微波测量系统调试与频率测量
微波测量系统的使用和波导波长与晶体检波器的校准测量
北京邮电大学电磁场与电磁波测量实验实验内容：微波测量系统的使用和波导波长与晶体检波器的校准测量学院：电子工程学院班级： 2014211202 执笔者：组员：2017年3月25日目录实验一微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量 (1)1.实验内容 (1)1.1实验目的 (1)1.2实验原理 (1)1.3实验设备 (2)1.4实验步骤 (4)2.实验数据与分析 (6)2.1实验测量数据 (6)2.2理论分析 (6)2.3实验分析 (6)2.4误差分析 (7)3.实验心得与体会 (7)实验二波导波长的测量 (8)1.实验内容 (8)1.1【方法一】两点法 (8)1.2【方法二】间接法 (10)2.实验步骤 (11)2.1晶体检波率公式计算 (15)2.2误差分析 (15)2.3间接法测量波导波长 (16)3.思考题 (16)4.实验总结 (17)实验一微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量1.实验内容1.1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。
1.2实验原理测量微波传输系统中电磁场分布情况，测量驻波比、阻抗、调匹配等，是微波测量的重要工作，实验系统主要的工作原理如下图：1.3实验设备1.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，用电流电表的电流1来读数的。
从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调节其短路活塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率。
2.波导管本实验所使用的波导管型号为BJ—100，其内腔尺寸为a=22.86mm，b=10.16mm。
其主模频率范围为8.20——12.50GHz，截止频率为6.557GHz。
3.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。
微波信号频率和波长测量
石英晶体振荡器
采用LC振荡回路
Zin
分布电容
晶体盒
Rq
Yout
正反馈放大
C0 Cq
Lq
分布电容
一般晶体振荡器旳频率稳定度： 长久频率稳定度—— 10-10~10-8/日 短期频率稳定度 < 10-11/S
若已知信号和未知信号都带有谐波，则需要判断谐波数，一般这是很困难旳事 情，所以在用这措施进行测试时，需要大致懂得信号频率。
目前外差法已经被计数法频率计所替代。
计数法
原理：
将未知频率fx与原则频率fs相比较，此时是利用未知频率fx
旳脉冲计数法而测得fx。如利用原则频率fs去控制一计数闸门旳
开放时间，假如开方时间 等于fs旳m个周期，即
微波信号频率及波长测量
频率定义
• 频率是周期性信号旳主要参量之一，也是微波信号源旳两大要素之一。 它是微波测量中经常需要搞清楚旳一种参量，而且也是最轻易被精确 测量旳一种参量。
• 频率是周期旳倒数，即每秒中振荡旳周期数
频率：
f=1/T（Hz）
角频率： ω=2π/T= 2πf(rad/s)
瞬时角频率：ω(t)=dψ/dt
信号频率旳校准
采用前面简介旳四种频标构成鉴相器对压控晶体振荡器进行锁相 稳定，使压控晶体振荡器旳输出信号到达所用频标旳稳定度，然 后将此信号与被校准信号一同加到一种比相仪进行比较，比相仪 将统计一段时间内旳累积相位差所相应旳时间差，从而给出被校 准频率旳相对误差并进行调校。
一般单位可能没有以上频率原则，所以能够采用一种简朴易行旳 措施，即采用“电视彩色副载波传播旳原则频率”进行校准。副 载波频率稳定度为5×10-12/30分钟，它是由中央电视台公布旳， 用铯原子频标直接控制频率合成器产生旳。
微波测量仪器及其调整实验
微波测量仪器及其调整实验一、实验目的（1）熟悉基本微波测量仪器。
（2）了解各种常用微波器件。
