实验二、 波导测试系统实验-20140527

Hz 的最终公式为：
nπX
nπY
Hz=Anm cos
cos
e-jβgz
a
b
…..(3-10)
由公式 3－10 得出相关的横面 E 场和 H 场，直角坐标的麦克斯维方程为：
jωμmπ Anm nπX
nπY
Ex=
sin
e-jβgz
Kc2b cos a
b
-jωμnπ Anm nπX
nπY
Ey=
cos
e-jβgz
实验二：波导内的传播类型、波长和相位速度
1.实验目的 一、学习波导理论 二、通过实验学习自由空间与波导内的微波传播特性
2.实验理论 微波波导是矩形或圆形截面的空金属管。在本实验里使用的是矩形波
导。下面的数学分析是以矩形波导分析的。假设用户具有波动方程的基本 知识，那么圆形波导可以用圆柱坐标，并用相似的方法分析。我们从波动 方程开始分析。 A 、波动方程
圆柱型谐振腔频率计的主要技术参数： 1. 频率范围：f =8.2-12.4GHz; 2.有载 Q 值：Q≥800; 3.精确度≤0.3%.
3.5 可变衰减器 可变衰减器结构如图 3.5 示，图中：1-标准三厘米矩形波导，2-法兰，3-
调节机构，4-衰减片。
3
1
2
图 3.5 在标准三厘米矩形波导内 E 面安装衰减片 4，衰减片 4 上装有二个连杆，连 杆通过开在矩形波导内 H 面上的二个小孔与调节机构连接，调节机构使衰减片 4 在波导内 E 面移动，以改变衰减量，调节机构的园盘刻有对应于衰减片 4 在波导 内的衰减量 可变衰减器主要技术参数： 1. 频率范围：f =8.2-12.4GHz; 2. 输入驻波比≤1.25;
简化的波动方程表达如下：
这里，（x,y,z）是标量波函数 k 表示波数，定义为：
… (3-1)
…(3-2) 在理想电介质里，在直角坐标系中，（3－1）变成：
…(3-3)
直角坐标系被建立了，如图 3-1。Z 是传播方向。
我们的目的是为得到一个这样的公式：
G(x，y)f(z)
…(3- 4)
这里，f 只是 z 的函数，g 只是 x 和 y 或其他合适的横向坐标的函数。
AT3000 三厘米波导实训系统介绍
西南科技大学 信息工程学院 电子教研室 夏祖学老师-0527
三、AT3000 三厘米波导实训系统主要技术性能
AT-RF3000 微波实验系统包括：耿氏振荡器、PIN 二极管调制器、频率计、 功率计、选频放大器、可变衰减器、固定衰减器、定向耦合器、魔 T、喇叭天线、 测量线、滑动螺杆调谐器、晶体检波器、匹配负载、波导/同轴转换器、短路板、 反射板、直波导、方波信号发生器、电源和 F9 频率扩展器.其主要技术性能如下：
…(3-7)
…(3-8)
将公式（3－7）、（3－8）代入公式（3－6）中，指定特征常数 Kx 和
Ky 的值。
nπ
Kx=
n=0,1,2,…
a
mπ
Ky=
m=0,1,2,…
a
通过以上关系，代入 AIBI = Anm ，得出”D”的表达式：

nπX
nπY
D=Anm cos
cos
a
b
…(3-9)
n=0,1,2,…. ； m=0,1,2,…. ； n=m≠0
3. 起始衰减量≤1dB; 4. 可变衰减量 0~20dB; 3.10.测量线 测量线的结构如图 3.10 所示：图中：1-标准波导 2-法兰 3-滑块 4-晶体 检波架 5.电子标尺，6.支架，它采用波导.滑块式结构，无调谐机构，.滑动 距离>60mm。
图 3.10 所述的标准波导 1 的 E 面中心开有一段槽缝，滑块 3 安装在标准波导 1 上， 晶体检波架 4 安装在滑块座上，波导 1 的二端安装法兰 2，在晶体检波架 4 内， 装有晶体检波二极管，二极管的一端与检波架的 BNC 输出接头的中心相接，另一 端探针相连接，探针深入标准波导 1 的 E 面中心槽缝中，深度为 3mm。电子标尺 5 安装在滑块 3 上，并在法兰 2 的内侧波导 1 上安装支架 6。电子标尺 5 安装在 支架 6 上，并使电子液晶屏和滑块 3 相连接。 所述的电子标尺 5 上，有三个开关，红色的为电源开关；兰色的为英制/公 制转换开关；黄色的为复零开关。在标尺右下方有一个电池盒，内装一钮扣电池。 为防止震动误开机，不使用时应拆下钮扣电池。移动滑块时，电子标尺 5 的液晶 屏显示相对移动距离。 测量线的主要技术参数：
a
b
且
且 n=m≠0。
整数 n 和 m 的意义在于 n 或 m 的值表示每个相对于 X 和 Y 的场分量半周
期变化的个数，
换句话说，每个 n 和 m 的结合代表波导里不同的场位形(或模式)。
(2) TM 模式：除 Hz 必须为 0 以外，获得 TM 模式的场分布表达式的步
骤和 TE 的是很
相似的。
B．矩形波导的特性
1 3
2
图 3.2 PIN 二极管调制器主要技术参数：
频率范围 f=8.2-12.4GHz; 输入驻波比≤1.5; 插入损耗≤3dB; 调制形式：方波、脉冲; 调制深度≥15dB.
