微波实验指导书2012

实验一微波常规测量系统的熟悉与调整
一、实验目的
1、了解常用微波常规测量系统的组成，认识常用微波元件，熟悉其特性、在系统中的作用及使用方法。

2、熟悉常用微波仪器的调整和使用方法。

二、实验原理
1、实验系统简介
图1-1 常规微波测量系统
微波常规测量系统如图1-1所示。

系统中的仪器和主要元件作用如下：
(1)、信号源：产生微波信号。

常用的简易信号发生器，包括速调管振荡器、速调管电源和调制器。

速调管振荡器产生并输出需要的连续或调制信号，速调管电源供给速调管振荡器所需各组稳压电源，调制器产生方波调制信号（重复频率一般为1000Hz ）,对速调管振荡器进行方波调制。

标准信号发生器主要有速调管和体效应管两类，在包含上述功能的基础上增加了输出幅度调节器（可变衰减器）以及频率计等。

(2)、频率与功率监视部分：由正向接入的定向耦合器从主通道中耦合出一部分能量，通过对该部分信号的监测，确定其信号源的频率并监视输出功率的稳定性，标准信号源往往附有监测系统。

(3)、隔离器：是一种铁氧体器件，用于消除负载反射对信号源的影响。

理想的隔离器只允许信号由源向负载单方向通过（即对入射波衰减为零）。

而全部吸收由负方载向源的反射功率（即对反射波衰减为无穷大）。

利用其单向传输特性，既保证了信号的正常传输，又防止反射波进入信号源影响其输出功率和振荡频率的稳定。

实用的隔离器正向衰减为零点几分贝，反向衰减为几十分贝。

在没有隔离器时，可用固定衰减器代替。

此时，对正向、反向信号有同样衰减。

(4)、衰减器：分固定衰减器和可变衰减器两种。

为电平元件，用来调节输出功率的大小。

调整可变衰减器的衰减量，可以控制到达负载的功率，使指示器有适度的指示。

固定
衰减器也可以用定向耦合器代替。

(5)、测量线：用来测量负载在传输线上造成的驻波分布，确定驻波系数、驻波最小点位置和波导波长等，以便计算各种待测参数。

(6)、指示器：指示检波电流的大小，对连续波信号、常用微安表、光点检流计等指示器。

而对调制波信号，常用选频放大器做指示器。

(7)、负载：包括匹配负载、短路器及其它任何待测终端器件。

(8)、频率计：用于测量信号源频率。

在简单的测量系统中也可以将其接在主通道中，接在副通道中的目的在于防止对主通道产生影响。

2、系统调整
在进行微波参数测量之前，首先要对系统进行调整。

主要包括：①根据要求调整信号源频率及输出功率；②调整可变衰减器使功率电平满足要求；③系统调配；现将主要调整步骤和原理介绍如下：
(1)、信号源的调整
试验过程中可能会接触到不同型号按“点频”方式工作的信号源，其机械调谐旋钮置于某一位置时，输出相应的单一频率信号。

常用的振荡是反射式速调管振荡器或体效应管振荡器。

信号源的调整主要包括：①调整频率旋钮，选择需要的频率；②系统调配和调整输出祸合度，使振荡器处于最佳工作状态且输出功率最大；③调整输出衰减器，使信号源输出功率满足测量要求。

在使用信号源之前，请仔细阅读说明书。

(2)、谐振式频率计的使用
在厘米波段，广泛使用谐振式频率计（也称为谐振式波长计）。

测量微波频率，实际上是使用一只一端尺寸可调（一般用短路活塞）的单模谐振腔，将其以适当方式接入到测量电路中，调整短路活塞（即改变腔体长度），使之与信号源频率谐振，谐振时活塞位置刻度所对应的频率值，即为待测频率。