（3）学会调整微波测量线。
（4）学会测量微波波导波长和信号源频率二、实验原理（1）基本微波测量仪器微波测量技术是通信系统测试的重要分支之一，也是射频工程中必备的测试技术。
它主要包括微波信号特性测量和微波网络参量测量。
微波信号特性参量主要包括微波信号的频率与波长、电平与功率、波形与频谱等，微波网络参数包括反射参量（如反射系数、驻波比）和传输参量（如[S]参数）。
测量的方法分为点频测量、扫频测量和时域测量三大类。
点频测量是指信号源只能工作在单一频点逐一进行测量；扫频测量是在较宽的频带内测得被测量的频响特性，如加上自动网络分析仪，则可实现微波参数的自动测量与分析；时域测量是利用超高速脉冲发生器、采样示波器、时域自动网络分析仪等在时域进行测量，从而得到瞬态电磁特性。
下图是典型的微波测量线。
它由微波信号源、隔离器或衰减器、定向耦合器、波长/频率计、测量线、终端负载、选频放大器及小功率计等组成。
（2）常用微波器件简介微波器件的种类很多，下面主要介绍实验室里常见的几种器件：①检波器②E-T接头③H-T接头④双T接头⑤波导弯曲⑥波导开关⑦可变短路器⑧匹配负载⑨吸收式衰减器⑩定向耦合器⑪隔离器（3）微波测量线的调整1.微波测量系统组成2.测量线的调整①将信号源设置在内调制状态，选择工作频率在10GHZ，将衰减器调整到合适的位置。
②开槽测量线是指在波导宽边中央开一条狭窄的槽缝，在其中放一个可以沿槽移动 的探针与波导中的电场耦合，并经检波二极管输出低频1kHz 信号送人选频放大器输 出指示。
为了保证输出有两处可以调整：探针深度调整和耦合输出匹配调整，探针 深度既不能太深，影响波导内场分布，也不能太浅，否则耦合输出太弱。
③反复调整输出衰减器、探针位置、探针耦合匹配、选频放大器灵敏度，使测量线 工作在最佳状态。
（4）用测量线测波导波长和信号源频率测量线的基本测量原理是基于无耗均匀传输线理论。
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==+cλ=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：EE 121221E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。
实验十五微波的技术实验
实验十五 微波技术实验【实验目的】1.学习微波基础知识和掌握微波基本测量技术；2.学习用微波作为观测手段来研究物理现象的基本原理和实验方法。
即包含“学微波”和“用微波”两个方面。
本实验重点要求掌握体效应振荡器的使用方法，了解微波测试系统的组成及调试方法，学会微波频率、驻波比、波导波长、微波功率、微波衰减等的测量，通过实验了解微波的产生和微波的波导传输知识。
【实验原理】见微波基本知识部分，请同学进行仔细的阅读后再进行试验，进行本实验之前，必须阅读相关的资料初步了解和熟悉下列问题：1.微波测试系统应由那几部分组成？2.清楚了解各微波器件的作用及工作原理。
3.理解体效应振荡器的基本工作原理。
4.学会选频放大器的正确使用。
5.怎样调节体效应振荡器的振荡频率？6.理解用吸收式频率计测量微波频率的原理和方法。
7.理解晶体检波器的功用和使用方法。
8.理解可变衰减器的功用和使用方法。
9.了解驻波测量线的工作原理和使用方法。
（学生可自己设计检测方案）【实验用微波信号源】——体效应管振荡器（微波固态源）在微波实验系统中，用体效应砷化镓二极管作微波振荡器。
下面将对它进行介绍。
1．效体应管的工作特性在n 型GaAs 半导体材料上施加直流偏压b V 后，起初电流随电压线性增长，但是当所加偏压使材料内的平均电场超过每厘米3KV 以上某个阈值电场T E （与T E 对应的外加电压V T 称为阈值电压）时，电流发生微波振荡。
实验证明这种电流振荡是由于“高电场偶极子畴”在阴极附近周期性地形成，并被阳极吸收这一过程造成的。
图1 n 型GaAs 导带结构示意图n 型GaAs 的导带结构示意图如图1所示。
它有两个导电能谷：L 谷和U 谷。
它们的能量相差0.36eV 。
