线探头座内短路活塞, 以取得较高地灵敏度, 或者调整测量线探针伸入波导程度, 方便很好地拾取
信号地能量（注意, 伸入太多会影响波导内场分布）。

对于其它微波信号源也应根听说明书调到最好状态。

有时信号源无输出, 但测量放大器也有一定指示。

这可能是热噪声或其它杂散场影响; 若信号源有输出, 但测量放大器指示不稳定或者当测量线探针移动时, 其指示不变, 均属不正常情况, 应检验原因, 使之正常工作。

系统正常工作时, 可调整测量放大器相关旋钮或可变衰减器衰减量（衰减量不能为零, 不然会烧坏晶体二极管）, 使测量放大器指示便于读数。

2．测量微波信号源频率和波导波长。

测量信号源频率调整旋钮, 可使频率在7.5~12.4GHz 范围内改变。

选择该范围内某个频率, 用频率计测出它频率, 并用测量线测出该频率波导波长g λ。

在测g λ时应将系统终端短路（比如用金属短路板或短路活塞）, 则系统呈纯驻波状态（理论上）, 其场强幅度分布如图1-3所表示。

当测量线探针处于1z 和2z 位置时, 测量放大器指示为最小（理论上为零）,
E
图1-3
此时从测量线刻度上即可求出波导波长122z z g -=λ。

在实际测量中, 因为受设备精度、 灵敏度限制, 以及其它原因影响, 极难正确地确定1z 和2z 位置。

为提升测试精度, 可采取“平均法”测定它们位置, 如图1-3所表示。

为了确定1z , 使在1z 两侧（尽可能地靠近1z ）
1d 和2d 处测量放大器有相同指示数, 则2/)(211d d z +=, 同理可得2/)(432d d z +=。

这
比直接去测1z 和2z 要正确些。

3．绘制晶体矫正曲线
需要指出是, 当用测量线测定微波系统（波导）内场强幅度分布规律时, 测量放大器指示值并不直接表示高频信号场强值, 而是经过晶体二极管检波后电流值。

我们已知传输系统驻波s 为:
min max min max //U U E E s ==
因为晶体二极管为一非线性器件（如图1-4(a)所表示）, 所以就不能用测量放大器读数直接套用上面公式求出驻波比s 。

为了求出s , 应作出晶体管输入电压U （它与探针拾取场强幅值成正比）与检波电流关系曲线（如图1-4(b)所表示）, 称为晶体校正曲线。

I
I
U
E
(a)
(b)
图1-4
此曲线中电流即使是从测量放大器中读出值, 但它对应U 值（或E ）, 此时并非加于晶体二极管上电压值, 而是经过测量于计算求出与场强幅值成正百分比“等效”电压值。

有了校正缺点, 当探针在场强幅值最大值时, 测量放大器有一读数max I , 探针在场强幅值最小处时, 有一读数min I , 从校正曲线中查出max I 和min I , 分别对应max
U （max E ）和min
U
（min E ）,
则驻波比s 为:
min
max
min max E E U U s ==
为了作出晶体校正曲线, 需将系统终端短路, 形成纯驻波状态。

如图1-5所表示。

E
图1-5
场强E 幅度E 可表示为:
z E z E E g
λπ
β2sin
sin max max ==
为了求出场强幅值与检波电流I 之间关系（晶体校正曲线）, 就要利用这个公式计算场强值（也即校正曲线中U ）。

在7.5~12.4GHz 范围内选定某一频率, 使系统正常工作, 并求出该频率对应波导波长g λ。

将测量线探针移到场强幅值节点。

比如图1-5中所表示A 点, 作为0=z 参考点, 并记下此时测量放大器读数, 从公式看该读数（理论上为零, 实际上不为零）对应E 应为零。

B 是场强幅值腹点, 4
g
AB λ=
, 将此距离等分为若干个小段（比如
10个小段）, 从A 点开始, 按分小段使探针逐次向B 点移动, 并记住每一位置所对应测量放大器读数I, 已经每一位置坐标z 值, 则z g
λπ
2sin 即可求出。

B 点对应于max E , 若max E 已
知, 则利用公式
z E E g
λπ
2sin
max =
即可求出每点E （U ）与每点I 一一对应关系, 依据这组数据即可画出晶体校正曲线。

但实际上, max E 值我们并不知道具体等于多少, 为了处理这一问题, 在作晶体校正曲线时, 只需要知道各点场强幅值相对大小就能够了, 并不需要求出它们绝对大小, 所以, 我们能够把B 点对应电流读数I 作为max E 看待, 而其它点E （相对值）即可求出了。