本实验使用的谐振式的频率计的读数方式是直读式，即将校准的频率值直接标注在测微器的外侧圆筒上，使用时可直接读出频率。

谐振式频率计按其结构和接入系统的情况可分为通过式和吸收式两种，本实验使用吸收式的频率计。

该种频率计腔体只有一个耦合元件。

腔体通过耦合机构与待测信号的传输系统相耦合，形成主通道的一个分支。

腔体失谐时，基本上不吸收微波功率，从而不影响信号的正常传输，检波指示正常，当调谐腔体使之与待测信号谐振时，腔体吸收功率很大，从而使检波指示明显下降。

因此，在测量时只要缓慢连续调节调谐机构，同时观察检波指示。

当指示突然下降到最小时，频率计所对应的谐振频率就是待测信号频率。

（3）、测量线的调整与使用
测量线的构造主要包括开槽线段（波导、同轴线或者平板式）、探头装置（包括探针、检波座和调谐器）、探头移动机构和位置测量装置等。

探针伸入开槽线段中并通过轴向槽缝可以左右移动，拾取开槽线段中的电场能量，感应出与场强幅度成正比的电动势加到检波晶体上。

检波输出由指示器指示。

因此，指示器的指示大小可反映出开槽线段内探针所在0位置的相对电场强度，再由测量线的位置刻度指示可确定一系列参数。

（4）选频放大器的调整
调节选频放大器的频率微调，使得电表只是尽量达到最大（不一定是满刻度）。

此
时，选频放大器放大频率与微波信号源调制频率正好相同。

三、实验内容
1、调整信号源，调整输出信号电平。

2、测量工作频率，计算工作波长。

3、调整整个测量线系统，使系统工作在最佳状态，用测量线测波导波长，计算工作波长，并与2中的结果比较。

四、实验步骤
在实验开始之前，必须仔细阅读各仪器使用说明书，熟悉基本原理和使用方法。

（一）准备工作
按图1-1检查测试系统，将功率计探头接于负载端。

（二）信号源调整
1、阅读信号源使用说明书，按其说明进行调整。

2、减小可变衰减器1和3的衰减量，使指示器2有明显指示。

（三）频率调整
1.缓慢调整检波器的短路活塞，反复调整检波器的调配螺钉，使检波器指示器2指示较大或接近满量程。

2.缓慢调整谐振式频率计，使谐振于信号源频率，对吸收式频率计，检波指示器 2 突然减到最小。

3、读取频率计上的频率值，记录信号源频率，并计算工作波长。

（四）测量线的调整
1．减少可变衰减器2的衰减量，使测量线检波指示器1有明显指示。

2．移动测量线探针至驻波最大点位置（注意:在移：过程中需随时调整可变衰减器2使检波指示适中）。

3．反复细致地调整测量线探针的调谐旋钮，使检波指示器1指示最大。

4．按注二方法，检查调谐是否准确。

（五）波导波长的测量。

1、移动测量线探针，测量测量线（开槽波导）中的驻波最小点位置。

两相邻驻波最小点之间的距离为2
g λ，计算平均波导波g λ。

由公式
g λ=（1-8）
式中2c a λ=（BJ-100型波导：22.86a mm =，10.16b mm =。

BJ-48型波导：
47.55a mm =，22.15b mm =。

可得
λλ= （1-9）
按照式（1-9）计算工作波长，并与步骤（三）的结果相比较。

四、实验报告
1、画出微博测量系统的组成框图，并简述系统中各微博元件的作用。

2、测量频率值，并计算出信号源工作波长和传输TE 10模式时的波导波长g λ。

3、用测量线测量波导波长g λ。

五、思考题：
1、如何用谐振式频率计监测工作频率？
2、信号源输出端口接隔离器的作用是什么？
3、确定波导波长时，若用确定驻波最大点位置的方法，与用确定驻波最小点位置的 方法有何区别？
实验二 电压驻波系数测量
一、实验目的
熟悉驻波测量线的正确使用方法；掌握用直接法测量驻波系数（电压驻波比）的原理和方法；理解微博技术中一些基本元件的工作原理和匹配概念。