通常，在低电场下，导电的电子绝大部分在L 谷中，它们的平均速度L v E μ=，即随电场E 线性的增大；当电场大于某个阔值T E 后，L 谷中的电子获得足够的能量而向U 谷转移，以后随电场继续增加，这样转移的电子越来越多，电子的平均速度v E μ=将反向随电场的增加而减小。
微波技术：一微波测试系统的认识和调试2017
一、微波测试系统的认识和调试实验目的：1 了解微波测试系统的测量原理2 了解微波信号源的工作特性3 熟悉选频放大器的使用方法4 熟悉各种波导元件的功能和特征4 掌握测量线的使用方法5 掌握校准晶体检波器特性的方法6 学会频率测量和功率测量实验原理：一、微波测试系统微波测试系统通常由3部分组成:1等效信号源部分：包括微波信号源,功率,频率监视单元,隔离器.；2测量电路部分：包括测量线,调配元件,待测元件,辅助元件；3指示检测部分：指显示测量信号特性的仪表,如直流电流表,,测量放大器,功率计,示波器,数字频率计等。
如图所示：等效源 测量电路二、微波信号源通常微波信号源有电真空和固态的两种。
电真空的震荡器主要有反射速调管和磁控管等，而固态震荡器随着微波半导体技术的迅速发展，类型越来越多，如微波晶体管震荡器，体效应管震荡器，雪崩二极管震荡器等（1）反射速调管是一种微波电子管，利用速度调制方法（用高频电场控制电子运动）改变在交变电磁场中电子流的运动速度，从而将直流能量转化为微波能量。
它的震荡频率能在一定范围内改变，且容易调谐，并能做脉冲和频率调制。
反射式速调管分为内腔式和外腔式两类。
（2）磁控管震荡器主要是指多腔磁控管，由阳极、阴极和能量输出系统组成。
利用电场和磁场来控制电子运动来实现速度调制，从本质上可以说是一个置于磁场中的二极管。
它是现今产生强功率震荡的最常用的一种电子管。
(3) 固态震荡器，在振荡原理上，微波固态震荡器可分为两种基本类型：负阻型振荡器和反馈型振荡器。
微波晶体管振荡器大多属反馈型，而其他种类的微波固态震荡器多属负阻型。
其中体效应管就是负阻效应来产生微波振荡的，它是利用某些半导体材料的体效应——即转移电子机构来进行震荡的，因此，也称为转移电子二极管。
目前，制造体效应管的半导体材料多用n型砷化镓。
砷化镓的禁带宽度E g=1.43eV大于能谷间的距离ΔE，因此，当加大电场时，并不产生电子雪崩式的击穿（即电子被加速到足够大的能量时，能产生碰撞电离，使电子数目雪崩式倍增而击穿），而下能谷的电子很容易转移到上能谷去，随着外加电场的增大，从下能谷转移到上能谷去的电子数目也增加。
微波测量系统调试与频率1
中国石油大学 近代物理 实验报告班级：材料物理11-1姓名：同组者： 教师：实验B1 微波测量系统调试与频率测量【实验目的】1．了解微波测量系统的基本组成，学会调试测量系统的基本方法。
2．了解反射式速调管微波信号源的工作原理及工作特性，掌握正确调整微波源实现最佳工作状态的基本方法。
3．了解微波谐振腔的基本特性，掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本方法。
4．学会用谐振腔波长表测量微波频率。
【实验原理】一、反射式速调管微波信号源1．反射式速调管的工作原理反射式速调管有阴极、阳极（谐振腔）、反射极三个电极，结构原理如图B1-2所示。
阴极发射电子；阳极利用耦合环和同轴线输出微波功率；反射极用以反射电子。
由阴极发出的电子束，受直流电场加速后，以一定速度进入谐振腔，并在其中激起感应电流脉冲，从而在谐振腔内建立衰减振荡，这些振荡在谐振腔的两个栅网之间产生交变电场。
由于受到谐振腔栅极的高频电场调剂，电子以不同的速度从谐振腔飞出来而进入反射极空间。
反射极的电压一般比谐振腔低很多；因此，在谐振腔和反射极之间，形成了一个很强的直流排斥电场，使电子未飞到反射极就被迫停下来，又反射回谐振腔。
因为不同时刻穿过谐振腔的各个电子有不同的速度，所以他们在飞向反射极和返回谐振腔的过程中，就发生了电子群聚。
2．反射式速调管的工作特性图B1-2 反射式速调管的结构原理图B1-3 反射式速调管的功率和频率特性曲线和工作状态在一定条件下，反射式速调管的功率和频率特性曲线如图B1-3所示。
