微波实验指导(终)

实验一 系统设备简介、频率测量
一、 实验目的：
1通过实验使得学生熟悉、了解实验所用设备及附件的性能、用途等。

2 掌握用频率计测量频率的方法。

二、 实验所用设备及方框图（设备详细介绍见附录2）
本实验所用设备及附件为YM1123信号发生器；YM3892选频放大器；波导/同轴转换器；PX16频率计；晶体检波器，其连接方框图如下：
图 1
三、频率测量的实验步骤：
1
按方框图连接好实验系统。

2 检查实验系统准确无误后，打开选频放大器，将增益开关置于40~60分贝档。

3 打开信号发生器，圆盘刻度置于100档，重复频率量程置于100处，设备右上角←、→置于档，这时即有了输出，输出功率的大小用衰减旋纽调
节。

4 观察选频放大器，若指示太小，调节晶体检波器和选频放大器增益调节，原则上使选频放大器指针指示在满刻度的4/5上，调节频率计，找到频率计的吸收峰值，观察这时频率计的刻度值，此值即为所测的频率值。

5 关闭设备，整理好附件。

6 数据整理，写出实验报告。

实验二 波导波长的测量
一、 实验目的
1 掌握使用“中值法”测量最小值的方法。

2 掌握波导波长的测量方法。

3 熟练掌握微波成套设备的使用。

二、 实验原理
波导波长是用驻波测量线进行测量的，驻波测量线可测出波导中心电场纵
轴的分布情况，在矩形波导中：
g λ=
（1）
其中c λ为截止波长，0λ为自由空间波长。

'''
2222(()/2g D D D λ==+
c
λ
=
对截止波长：m=1,n=0; 2c a λ=
我们知道相邻两个电场的最小点（或最大点）间的距离为半个波长。

如图所示：
E
E 121
2
21E
图 2
测量波导波长时，利用测量线决定相邻两个电场的最小点（或最大点），就可以计算出波导波长g λ。

测量波导波长时，由于电场的最小值的变化比最大值尖锐，因此往往采用测量两个电场最小值的位置来计算，即：
212()g D D λ=- （2）
为了测量电场最小值的位置，常常采用中值读数法，具体方法为在最小值附
近找出极小值，例如找到'1D 和''1D 来确定1D 的位置，找到''2D 和'
2D 来确定2D 的位
置，公式为 '''111()/2D D D =+ （3）
'''
222
()/2D D D =+ （4） 三、 实验原理框图
图 3
四、 实验步骤：
1 按方框图连接设备极其附件。

2 经检查连接无误后，打开信号发生器和选频放大器。

3 测量线终端接短路板。

4 将信号发生器←、→键置于
档。

5 缓慢移动测量线，观察选频放大器，若指针满偏即顺时针调节信号
发生器饿衰减旋纽和增益开关，若信号太小，则反之旋转。

6 移动测量线，找出最小值，在最小值附近确定极小值，代入公式，。

最后确定出
g
7 关闭设备，整理附件。

8 根据实验结果，写出实验报告。

实验三电压驻波系数测量
一、实验目的
1 掌握大、中、小电压驻波系数的测量。

2 熟悉各种测量附件在测量中所起的作用。

二、所用成套设备及方框图
短路片
匹配负载
片+匹配负载
图4
三、实验原理
驻波系数测量是微波测量中最基本的测量，通过驻波测量，不仅可以了解
传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、波长、相位线、衰减、Q值等其他参量，
传输线上存在驻波时，能量不能有效地传到负载，这就增加了损耗；大功率传输
时，由于驻波的存在，驻波电场的最大点初就可能击穿打火，因而驻波的测量以
及调配是十分重要的。

根据驻波系数的定义，可知ρ的取值范围为1ρ≤<∞，通常按ρ的大小
可以分为3类，ρ<3为小驻波比，310ρ≤≤为中驻波比，10ρ>为大驻波比。

驻波系数的测量方法很多，有测量线法、反射计法、电桥法和谐振法等，用测量线进行驻波系数测量的主要方法有直接法、等指示度法、功率衰减法等等。

（1）直接法：测量方框图4所示。

将测量线探头沿线移动，测出相应各点的驻波场强分布，找到驻波电场的最大点与最小点，直接法代入如下公式就可以得到驻波比，如测量线上的晶体检波律为n ，则a 为输出电压表指示。