二、实验原理
如图2-1所示，测量单口器件的驻波系数时，待测器件接在测量线输出端；测量双口（或多口）器件的驻波系数时，需要输出口接 1.02s <的匹配负载。

图 2-1 电压驻波比测量电路
对中小驻波系数（一般6S <或更小），可以用直接接法测量，即移动测量探针，根据在驻波最大点和最小点时指示器的指示max α和min α，按下式计算待测器件的驻波系数。

1max min n
S αα⎛⎫= ⎪⎝⎭
（2-1）
式中n 为晶体检波律。

在检波功率电平最小（小信号检波）的情况下，可取n=2，则
S = （2-2） 为了消除由于检波律不确定而引起的计算误差，可以按实验一的方法预先对晶体定标，确定出检波律，然后计算待测器的驻波系数。

三、实验内容与步骤
（1） 按实验一的方法，调整测量线为最佳输出状态；
（2） 用直接法测量以下五种不同负载情况下的驻波系数：
(a) 短路片；
(b) 开路负载；
(c) 匹配负载；
(d) 任意负载；
(e) 喇叭天线；
（3）结合传输线上不同工作状态的特性分析，联系以上实验结果，深入理解传输线工
作状态与所接负载的关系。

实验三 阻抗测量与匹配技术
一、实验目的
1、掌握测量线法量微波器件阻抗参数的原理和方法。

2、熟悉阻抗（或导纳）圆图在阻抗测量中的应用。

3、熟悉阻抗调配技术。

二、实验原理
（一） 驻波法测量微波器件阻抗参数的原理
当微波传输系统的终端负载与传输线的特性阻抗不匹配时，就会产生反射，在系统中形成行驻波或纯驻波。

由传输线理论知道，对于一段无耗传输线，距负载参考面距离为d 的任一点的阻抗in Z 和负载阻抗L Z ，传输线特性阻抗0Z 之间的关系为：
00022L g in L g
d Z jZ tg
Z Z d Z jZ tg πλπλ+=+ （4-1） 又因为在电压驻波电小点的输入阻抗为： 0in Z Z ρ= （4-2）
所以，当线上某一电压驻波最小点距负载的距离为min d 时，该点的输入阻抗同时满足（4-1）和（4-2）式，即
min
00
0max 022L g L g d Z jZ tg Z Z d Z jZ tg πλπρλ+=+ 简化此式，得到L Z 、0Z 、S 、min d 之间的关系为
min
0min 0212g L g d j tg Z Z d Z j tg πρλπρλ-=+ (4-3) 归一化负载阻抗L Z 为
min
min
0212g L L g d j tg Z Z d Z jtg πρλπρλ-=- (4-4) 阻抗测量装置如图4-1所示。

图4-1 阻抗测量装置图
为了避免复杂的运算，可以利用阻抗圆图求解，如图4-2所示。

在图圆上，以测得的ρ做等ρ圆。

从等ρ圆与极小点轨迹的交点A 处做沿等ρ圆逆时针（向负载方向）转动min g d λ电
长度到B 点，则B 点的阻抗即为归一化负载数阻抗。

图
4-2 用阻抗圆图求解负载阻抗
（二）驻波最小点的位置的确定
通常测量线探针至负载参考面有较长的一段距离，不能直接测出负载至第一个驻波最小点的距离min d ，需要采用间接的方法。

其原理如图4-3所示
图4-3 最小点偏移量min d 的确定
终端接短路片，将探针置于测量线终端短路时的驻波最小点位置1D ，设标尺刻度为1d ，该点至短路面的距离为2g
n λ。

去掉短路片，接上待测器件，则驻波图形将发生变化，最小
点1D 将向信号源方向移动。

向信号源方向移动测量线探针，找到邻近1D 的第一个驻波最小点位置2D ，设标尺刻度为2d ，则2D 距终端的距离为
212g
n d d λ+-
min 2121d D D d d =-=- （4-7）
（四）匹配技术
为了使负载与传输系统匹配，可以在负载与传输系统间加入调配元件。