（1）反射式速调管并不是在任意的反射极电压值下都能产生振荡，只有在某些特定的反射极电压值时才能产生振荡。
每一个有振荡输出功率的区域叫做速调管的振荡模，用n表示震荡模的序号。
（2）对于每一个振荡模，当反射极电压V R变化时，速调管的输出功率P和振荡频率f 都随之变化；在振荡模中心的反射极电压上，输出功率达到极大值，而且输出功率和振荡频率随反射极电压的变化也比较缓慢。
实验一、微波测量系统的认识和调整
实验一、微波测量系统的认识和调整一、实验目的与基本要求1.了解微波测试系统的组成；2.了解组成微波测试系统各元件的基本工作原理及操作方法；3.掌握测量线的调整方法；4.掌握交叉读数法测量波导波长的方法。
二．实验原理测量线系统是微波测量重要的测试系统，特点是历史悠久、理论清晰、方法简便、参数测量完整，对微波测量课程的学习作用重要。
图1-1实验过程图1-2测量线测试系统组成为了避免后面元件对源的影响，在源后要加—隔离器；为了避免信号源输出功率过大而使指示设备超过量程，在源后还要加一个可变衰减器。
此外，再加上频率测量设备—谐振式频率计（或波长计）而构成一个常用微波测量系统的等效源，这样组成的测量线测试系统框图如图1-2所示。
驻波测量中最常用的检波设备是测量线，它是一段宽边中心纵向开槽的传输线，在槽中插入一段金属细丝，通常称为探针。
由于探针很细，对传输线内的场分布基本上不产生影响，探针可从传输线捡取很小一部分能量，在纯驻波或行波状态下（如图1-3所示），依探针在传输线内位置不同，捡取的能量亦不同，在波腹点捡取的能量多，在波节点捡取的能量少。
如将检出的能量检波后接上高灵敏度的指示器（如光点检流计、选频放大器等），就可以了解终端负载的情况。
使用测量线最基本的技术是波导波长的测量，准确的测量相邻两波节点间的距离对于熟练地使用测量线和较好的进行阻抗测量均很重要。
波导波长的测量是在终端短路；沿线为纯驻波的情况下，测量两相邻波节点间距离再乘以2得到。
理论上说，相邻两波腹点间距离的二倍也是波导波长，但由于波腹点附近较之波节点附近电场变化缓慢，很不易准确测量，故而通常测波导波长等均以波节点为准，尽管如此，再波节点附近场强很弱，有极小一段变化不明显，为了更加准确的测量波导波长，一般采用交叉读数法，即在波节点两边取斜率最大的电流同一指示点进行测量（如图1-4中D 1和D 2点），然后取平均即为波节点位置。
122D D D += (1-1)图1-3纯驻波和行驻波 图1-6交叉读数法三、 实验步骤1. 观察各元器件的形状、结构，了解使用方法及在测试线路中的作用。
微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量
微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量1.设定信号源：首先需要设定微波信号源的频率和功率。
信号源是微波测量系统的核心组件，负责产生所需的微波信号。
在设定信号源时，需要根据实际需求选择合适的频率和功率。
例如，在通信领域中，可能需要设定特定的频率和功率以满足通信要求。
2.连接射频/微波设备：信号源产生的微波信号通过射频/微波设备进行传输和处理。
射频/微波设备包括功放器、滤波器、混频器等，用于增强信号、滤除杂散信号、频率转换等处理。
通过合理连接和配置这些设备，可以实现所需的微波测量功能。
3.接收和检测信号：已经设定好的微波信号经过射频/微波设备后，会通过检波器进行接收和检测。
检波器是一种用于接收和测量微波信号的装置，可以将微波信号转化为电信号进行处理。
通过检波器，可以获取微波信号的强度、频率、相位等参数。
4.数据处理与分析：检测到的微波信号在经过检波器后，将通过数据处理装置进行分析和处理。
数据处理装置一般是一台计算机或相关的数据处理设备，用于从原始信号数据中提取有用信息。
根据具体需求，可以进行信号的滤波、调整和整理序列等操作，以便进行后续分析和应用。
微波测量系统中信号源波长功率的测量是一个重要的环节。
波长是微波信号的一个重要参数，表示信号的空间周期性。
波长和频率之间有一个简单的数学关系，即波长等于光速除以频率。
可以通过测量波长来了解信号的频率，从而对信号进行控制和分析。