1max min
()
n
a a ρ= （5）
通常在实验室条件下检波功率电平比较小，可以认为检波特性为平方律，
即n=2,有
ρ= （6）
为了提高精确度，必须尽量使电表指针偏在满刻度的1/2以上。

当被检测器件的驻波系数较大时，测量放大器电表不可能在同一量程中同时准确的读出
max a 和min a ，这时就必须利用放大器输入电路中的分级衰减器。

计算时，必须见衰减器数值计入，当驻波系数在1.05 1.5ρ<<时，由于驻波场的最大值和最小值相差不大，且变化不尖锐，不易准确。

为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹与波节点，记录数据，然后取其平均值。

直接法的测试范围受限于晶体的噪声电平及平方律检波范围。

（2）等指示度法（二倍最小法）：当被测器件的驻波系数大于10时，由于驻波最大与最小处的电压相差很大，若在驻波最小点处使晶体输出的指示电表上得到明显的偏转，那么在驻波最大点时由于电压较大，往往使晶体的检波特性偏离平方律，这样用直接法测量就会引入较大的误差。

等指示度法是通过测量驻波图形在最小点附近场强的分布规律，从而计算出驻波系数，如图5示：
a
D
1
D 2
D
min
I min
2I
图5
若在最小点处的电表指示为min a ，在最小点两边取等指示点1a ，两等指示点之间的距离为W ，有1min a Ka =
，设晶体检波律为n ，有驻波场的分布公式可以推出：
ρ=
（7）
通常
K=2（最小二倍法），且设n=2,有
ρ= （8）
当10ρ>时，上式可以简化为
g
w
λρπ≈
（9） 只要测出波导波长几相应于两倍最小点读数的两点1D 、2D 之间的距离W ，代入式子（8）就可以求出驻波比ρ。

可以看到，驻波系数ρ越大，g w
λ的值就越小，因而，宽度W 和波导波
长的测量精度对测量结果的影响很大，特别是在大驻波时，须要用高精度的位置指示装置如千分表，测量线探针移动时应尽可能朝一个方向，不要来回晃动，以免测量线齿轮间隙的回差影响精度，在测量驻波最小点位置时，为减小误差，必
须采用“交叉读数法”。

对很大驻波系数，由于测量仪器的限制，有时min a 不易测出，可以使用以下方法扩大驻波系数的测量范围；
（1）加深探针穿伸度：在一般的测量中，为了减小探针插入对驻波场分布的影响，探针穿伸度应限制在波导窄边的（10~15）%之内，然而有理论分析可以知道，探针对波节出的影响是较小的，而等指示度法所测量的正是最小点附近场的特性，因而可用增加探针穿伸度的方法提高测量最小点的灵敏度，所带来的误差是很小的。

（2）两次节点宽度法：在最小点两边测出两组不同的等指示值1a 、2a 所对应节点宽度1W 、2W 。

从驻波场公式可推出：
ρ=
（10）
式中1
2
a K a =
；平方律n=2. （3）功率衰减法：一种简便准确的驻波测量方法，其测量精度与晶体检波律、测量放大器的线性无关，而主要取决于衰减器校准精度和测量电路的匹配情况，在测量精度要求高时，应先对电源方向进行匹配，并选用高精度衰减器。

具体方法为：在驻波最小点处记下指示读数min a ，及此时可变衰减器的读数min ()A dB ，移动探针至驻波最大点，改变衰减器的衰减量使电表指示重新回到min a ，这时衰减器的衰减量为min ()A dB ，则有
max
max min min
20lg 10lg E A A A E ρ∆=-== （11）
所以20
10
A ρ∆=。

