电磁场与微波测量实验报告(三)

电磁场与微波测量实验报告(三)

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电磁场与微波测量实验报告（三）

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实验一：微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量

一，实验目的

（1）学习微波的基本知识；

（2）了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术；

（3）学习用微波作为观测手段来研究物理现象。

二，实验原理

本实验接触到的基本仪器室驻波测量线系统，用于驻波中电磁场分布情况的测量。该系统由以下几个部分组成：

检波指示器

1，波导测量线装置

2，晶体检波器

微波测量中，为指示波导（或同轴线）中电磁场强度的大小，是将它经过晶体二极管检波变成低频信号或直流电流，用直流电流表的电流来读数的。

3，波导管

本实验所使用的波导管型号为BJ-100。

4，隔离器

位于磁场中的某些铁氧化体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性，隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输的作用。

5，衰减器

把一片能吸微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率从以及去耦合的作用。

6，谐振式频率计（波长表）

电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本不影响波导中波的传输。当电磁波的频率计满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。

7，匹配负载

波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。

8，环形器

它是使微波能量按一定顺序传输的铁氧体器件。主要结构为波导Y 型接头，在接头中心放一铁氧体圆柱（或三角形铁氧体块），在接头外面有“U”形永磁铁，它提供恒定磁场H0。

9，单螺调配器

插入矩形波导中的一个深度可以调节的螺钉，并沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝作纵向移动，通过调节探针的位置使负载与传输线达到匹配状态。调匹配过程的实质，就是使调配器产生一个反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射而达到匹配。

10，微波源

提供所需微波信号，频率范围在8.6-9.6GHz内可调，工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。

11，选频放大器

用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，经整流平滑后输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示

电路检测。

三，实验内容和实验步骤

1.观察测量系统的微波仪器连接装置，衰减器，波长计，波导测量线的结

构形式。

2.熟悉信号源的使用

先将信号源的工作方式选为：等幅位置，将衰减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出；再将信号源的工作方式选为：方波位置，将衰

减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出；

3.熟悉选频放大器的使用；

4.熟悉谐振腔波长计的使用方法；

微波的频率测量是微波测量的基本内容之一。其测量方法有两种：（1）谐振腔法；（2）频率比较法。本实验采用谐振腔法。

由于波长和平率直接满足关系，所以频率和波长的测量是等效

的。吸收式波长计的谐振腔，其只有一个输入端和能量传输线路

相连，调谐过程可以从能量传输线路接收端指示器读数的降低可

以判断出来；本实验采用了吸收式波长计测量信号源频率，为了

确定谐振频率，用波长表测出微波信号源的频率。具体做法是：

旋转波长表的测微头，当波长表与被测频率谐振时，将出现波峰。

反映在建波指示器上的指示是一跌落点，此时，读出波长表测微

头的读数，再从波长表频率与刻度曲线上查出对应的频率；

5.按实验书框图连接微波实验系统；

6.微调单旋调配器，事腔偏离匹配状态（出于匹配状态时，电流

会达到一个最小值），检波电流计上有一定示数（大于最小值）；

7.调节波长计使检波电流计再次出现最小值的时候，读出此处波

长计的刻度值；

8.按照波长计的刻度值去查找“波长计-频率刻度对照表”，就可

以得到对应的信号源频率值；

9.改变信号频率，从8.6G开始测到9.6G，每隔0.1G测量一次，

记录在数据表格中。

四，实验结果和分析

表格数据结果如下图所示：

信号源频率波长表读数查表得到频率信号源误差误差（%）

8.6 12.63 8.59 0.01 0.116

8.7 11.33 8.681 0.019 0.218

8.8 10.01 8.784 0.016 0.182

8.9 8.91 8.88 0.02 0.224

9.0 7.95 8.983 0.017 0.189

9.1 6.73 9.101 0.001 0.011

9.2 6.09 9.175 0.025 0.272

9.3 5.33 9.269 0.031 0.333

9.4 4.58 9.369 0.031 0.333

9.5 3.93 9.462 0.038 0.4

9.6 3.32 9.556 0.044 0.458

误差分析：

1.f0为信号源频率值；f1为查表得到频率；f=|f0-f1|为信号源误差。

本实验的数据如表格中所示：f=|f0-f1|的误差很小在可控范围

0.009~0.044内，所以认为实验成功。

2.产生误差的原因为：①仪器测量自身产生的误差：毕竟是用了很久

的仪器，而且连接的器件也很多，所以误差在所难免；②人为误差：在读数据时需要几个人的配合，调节波长表的测微头，观察电流表指针变化是两个人，可能会使数据有误差，加之在读数上也会有人为误差；