微波信号的功率是表示信号强度的一个重要参数。
微波测量系统中，通常使用功率计等装置来测量信号的功率。
功率计是一种能够测量微波信号功率的仪器，通过将微波信号转化为电信号，然后对电信号进行测量，从而得到信号的功率值。
测量信号源波长功率的关键在于使用合适的设备和工具。
通常使用专业的仪器和设备可以更准确和方便地进行测量。
此外，测量过程中需要注意仪器的校准和环境的干扰，以确保测量结果的准确性。
总体来说，微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量是微波技术中的关键环节。
微波技术试验
微波的传输特性和基本测量1、微波基本知识微波及其特点微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。
从图1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。
与无线电波相比，微波有下述几个主要特点图1 电磁波的分类1．波长短(1m —1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成 方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而 确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。
2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9一10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。
另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。
3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。
4．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV ，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。
人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。
(北京大华无线电仪器厂)5．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。
实验一__微波测量系统的认识与调试 (自动保存的)
实验一 微波测量系统的认识与调试61312118 宋昌一、实验目的与要求应用所学微波技术的有关理论知识，理解微波测量系统的工作原理，掌握调整和使用微波信号源的方法，学会使用微波测量系统测量微波信号电场的振幅。
了解有关微波仪器仪表，微波元器件的结构、原理和使用方法。
二、实验内容1．掌握下列仪器仪表的工作原理和使用方法三厘米标准信号发生器（YM1123）、三厘米波导测量线（TC26）、选频放大器（YM3892）。
2．了解下列微波元器件的原理、结构和使用方法波导同轴转换器（BD20-9）、E-H 面阻抗双路调配器（BD20-8）、测量线（TC26）和可变短路器（BD20-6）等。
三、实验原理本实验的微波测试系统的组成框图如图一所示图 一信号源波导同轴转换器单螺钉调配器 功率探头数字功率计微波频率计E-H 面调配器魔T定向耦合器H 面弯波导晶体检波器测量线选频放大器可变衰减器它主要由微波信号源、波导同轴转换器、E-H面阻抗双路调配器、测量线和选频放大器主要部分组成。
下面分别叙述各部分的功能和工作原理，其它一些微波元器件我们将在以后的实验中一一介绍。
1．微波信号源（YM1123）1.1基本功能1.1.1提供频率在7.5～12.5GHz范围连续可调的微波信号。
1.1.2该信号源可提供“等幅”的微波信号，也可工作在“脉冲”调制状态。
本系统实验中指示器为选频放大器时，信号源工作在1KHz “”方波调制输出方式。
1.2工作原理1.2.1本信号源采用体效应振荡器作为微波振荡源。