四、实验内容
1 直接法（1.53ρ<<时）
在测量线终端加匹配负载，移动测量线，找到max I 及min I ，代入公式
即可。

公式为max min
E
E ρ=
= （12） 2 等指示度法
（1）在测量线终端接短路片，将百分表装在测量线上。

（2）调节衰减旋纽，移动测量线，观察选频放大器，找出min I 的值。

（3）继续移动测量线，找出2min I 的值。

（4）利用百分表测出2
min I 的值为D 。

（5）继续移动测量线，是选频放大器读数从2min
I 到
min
I 再到
2
min I ，记住这些百分表的值即为2D 。

（6）由以上得出21D D D =-，代入公式求得ρ。

3 功率衰减法
（1）将膜片和匹配负载同时加在测量线的终端。

（2）移动测量线，观察选频放大器找出
min I （并且记住此位置）。

读取可变衰减器的读数并且查表得到min A 。

（3）移动测量线，观察选频放大器找出max I ，顺时针旋转衰减器，观察选
频放大器，使max I 到前面所读取的min I 的位置，读取这时可变衰减器的读数，查表即得max A 。

（4）将查表结果代入公式，得到ρ。

（5）关闭设备，整理附件。

（6）根据实验结果，写出实验报告。

实验四 阻抗测量
一、实验目的：
1 掌握测量阻抗的原理与方法
2 掌握史密斯圆图，求出负载的归一化阻抗
二、实验原理
阻抗测量实际上就是驻波系数ρ和D 的测量，即阻抗测量1()
()
j tg D Z
jtg D ρβρβ-=- 。

由于测量结构的限制，直接测量终端负载L Z 端面到第一个驻波节点的距离D 比较困难，因此在实际测量中常用“等效截面法”。

下面介绍此方法的应用。

首先在测量线终端接短路板，此时测量线的驻波分布如图示： 。

短路块
Z
T
D T
D A
D
图 6
这时测量某节点位置T D ，此位置即为终端负载的等效位置T D ，然后再去掉短路板，换上被测负载，系统的驻波分布图如图示，这时用测量线测量T D 左边的第一个波节点位置A D ，，即T A D D D =-。

三、实用电路及方框图
+匹配负载
图 7
四、操作步骤
1 按方框图连接设备。

2 检查设备连接无误后，打开选频放大器。

3 在测量线终端+短路片，测出T D 点。

4 将短路片换为容性+匹配负载，测出A D 点，并计算出C D 。

5 利用归一化负载阻抗L Z ，使用史密斯算出。

6 在测量线终端换为感性膜片加匹配负载，测量出A D ，并计算出L D 。

7 关闭设备，取下所用测量线终端附件。

8 整理数据，写出实验数据。

附录1 测量设备介绍
(一)YM1123标准信号发生器
一、概述
YM1123为3cm 波段信号发生器，本仪器适用于实验室及生产车间条件下，供接收机、测量线及其它无线电微波工程设备作为信号源用。

本仪器采用集成电路，故具有体积小、重量轻、耗电小、携带和使用方便等特点。

二、 技术参数
1、频率范围：7.5GHz~12.4GHz
（1） 显示误差： 1.5%1±±个字（输出功率不大于5mW 时）。

（2） 频率稳定度：4510/15-±⨯分钟（在等幅状态下，仪器预热30分钟后）。

2、输出功率：
（1） 毫瓦输出：在电压驻波比不大于1.7的50Ω负载时不小于5mW 。

（2） 微瓦输出：-10dBm~-100dBm （在电压驻波比不大于1.7的50Ω负载时）。

a 、 衰减读数误差 1.5dB ±。

b 、 剩余信号不大于-100dBm 。

3、寄生频偏：不大于6510-⨯，谐波含量不大于-20dB 。

4、仪器有下列工作方式：
（1） 等幅、电表及内部直流放大器组成微瓦小功率计，可用来测量校准衰减器
在100W μ时0dB 定标或用外接功率计监视100W μ输出功率（相当于-10dBm ），误差均为1dB ±。

（2） 内方波调制
a 、 重复频率范围：1⨯时，40Hz~400Hz
10⨯时，400Hz~4000Hz
b 、刻度误差：20%10Hz ±±
c 、 前后沿均不大于0.5S μ
（3） 内脉冲调制
a 、 重复频率范围：1⨯时，40Hz~400Hz
10⨯时，400Hz~4000Hz
b 、刻度误差：20%10Hz ±±
c 、 刻度范围：1~30S S μμ
d 、刻度误差：20%0.2S μ±±
e 、 前后沿均不大于0.2S μ
（4） 延迟范围：3~300S S μμ
a 、 刻度误差：20%1S μ±±
b 、f 重不大于2000Hz 时，延迟范围可达300S μ
c 、 f 重大于2000Hz 时，延迟范围由60.610/f ⨯重（S μ）确定。