3.3.频率计 频率计结构如图 3.3 所示，图中：1-标准三厘米矩形波导，2-法兰，3-圆柱
型谐振腔，4-调谐机构，5 频率读数
ωc=2πfc
1.输入电压 V=220V~ 2.输出直流电压 Vo=0-12V 电流 Io=500mA
3.20.选频放大器； 见选频放大器技术说明书
图 3.19
四、AT3000 波导测试系统模块组合框图
测量面
电
耿氏
频
晶体
选频
匹
源
振荡
率
检波
放大
配
短 路
函数信
PIN
功
号发生
调制
率
反 射
调配
定向
可变
测
器
耦合
衰减
量
天 线
(1) 截止频率和截止波长
指数形式 e-jβgz 代表波在+z 方向行进。让我们重新检查下面的关系：
i)K>Kc:βg 是实数，e-jβgz 是真正的+z 的行进方向。 ii)K<Kc:βg 是虚数，传输模式在+z 方向随距离快速衰减，导致传播
截断。介于传播和非传播的频率之间的频率叫做截止频率。 因为,
1
4 2 3
图 3.12 晶体检波器的主要技术参数：
1.工作频率范围：f =8.2-12.4GHz； 2.输入驻波比≤1.5； 3. 检波灵敏度>1.5 mV/μW。
3.13.匹配负载 匹配负载的结构如图 3.13 所示：图中：1-标准波导 2-法兰 3-负载 4-短
路板.
2 1 4
图 3.13 匹配负载应用最广泛的是表面涂有吸收材料并带有变斜面的片状结构，它 可以与最强电场强度矢量平行放置的单片式、双片式、多片式。 吸收片的电阻率为：每平方面积对边间的电阻为 100-600Ω，长度≥2-3λ， 匹配负载是将吸收片先凝接在短路板上，然后装入标准波导 1 中。
我们对三种传播模式感兴趣： 一、TEM (横向电磁波) 模式：在此模式里，电场和磁场都是横向传播
的，因此，在传播方向没有场分量，TEM 波不存在于波导。 二、TE(横向电波)模式或 H 模式：在此模式里，没有电场存在于 z 方向，
然而，有磁场存在于 z 方向，因此所有的场分量都来自于磁场的轴 向分量 Hz。 三、TM(横向磁波)模式或 E 模式：在此模式里，没有磁场存在于 z 方向， 然而，有电场存在于 z 方向，因此，所有的场分量都来自于电场的 轴向分量 Ez。 TE 和 TM 波是在空的波导内传播的波。我们将尽量用数学方法计算 TE 模式的场分量。 假设波导的内壁是用完美的导体制成的(σ = ∞)，并且波导内充满了理 想的介质( σ = 0 )，则场公式就可以简化了。这些是必要条件： (1)TEmn 模式
如果只考虑+z 方向，公式 3－5 可以写成 Hz 的公式： Hz=(A1cosKxX+A2sinKxX)( B1cosKyX+B2sinKyX)(C1e-jβgz)=De-jβgz …( 3-6) 波导的边界条件：横面磁场波的垂直分量(normal component)在理想导 体的波导壁上必须消失；正切的电场在波导壁上也要消失。所以，如 3-6 中定义的，“D”的要求是：
1.工作频率范围：f =8.2-12.4GH； 2.乘余驻波比≤1.05； 3.机械不平度≤1-2%。
3.12.晶体检波器 晶体检波器的结构如图 3.12 所示：图中：1-法兰 2-波导检波架 3-短路
板.4-BNC 输出接头。在波导检波架内装有晶体检波二极管，二极管的一 端与 BNC 输出接头的中心内导体连接，另一端通过调节螺栓与波导壁相连接。
匹配负载的主要技术参数： 1.频率范围：f =8.2-12.4GHz； 2.端口的输入驻波比≤1.05； 3.承受功率 Pmax=5mW。
3.15.短路板 短路板结构如图 3.15 所示：它是一个 FJB-100 标准波导法兰板。
短路板的主要技术参数：驻波比>10。