调节调配元件，使之产生一个附加反射，它与由于负载不匹配而产生的反射波大小相等，相位相反，互相抵消，从输入端看去没有反射。

调配元件种类很多，可以根据不同的场合和要求灵活选用。

例如可以在系统中加入隔离器（主要用于源端匹配）、膜片、销钉等。

也可以加入可移单螺钉、固定位置的多螺钉、支节线等。

以可移单螺调配器为例，说明调配原理。

在一段开槽波导段上安装一个位置可调的螺钉，螺钉插入波导中，插入深度亦可调，就构成可移单螺钉调器。

将其接在测量线与被调
配负载之间，即可进行调配。

图4-7 调配原理图解
设系统终端负载的归一化导纳为L y ，在圆图上处于位置A 点，如图4-7所示，移动单螺钉的位置和插入深度，就是要找这样一个位置，在这个位置参考面上向负载端看入一输入导纳为1in y jB =±。

在圆图上相当于从A 点沿等圆移动到等S 圆与1G =圆的交点B （或交点C ），（图上B 点导纳值1jB +，C 点导纳值为1jB -）在这个位置改变螺钉插入深度，
相当于传输系统上并联一电纳jB μ，使与原来的jB ±相抵消。

此参考面上总的导纳值为1。

实现匹配。

在圆图上相当于从B 或C 点点沿1G =的圆移动到原点。

此时S=1达到了阻抗匹配的目的。

实际上，通常采用逐步减小驻波系数法进行调配。

即先把测量线探针置于驻波波谷点处，配合调节单螺调配器的水平位置和螺钉插入深度，使指示器读数有所增大，并随时跟踪驻波波谷，看其是否增大，如此反复进行，直到驻波波谷值再不能增大为止。

或把测量线探针置于驻波波腹点处，配合调节单螺调配器的水平位置和螺钉插入深度，使指示器读数有所减小，并随时跟踪驻波波腹，看其是否减小，如此反复进行，直到驻波波腹值再不能减小为止。

然后测量其驻波系数，看其是否满足要求，如不满足要求继续上述方法进行调配。

为了节约时间，可先用定向耦合器最小指示法进行粗调，如图4-8所示，把定向耦合器反接在系统中。

定向耦合器的副波导耦合出来自负载的反射波，经检波器检波，指示器指示，调节调配器直至检波指示最小。

粗调即告完成。

这种方法的调配精度受定向耦合器方向性的限制，例如对于Ko =20db 的定向耦合器，利用此法可能判别出的系统的最小驻波系数为1.20。

图4-8 用定向耦合器最小指示法粗调匹配装置图
三、实验内容
1、测量开口波导或任意负载的归一化阻抗。

（1）测量线调整至最佳输出状态，输出端接短路片，
①用谐振式频率计测量并记录工作频率
②用实验二方法计算波导波长g λ。

（2）在测量线中段取一驻波波节点位置D 1，设标尺刻度为d 1，置探针于位置D 1保持不动。

（3）取下短路片，使测量线输出端开口或接上任意负载。

向信号源方向移动探针，找到与
1D 相邻的波节点位置2D （设标尺刻度为2d ），计算min 21d d d =-，即为从负载向信号源方向出现的第一个波节点的位置。

（4）用前直接法测量驻波系数。

（5）计算开口波导或任意负载的归一化阻抗
2、用双T 调配器调配任意负载，了解双T 调配器的原理
思考题：
1、调配器应该连接在测量系统的什么位置？为什么？
d时，是否一定按本实验所述向信号源方向移动探针？如果向负载端移动2、测定
min
探针找驻波节点，应该如何处理。

3、波导终端短路时的阻抗值为零，而开口时的阻抗值为什么不为 ？
4、单螺钉调配器的工作原理是什么？。