在实际测量中, 为计算方便起见, 可利用调整信号源输出, 可变衰减器衰减量和测量放大器相关旋钮等方法, 使B 对应I 读数为10某个整数倍（比如100）。

另外需要指出是, 作晶体校正曲线也能够从场强幅值腹点B 开始, 逐步向节点A 移动探针, 测出所需要数据, 场强幅值改变为余弦。

但B 点确切位置比A 点更难确定, 所以, 从A 点开始, 比从B 点开始要好些。

最终补充一点, 当晶体二极管检波电流很小时, 其电压和电流有近似于平方律关系式:
K KU I 2=是与管子型号相关结构参数, 是常数。

此时驻波比S 可近似为
而不需要查晶体校正曲线。

max max min
min E U S E
U =
=
=
试验二阻抗测量
一、试验目
1．掌握最常见阻抗测量方法, 并能利用公式和阻抗或导纳圆图计算阻抗。

2．测量喇叭天线等效（输入）阻抗。

二、试验装置和试验原理
在微波范围内常常碰到对微波元（器）件阻抗测量问题（比如, 在研究若干个元、器件相互间连接和匹配问题时）, 所以掌握阻抗测量方法是十分关键。

测量阻抗方法有多个, 其中较常见是利用测量线来进行测量。

试验装置和试验一所用完全相同。

为画图简单起见, 我们用方框图把它表示出来, 如图2－1所表示。

图2-1
三、试验内容
Z时, 系统呈行驻波状态, 电压或场强幅1．当无耗传输线终端接有任意复数阻抗负载
l
值分布规律如图2－2所表示。

Z l
为了求出被测阻抗l Z 可采取两种方法, 用公式计算和查圆图。

首先讨论一下用公式计算方法。

依据传输线理论, 等效（输入）阻抗)(z Z 为
())
(1)
(1z z Z z Z c
Γ-Γ+=
据此, 对终端被测负载l Z 而言应为:
0)0(1)0(1ΓΓΓ-Γ+=ϕϕj j c
l e
e Z Z
式中, c Z 为传输线特征阻抗, )(z Γ为电压反射系数, )0(Γ为终端负载处反射系数,
Γϕ为其初相角。

在电压（或场强幅度）最小点处反射系数)(z Γ相角应满足
1)2cos(0-=-Γϕβz
1)2cos(0-=-Γϕβz
即...3,2,1,0,)12(20=+=-Γn n z πϕβ
若取距终端负载最近那个电压（或场强幅值）最小点距离1min l z z ==, 代入上式, 则:
πβϕ-=Γ102l
而g
λπ
β2=
, 1
1
)0(+-=
Γs s 式中,
g λ为波导波长, s 为驻波比。

由此可知, 只要测出s 和1l （在某一频率下）, 即可求
出负载l Z , 它比计算方法要方便得多, 比如用阻抗圆图（用导纳圆图也可）来求阻抗l Z , 如图2－3所表示。

如前所述, 首先测出在某一频率下得驻波比s 和电压最小点（距终端被测负载l Z 最近得那点）距离1l , 然后在图2－3中以O 点为圆心画出等驻波比圆（s 圆）, 并与实轴交于P 点, 该点即电压最小点处位置, 其阻抗归一化值为s /1。

由P 点开始沿等s 圆逆时针旋转g l λ/1刻度, 过此刻度与圆心O 连一直线与s 圆相交于M 点, 该点对应值就是被测负载l Z 归一化值, 将该值再乘以c Z , 即得所求负载阻抗l Z 。

图2-3
2．在实际测负载阻抗l Z 过程中, 因为系统结构上原因, 用测量线无法直测得距负载最近那个电压（或场强幅值）最小点距离1l , 比如, 它可能处于测量线探针无法靠近位置。

此时, 可采取简接方法求出l , 如图2－4所表示。

首先,
将测量系统得终端用短路板
Z l
E
12
图2-4
短路, 形成纯驻波状态（参见图2-4中图形①）, 终端即为电压（或场强幅值）得最小点（理论上为零点）, 从终端算起向信号源方向, 每隔2/g 距离就出现一个最小点, 所以总会由部
分最小点落在测量探针能够达成范围之内。

我们能够任取其中某个最小点（比如1Z 点）看作系统得终端位置（即被测负载l Z 位置）, 然后取下短路板, 接上被测负载l Z , 此时系统呈纯驻波状态（参见图4-2中图形②）, 在1Z 左侧找到距1Z 最近那个电压（或场强幅值）最小值位置2Z , 则所求得121Z Z l -=。

至此, 再利用圆图即可求出被测负载l Z 。

3． 在7.5~12.4GHz 频率范围内得某个频率上将系统调整到正常工作状态, 测出频率及
其波导波长。

在终端负载处装上被测喇叭天线, 求出驻波比s 和距终端负载最近电压（场强幅值）最小距离1l , 用阻抗（或导纳）圆图求出喇叭天线等效（输入）阻抗, 并将其与计算法求出阻抗加以对照。

改变一下信号源频率, 再重作一次, 以观察喇叭天线等效（输入）阻抗改变。

试验三 阻抗匹配
一、 试验目
掌握阻抗匹配方法, 利用单螺钉（相当于单株线）调配器使波导系统与喇叭天线相匹配。

二、 试验装置和试验原理
1．阻抗匹配在实际应用中是很普遍、 很关键。

因为这能够使信号源功率更有效地供给传输线, 并使传输线负载吸收更多功率, 而且还可提升传输线功率容量和增加信号源稳定性等。

匹配通常有信号源与传输线之间匹配, 以及传输线与负载之间匹配。

本试验仅研究后者匹配问题。

传输线与负载匹配能够采取阻抗变换器来达成。

也能够采取在传输系统中并联电抗性元件方法达成。

本试验采取后者, 使波导系统与喇叭天线（负载）相匹配。

2．试验装置如图3－1所表示。

它与试验一和试验二装置基础上是一样, 只是在测量
图3-1线与终端负载（喇叭天线）之间加入了一段带有螺钉调配器矩形波导, 称为单螺钉（单株线）调配器, 利用它使波导系统与喇叭天线得到匹配。