（5） 外整步可接受重复频率为40Hz~10KHz 的正或负极性，幅度为4~18V 的
脉冲信号（其输出高频调制脉冲宽度、延迟与内调制相同）。

（6） 外调制可接受重复频率为40Hz~10KHz ，宽度为0.5~300S S μμ，幅度为
4~18V 的正或负极性的脉冲信号。

（7） 整步脉冲输出，无论内方波或外方波调制时（负载阻抗不小于10K Ω，负
载电容小于20pF ），仪器均能给出前沿优于0.5S μ及不小于2V ，整步脉冲信号输出。

本仪器调制方式是在高频输出系统中，采用同轴PIN 调制器，调制深度不小于26dB 。

5、本机在0010~40C C -+条件下，仪器可连续工作8小时，保证其技术参数。

6、电源电压：22022,50 2.5V V Hz Hz ±±
7、消耗功率：不大于45V A
8、外形尺寸：440178380mm mm mm ⨯⨯
9、重量：约12.5kg
10、输出阻抗：L16型50 。

三、结构特征
YM1123标准信号发生器的整体结构是高频部分、调制器部分、功率显示部分、频率显示及衰减显示部分、工作状态控制部分、电源部分六大件组成，外部形式为合式。

高频部分的腔体、衰减器、衰减电位器跟踪部分、螺旋凸轮传动及电压跟踪电位器、传动系统都安装在同一个安装板上，组成一个高频整体单元。

脉冲、电源的部分用插座固定在底板上，变压器、环流器、PIN调制器、带通滤波器都安装在底板上。

整个机体是由二侧框与底板、高频部分的安装板及后盖板相互紧固而成，然后将上、下盖板插入，就组成一台完整的仪器。

四、使用方法
1、注意事项
（1）仪器在一般情况下，开机就能工作，如作精确测量时，建议预热30分钟后使用。

（2）本仪器由附直流放大器及功率探头组成一个电平指示系统，但由于该功率探头的烧毁功率太小，极易操作失误而烧毁，因此在学校实验室特定环境下，建议用机外功率计校正为妥。

2、使用方法
（1）电源开关置于“开”时，工作状态指示灯亮。

（2）工作状态选择置于“等幅”，作大信号或无定标要求使用时，调节“衰减调节”可控制输出功率的大小。

反时针调节，信号输出增大，衰减显示减小；顺时针调节，信号输出减小，衰减显示增大。

（3）作小信号定标要求应用时，调节“调谐”旋钮，选定所需频率指示，“衰减调节”顺时针调至极端上，将仪器附带的功率探头，其带探头的一端与仪器背后的三线插座连接，探头一端与输出孔连接，工作状态置于“外调
制”，调节“零点”旋钮，校准表头电气零点，工作状态置于“等幅”，然后“衰减调节”反时针满摇，至电平指示为100W μ100A μ刻度上，调节“衰减调零”旋钮，使衰减显示为000.0的位置。

校准后，衰减器读数为0dB 相当于100W μ（-10dB ），最后拆下功率探头与被测仪器连接，若要改变工作状态只需根据工作状态选择按键置于选定位置即可。

（4） “方波”与脉冲状态时，其其重复频率范围与倍乘范围是共用的，都可以
连续调解。

（5） “外调制”或“外整步”工作状态时，输入脉冲信号均由外脉冲插座输入。

（6） 仪器面板上三个顺序排列的电位器，自左起分别为“重复频率”、“脉宽”、
“延迟”的调节系统。

（7） 仪器在输出功率不大于5mW 时，保证频率精度。

（二） YM3892选频放大器
一、 概述
YM3892选频放大器是一种检测微弱信号的精密测量放大器。

与测量线配套，可以测量驻波比等等。

二、 技术性能
1、技术指标
（1） 工作频率：1000Hz ，可调节范围不小于40Hz
（2） 通频带：16Hz 、24Hz 、32Hz 、40Hz
（3） 灵敏度：在阻抗为200Ω，电表满度偏转的情况下，16Hz 通带，不低于
0.5微伏
（4） 表头刻度：刻度0~1000（电流相对读数），分贝0~10dB ，驻波比1~4，3~10，
非线性误差：小于满刻度值的5%
（5） 放大器量程：
0~60dB ，每100.5dB dB ±步进
0~50.2dB dB ±
0~5dB 连续可调
（6） 输入阻抗：200Ω、200K Ω
（7） 电源：220伏，50Hz ，视在功率小于10伏安
（8） 外形尺寸：160235320mm ⨯⨯
（9） 重量：约5Kg
2、工作条件：
（1） 环境温度：0~40o o C C
（2） 相对湿度：80%以下
（3） 大气压力：51.0110Pa ⨯
（4） 应避免强电磁场和机械振动的影响。