实验二：波导波长的测量

一，实验内容

波导波长的测量

【方法一】两点法

实验原理如下图所示：

图1

按上图连接测量系统，可变电抗可以采用短路片，在测量线中入射波与反射波的叠加为接近纯驻波图形，只要测得驻波相邻节点

得位置L1、L2，由公式即可求得波导波长。

两点法确定波节点位置

将测量线终端短路后，波导内形成驻波状态。调探针位置旋钮至电压波节点处，选频放大器电流表表头指示值为零，测得两个相

邻的电压波节点位置（读得对应的游标卡尺上的刻度值T

1和T

2

），

就可求得波导波长为：

=2|T’min– T min|

由于在电压波节点附近，电场（及对应的晶体检波电流）非常小，导致测量线探针移动“足够长”的距离，选频放大器表头指针都在零处“不动”（实际上是眼睛未察觉出指针有微小移动或指针因惰性未移动），因而很难准确确定电压波节点位置，具体测法如下：把小探针位置调至电压波节点附近，尽量加大选频放大器的灵敏度（减小衰减量），使波节点附近电流变化对位置非常敏感（即小探针位置稍有变化，选频放大器表头指示值就有明显变化）。记取同一电压波节点两侧电流值相同时小探针所处的两个不同位置，则其平均值即为理论节点位置：

T min（T1+T2）（1a）最后可得=2|T’min– T min| （1b）两点法确定波节点位置示意图

图2

【方法二】间接法

矩形波导中的H10波，自由波长λ0和波导波长λg满足公式：

其中：λg=3108/f ,a=2.286cm

通过实验测出波长，然后利用仪器提供的对照表确定波的频率，利用公式λ0 = 确定出λ0，再计算出波导波长λg，利用波长表进行波导波长测量要注意，测量信号波长完成后要将波长计从谐振点调开，以免信号衰减后影响后面的测量。

二，实验步骤

（1）观察衰减器、空腔波长计、驻波测量线的结构形式、读数方

法。

（2）按图一检查系统的连接装置及连接电缆和电缆头。

（3）开启信号源，预热仪器，并按操作规程调整信号工作频率及

幅度，并调整调制频率。

注意：输出信号功率不能过大，以免信号过大烧坏检测器件及仪器，

开启选频放大器电源，预热按说明书操作。

注意：分贝开关尽量不要放在60db位置，以免工作时因信号过大

损坏表头。

（4）利用两点法进行测量，将波导测量线终端短路（同轴测量线

终端开路），调测量放大器的衰减量和可变衰减器使探针位于波腹

时，放大器指示电表接近满格，用公式1a，1b两点法测量波导波

长。

（5）将驻波测量线探针插入适当深度（约1.0mm），将探针转移

至两个波节点的中点位置，然后调节其调谐回路，使测量放大器指

示最大。

（6）利用间接法来测量波导波长λg，首先，用波长计测量信号波

长。测三次取平均值，再按照公式二计算λg，测量完成后要将波

长计从谐振点调开，以免信号衰减影响后面的测量。

校准晶体二极管检波器的检波特性

（7）将探针沿测量线由左向右移动，按测量放大器指示每改变最

大值刻度的10%，记录一次探针位置，给出u沿线的分布图形。

（8）设计表格，用驻波测量线校准晶体的检波特性。

（9）作出晶体检波器校准曲线图。

令d作为测量点与波节点的距离；do是波节点的实际位置，d0+d就是测量点的实际位置

（10）再移动探针到驻波的波腹点，记录数据，分别找到波腹点相

邻两边指示电表读数为波腹点50%对应的值，记录此刻探针位置d1

和d2，根据公式

求得晶体检波率n，和（8）所得的数值进行比较。

三，实验结果分析

两点法测波长

T181.9 107.9

T2 87 103.1

T min 84.45 105.5 由公式（1b）可求得λg=42.1

所测量的波导波长：42.1 波节点d0的位置：

82

相对电

场强度

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

d(理论

值)