图 3.15
3.16.反射板 反射板是一个用双面附箔聚脂纤维玻璃板
如图 3.16 所示。
图 3.16 3.17.直波导
直波导结构如图 3.17 所示：它是由一个 FJB-100 标准波导和二个 FJB-100 标准法兰组成。
图 3.17 直波导的主要技术参数：端口的输入驻波比≤1.05。 3.18.函数信号发生器
函数信号发生器结构如图 3.18-1 所示，图 3.18-2 为电原理图。函数信号 发生器可产生方波，正弦波，三角波。
3.2.PIN 二极管调制器 PIN 二极管调制器的结构如图 3.2 所示，图中：1-标准三厘米矩形波导，2-
法兰，3-BNC 调制信号输入接口。在矩形波导内 E 面中心装有一块两端呈锥形的 铜块，铜块的长度等于矩形波导长度，高为 mm，与波导上端有一个间隙，在 BNC 调制信号输入接口的中心导体上，装有.PIN 二极管，.PIN 二极管的另一端压接 在锥形的铜块上，使用时 PIN 二极管应加负偏置。
3.1.耿氏振荡器
3 1 2 4
图 3.1 耿氏振荡器的结构如图 3.1 所示，图中；1-腔体、2-BNC 供电电源接口、3短路活塞及微调机构、4-输出接口，腔体为标准三厘米矩形波导内腔，腔体外形 尺寸为：41.5×41.5mm。输出接口端面即为标准三厘米矩形波导法兰，腔体的另 一端为短路活塞及微调机构，微调机构采用分厘卡，调节距离大于 22mm，微调 精度为 0.01mm，在 BNC 供电电源接口下方的腔体内，装有耿氏二极管，一端与 在 BNC 中心导体相连，另一端与通过一个调节螺钉与腔体壳体相连。 耿氏振荡器主要技术参数： 频率范围 f=8.2-12GHz,输出功率 Po>10mw.
Kc2b sin a
b
Hx= jβgnπ Anm nπX cos nπY
e-jβgz
…(3-11) …(3-12) …(3-13)
Kc2b sin a
b
jβgmπ Anm nπX
nπY
Hy=
sin
e-jβgz
Kc2b cos a
b
…(3-14)
注意，
nπ
nπ
Kc2=(
)2+(
)2＝序号为 nm 模式的截止波数，
用变数分离法解(3-3)，求 Φ：
Φ={A1cos(KxX)+A2sin(KxX)}{B1cos(KyX)+B2sin(KyX)}
….(3- 5)
图 3－1 矩形波导在矩形坐标系里
由于电磁波传播只发生在 z 轴上，这里,Kx2+Ky2=K2 并且 （βg=2/波长）。电磁波在 z 轴正方向传播可用 e-jβgz 来表示，因此，相应的 ejβgz 表示在 z 轴的负方向。
函数信号发生器的主要技术参数；
图 3.18 1.输入电压 V=220V~； 2.输出方波电压 Vp-p=7V，
输出正弦波弦波电压 Vp-p= 4 V， 输出三角波电压 Vp-p= 5 V， 输出直流电压 Vdc= -2~+6V； 3.输出频率范围： f =0.5-2kHz。 3.19.电源 电源结构如图 3.19-1 所示，图 3.19-2 为电原理图。 电源的主要技术参数；
4 5 3
1 2
图 3.3
圆柱型谐振腔频率计，不论腔内激励 Hmnp 或 Emnp 波，其谐振波长为； λ=2/[（Bmn/πR）2+（P/L）2]1/2
式中：R 为腔的半径 cm L 为腔的长度 cm B 为波因子 B=3.832
圆柱型谐振腔 3，安装在矩形波导 H 面上，它们之间依靠一个腰子形小孔合， 当输入信号的波长等于圆柱型谐振腔波长时，圆柱型谐振腔吸收输入信号的能量 最大，波导的输出端信号的能量最小。当输入信号频率未知时，调节调谐机构 4， 使输出端信号的能量最小，此时频率计上显示频率读数即为输入信号频率。