三、 调节机构的作用
图8 前后面板图
1、表头：作0~1000电流相对值刻度指示， 0~10dB 衰减指示，1~4及3.2~10驻波比指示用。

2、分贝选择开关：0~60dB 步进。

3、频率调节：调谐输入信号频率。

4、输入阻抗转换开关：分200200K
、两档
ΩΩ
5、接地
6、增益控制旋钮：可在0~5dB连续可调。

7、带宽控制开关：按需要可选择16、24、32、40Hz四档宽带。

8、输入接头：Q9
9、0/5dB选择开关
10、电源开关：左边按下为开机状态
11、保险丝
12、电源输入插座
四、使用与维护
1、准备工作
（1）检查输入交流电源电压是否正确。

（2）表头机械调零：在电源不接通时，使表头指示指零。

（3）分贝开关不要放在50dB、60dB位置，以免工作时因信号过大损坏表头。

（4）增益电位器放在中间位置。

（5）接通电源，预热30分~1小时后，再进行系统测试。

2、仪器使用
（1）输入信号，选择输入阻抗200200K
ΩΩ
、。

（2）按被测信号的强弱选择分贝开关的位置。

0dB档可输入信号最大。

（3）通带调节：仪器通带分16Hz、24Hz、32Hz、40Hz四档，带通对灵敏度最高。

当仪器灵敏度能满足要求时，选择较宽的通频带，仪器性能稳定。

（4）频率调节：每次使用或通带换档时，频率调节都要调谐到信号最大。

旋钮顺时针转动为频率降低。

（5）增益调整：配合分贝转换开关控制信号的大小，一般增益开关放在中间或中间偏上的位置。

旋钮顺时针旋转输出信号最大。

（6）0/5dB开关一般放在正常位置。

3、驻波比的测量
按一般驻波比测量法，可直接在驻波比刻度1~4上读出被测负载的驻波比。

当驻波比读数大于3.2时，分贝开关可顺时针方向旋转一档，在驻波比刻度3.2~10上读出驻波比。

4、维护
仪器使用中发现表头超过范围，打表头时，首先应调节分贝开关，逐档降低分贝指示读数。

若不起作用应停止使用，待找到原因并消除故障后再使用。

仪器应远离强磁场，避免机械振动，以免影响测试数据。

（三）TC26三厘米波导测量线
一、概述
TC26型波导测量线可供科研单位、高等院校和工厂实验室用来测量三厘米波段电压驻波比、阻抗和其它微波参数。

本仪器为《SJ944-75 四机部电子仪器环境要求及试验方法》第二组。

二、技术参数
1、工作频率范围：8.2~12.4GHz
2、在测量小于等于2驻波比晶体为平方律检波时，由于不平稳度，剩余驻波和
探针分流电导所引入的总误差5%
δ≤。

其中：
（1）探针穿伸为1.5mm时，测量线指示的不平稳度误差
12.5%
δ≤±。

（2）测量线固有的剩余驻波比所引入的误差
23%
δ≤。

（3）探针穿伸为1.5mm时，由于分流电导所引入的误差
31%
δ≤。

3、本测量中检波滑座的有效行程不短于90mm，定位读数精度用游标时
0.02mm，用百分表时0.01mm。

4、波导截面尺寸：22.8610.16
mm mm
⨯
5、法兰形式：为FB-84-220平板式法兰盘，并符合（SJ213-66矩形与扁矩形波
导管法兰盘）规定。