3．图3－2是单螺钉调配器结构示意图及其等效电路, 终端负载l Z 为一喇叭天线。

螺钉从矩形波导宽壁中心线处缝隙中插入波导内, 其插入深度能够调整, 螺钉能够在缝隙中左右移动。

由等效电路可知, 螺钉作用相当于一个并联在A A '截面处短路支线l (单株线), 当负载l Z 给定后, 首先选择适宜距离d , 当不考虑支线影响时, 使从A A '向负载看去归一化输入导纳为jb Y iA +=1, 然后调整l 长度（即螺钉深度）, 使其归一化输入电纳l jb 恰好与jb ±相抵消（即b 与l b 大小相等, 而符号相反）, 则在A A '处总导纳1='A A Y , 从而在该截面处得到匹配。

试验表明, 螺钉插入深度较小时, 其关键作用是使电场集中, 含有电容性质（容性电抗）, 当插入较多时, 关键展现电感性质（感性电抗）, 而插入适中时, 近似于一串联谐振电路。

这三种情况都与波导尺寸、 螺钉直径和工作频率等相关。

在实际应用中, 螺钉插入深度太多（尤其传输大功率时）, 会引发传输系统功率容量下降。

所以, 螺钉调配器通常都工作于容性电抗范围内。

Z l 图3-2
三、 试验内容
1．首先在7.5~12.4GHz 范围内某个频率上将整个试验装置调整到正常工作状态, 测出所选定频率和它对应波导波长g λ, 然后将喇叭天线和单螺钉调配器（在结构上它们可能已连成一个整体）一起接在测量线终端。

把螺钉从缝隙中全部旋出, 测出驻波比s , 以及喇叭天线归一化等效（输入）导纳l y , 设它位于导纳圆图P 点, 如图3-3所表示。

从P 点开始沿等驻波比圆（s 圆）向信号源方向转动, 与1=g 圆相交于M 1和M 2两点, 它们距负载距离（相对于g λ值）分别为g d λ1和g d λ2, 1d 和2d 是调配器螺钉能够选择两个位置。

不过, 如前所述, 为使螺钉工作在容抗范围内, 所以应选M 2点（也即2d d =）作为螺钉位置。

2．螺钉位置确定后, 慢慢地调整其插入深度, 每调整一次, 都要从测量放大器上观察一下驻波比s 改变趋势: 应使最大读数与最小读数之差越小越好。

当调到所要求匹配状态时（比如, 使05.1≤s ）,最大读数和最小读数之差应降到最小（比如, 约5个小格左右）。

因为多种原因影响, 螺钉实际位置d 会稍微偏离理论计算值, 在实际调配过程中可略加调整, 并依据试验确定螺钉最终位置。

应该指出, 以上所述, 是从理论角度上叙述了单株线（单螺钉）调配器计算方法和调匹配过程。

目在于加深对其匹配原理了解。

假如仅从达成匹配目见解看, 可无须优异行计算, 而是直接调整螺钉位置和插入深度, 并用测量放大器进行观察, 直至达成匹配为止。

3．如前所述, 喇叭天线与单螺钉调配器在结构上可能是一个整体。

假如这么, 那么,
在测量线终端处所展现负载, 就不单是喇叭天线本身等效（输入）阻抗了, 而是包含了单螺钉调配器那段波导影响在内总阻抗(参见图3-2)。

为方便起见, 我们用总导纳（总阻抗倒数）来确定螺钉位置d, 为此, 应首先找到这个总导纳归一化值在导纳圆图上位置, 然后由此位置开始, 沿等驻波比圆（s 圆）逆时针转到1=g 圆相交于两点, 取其中电抗为负点作为安置螺钉位置, 则距离d 依据圆图刻度就可求出。

若由此而确定d 可能因其太小, 而落不到单螺钉调配器缝隙内, 则可增加2/g λ某个倍数, 使d 落入缝隙内。

D 定了以后, 再调螺钉插入深度直到匹配为止。

总导纳知道了, 则喇叭本身导纳也就可求了。

顺便指出, 如同在试验二中求负载阻抗那样, 首先将测量线终端短路, 取某一电压（场强幅值）最小点（节点）作为终端参考点, 然后取下短路板, 接上被测负载（现为喇叭天线和单螺钉调配器）出现了新节点, 两节点距离之差即为负载最近电压节点距离1l 。

知道了1l , 则被测负载即可求出。

但有时会出现上述节点四处相重合, 即01=l 情况, 这说明被测负载阻抗是一纯电阻性阻抗, 其值为s Z Z C l =。