测量值

d

0 0.54 1.08 1.66 2.23 2.84 3.48 4.21 5.01 6.09 8.53

测量点

实际位

置d+d0

87 87.54 88.08 88.66 89.23 89.84 90.48 91.41 92.01 93.09 95.53

U 3 4 5 6 8.5 12 19 24 33 43.5 61

(1)作出测量线探针在不同位置下的读数分布曲线

数据分析：由于此时波导中存在的是驻波，并且测量的位

置是从波节到相邻的波腹，所以画出来的波形应该是正弦曲线

的四分之一，由上图可以看出，实验结果基本符合，误差在允

许范围内。

(2)给出检波晶体的校准曲线，求出晶体检波n；

上图为对数坐标，横轴表示logE，纵轴表示logU

分析：根据理论分析，上图应该是一条斜率为n的直线，而实际确实在前半段有所弯曲，而后半段近似于一条直线，故

采用后半段计算斜率，经计算，直线的斜率约为2.1，所以晶

体检波率为2.1。

第二种定标方式： = 2.15

(3)两点法测波长如第一个表，λg = 42.1mm

间接法测量波导波长

λg = = 43.19mm

比较两种方法测量出的波导波长，可以看出相差不大，说明实验结果比较准确，实验操作规范正确。

(4)做晶体检波特性的校准时，有哪些主要误差因素？怎样减少或避免？

答：探针深入长度放在适当深度，当探针沿线移动时，应避免

探针上下左右晃动。

(5)你所测的晶体校准曲线的应用条件是什么？

答：晶体二极管是一种非线性元件，亦即检波电流I

同场强E之间不是线性关系：I=k*E n,当微波场强较大时呈现直线

律，当微波场强较小时（P<1μw）呈现平方律。

四，思考题

（1）在波导系统终端短路的情况下，插入具有导纳的探针

后，波导中真正驻波图形如何改变？

答：Gu为探针等效电导，Bu为探针等效电纳，当终端

短路时，驻波节点处的输入导纳Yin→∞趋近于无穷

大，驻波最大点A及最小点Gin=0的圆上。如果探针放

在驻波的波节点B上，由于此点处的输入导纳Yin→∞，

故Yu的影响很小，驻波节点的位置不会发生偏移。如

果探针放在驻波的波腹点，由于此点处的输入导纳Yin

→0，故Yu对驻波腹点的影响就特别明显，探针呈容性

电纳将使驻波腹点向负载方向偏移。

（2）用波长表测量自由空间中的信号振荡频率后，为什么还

要失谐频率计？

答：电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频

率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基

本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的

谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变

化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出

幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振

时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。如果不失

谐频率计，波导中传播的电磁波会十分微弱

（3）平方律检波特性，只有在小信号时才适用，在测试过程

中需要采取哪些措施来实现小信号？

答：使用衰减器：衰减器是把一片能吸收微波能量的吸收

片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管，用以部分衰

减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。

衰减器起调节系统中微波功率的作用。

（4）为什么要测量晶体检波率，指示电表读数和微波场强E

之间成什么关系？

答：当微波功率变化较大时a 和k 就不是常数, 且和

外界条件有关, 所以在精密测量中必须对晶体检波器进

行定标。电表读数和场强的成指数关系。

五，实验总结

本次实验中，我复习了微波的基础知识，并且在实验中了解到微波在波导中传播的特点，掌握了微波基本测量技术，并且学习到了用微波作为观测手段来研究物理现象。实验中我们用了新的一种仪器，在老师的细心讲解下，我们了解了基本的操作步骤，知道每一个模块有什么作用，然后我们根据书中的讲解进行实验，实验中有很多地方我们可能没有完全理解，使得实验频繁出错，导致数据大量浪费。所以我们在之后的实验中，要注意理解书中的内容，不要根据自己的思路随意实验，有些步骤是很必要的，不能缺少的，在实验中要格外注意，在下一次的实验中，我们要提前去预习实验，因为不同的实验难度不同，如果不提前预习的话，会让你的实验速度很慢，也会遗漏一些步骤，这些都会影响实验数据的准确性。