6、外形尺寸：233120250mm mm mm ⨯⨯。

7、重量：6kg 。

三、 工作原理
图一是TC26型波导测量线工作原理示意图。

当测量线接入测试系统时，在它的波导中就建立起驻波电磁场。

众所周知，驻波电场在波导宽边中央最大，沿轴向成周期函数分布。

在矩形波导宽边中央轴向开一条狭槽，并且伸入一根金属探针2，则探针与传输波导1电力线平行耦合的结果，必然得到感应电压，它的大小正比于该处的场强，交流电在同轴线3组成的探针电路内，由微波二极管4检波后把信号加到外接指示器，回到同轴线外导体，组成一闭合回路。

因此，指示器的读数可以间接表示场强的大小。

图9
当探针沿槽移动时，指示器就会出现max E 和min E 。

从而求得：
max min
E S E = 由标尺指出探针位置可以测出极小点至不连续面的距离min d ，从而可以测量阻抗。

调谐活塞5在检波头中起调谐作用。

检波滑座6用来支持检波头，并且可沿轴向移动。

在移动时保证探针与波导的相对位置不变。

（四）三厘米波导元件
一、概述
本仪器为三厘米波导元件的组合，它和调速管电源、测量线联合起来使用，可以组成一个测试系统，进行频率、衰减、阻抗的测量或者单件配在本波段的仪器中使用。

二、技术参数
1、成套元件包括下列各件：
2、各元件的技术指标如下：
各元件频率范围：8.2GHz~12.4GHz
（1）可变衰减器
最大衰减量：不小于30dB
±±（在802GHz、10GHz、12.4GHZ、定衰减值的定标误差：读数的5%0.5%dB
标点上）
驻波比：不大于1.20
（2）晶体管检波器
驻波比：可调至不大于1.05
（3）定向耦合器
耦合度：222
（在10GHz点频率上）
dB dB
方向性：不小于15dB
主线驻波比：不大于1.25
副线驻波比：不小于1.25
（4）可变短路器
行程：不短于35mm
驻波比：不大于1.05
定位精度：小于1%（半波导波长）
相移：不低于180o
（5）匹配负载
驻波比：不大于1.05
（6）EH阻抗匹配器
驻波比可调节范围：1.05~20
（7）波导/同轴转换器
驻波比：不大于1.35
（8）直波导
驻波比：不大于1.05
（9）波导支架
可调高度：85mm~115mm
（10）90o H面弯波导
驻波比：不大于1.15
3、各元件在正常条件下可连续工作。

三、结构及工作原理
1、可变衰减器
波导宽边中央开有一条槽，槽内插入一片镀有镍铬的玻璃吸收片，它的插入深度可以由调节装置改变，调节装置包括读数圆筒、弹簧、弹珠和导向杆等。

2、晶体管检波器
晶体管检波器是由前置三螺钉调配器、晶体管座和调节活塞组成。

晶体管座是一节可以插入晶体管的波导，它包括必要的紧固装置和插入装置，云母片被用来作为高频通路电容，当晶体管插入时，相当于在波导中引入一个电的探针，感应电压经过晶体检波，它的输出接到指示器上，可以得到微波功率的相对指示，调节活塞的作用是用来使晶体处于驻波的腹点以得到最大的指示。

3、定向耦合器
定向耦合器的外形形成十字形，它的耦合元件是主副波导相对宽边之间的一对十字槽，能量通过这一对十字槽耦合到副波导中，当主波导的能量沿正方向传输时，副波导耦合得到的能量在它的传输方向是叠加的，而槽与此相反的方向则相互抵消，副波导中的这一段装有一匹配负载，以吸收未抵消尽的能量。

4、可变短路器
可变短路器由短路活塞与一套传动读数装置构成。

活塞为两节抗流形式，传动丝杆带动活塞作相对于波导轴线的运动，并由读数装置上读得其相对行程。

5、匹配负载
匹配负载是一个接近于全吸收的波导终端，有一片劈形的镀镍铬的玻璃片放在波导的轴线位置，吸收片相对于法兰的距离是固定的。

6、EH阻抗调配器
EH阻抗调配器是由一节双T波导和两只调节活塞构成，调节活塞是簧按式的接触活塞，调节E面活塞等于串联电抗变化，调节H面活塞等于并联电纳变化，两者配合使用。

7、波导/同轴转换器
波导/同轴转换器是在一段空波导终端短路面前焊接一只同轴N型接头，耦合配件是一插入波导的探针，并使短路面的反射与探针的反射相互抵消以达到匹配。

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