体效应振荡器采用砷化镓体效应二极管作为微波振荡管。
振荡系统是一个同轴型的单回路谐振腔。
微波振荡频率的范围变化是通过调谐S型非接触抗流式活塞的位置来实现的，是由电容耦合引出的功率输出。
1.2.2本信号源采用截止式衰减器调节信号源输出功率的强弱。
截止式衰减器用截止波导组成，其电场源沿轴线方向的幅度是按指数规律衰减。
衰减量（用dB 表示）与轴线距离L成线性关系，具有量程大的特点。
微波实验报告频率测量
一、实验目的1. 理解微波的基本特性及其在实验中的应用。
2. 掌握微波频率测量的原理和方法。
3. 通过实验，验证微波频率测量方法的有效性。
4. 提高对微波测量仪器的操作能力。
二、实验原理微波是一种高频电磁波，其频率范围在300MHz到300GHz之间。
微波的频率测量对于雷达、通信、电子对抗等领域至关重要。
微波频率的测量通常采用以下几种方法：1. 波长-频率关系法：根据微波的波长和光速，通过公式 \( f =\frac{c}{\lambda} \) 计算频率，其中 \( f \) 为频率，\( c \) 为光速，\( \lambda \) 为波长。
2. 示波器测量法：利用示波器观察微波信号的周期，通过公式 \( f =\frac{1}{T} \) 计算频率，其中 \( T \) 为周期。
3. 频谱分析仪测量法：利用频谱分析仪直接测量微波信号的频率。
三、实验仪器与设备1. 微波信号发生器2. 波导3. 检波器4. 示波器5. 频谱分析仪6. 波长计7. 量角器8. 计时器四、实验步骤1. 波长-频率关系法：- 将微波信号发生器输出信号通过波导传输。
- 利用波长计测量微波信号在波导中的波长。
- 根据公式 \( f = \frac{c}{\lambda} \) 计算微波频率。
2. 示波器测量法：- 将微波信号发生器输出信号通过波导传输。
- 将微波信号连接到示波器上。
- 观察示波器上的波形，测量信号周期。
- 根据公式 \( f = \frac{1}{T} \) 计算微波频率。
3. 频谱分析仪测量法：- 将微波信号发生器输出信号通过波导传输。
- 将微波信号连接到频谱分析仪上。
- 观察频谱分析仪上的频谱图，找到微波信号的频率峰。
- 读取频率值。
五、实验结果与分析1. 波长-频率关系法：测量得到微波信号的波长为 \( \lambda = 10 \) cm，根据公式 \( f = \frac{c}{\lambda} \)，计算得到微波频率为 \( f = 3 \times10^8 \) Hz。
微波测量系统调试与频率
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：实验B1 微波测量系统调试与频率测量【实验目的】1．了解微波测量系统的基本组成，学会调试测量系统的基本方法。
2．了解反射式速调管微波信号源的工作原理及工作特性，掌握正确调整微波源实现最佳工作状态的基本方法。
3．了解微波谐振腔的基本特性，掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本方法。
4．学会用谐振腔波长表测量微波频率。
【实验原理】一、反射式速调管微波信号源1．反射式速调管的工作原理反射式速调管有阴极、阳极（谐振腔）、反射极三个电极，结构原理如图B1-2所示。
阴极发射电子；阳极利用耦合环和同轴线输出微波功率；反射极用以反射电子。
由阴极发出的电子束，受直流电场加速后，以一定速度进入谐振腔，并在其中激起感应电流脉冲，从而在谐振腔内建立衰减振荡，这些振荡在谐振腔的两个栅网之间产生交变电场。
由于受到谐振腔栅极的高频电场调剂，电子以不同的速度从谐振腔飞出来而进入反射极空间。
反射极的电压一般比谐振腔低很多；因此，在谐振腔和反射极之间，形成了一个很强的直流排斥电场，使电子未飞到反射极就被迫停下来，又反射回谐振腔。
因为不同时刻穿过谐振腔的各个电子有不同的速度，所以他们在飞向反射极和返回谐振腔的过程中，就发生了电子群聚。
2．反射式速调管的工作特性和工作状态在一定条件下，反射式速调管的功率和频率特性曲线如图B1-3所示。
图B1-2 反射式速调管的结构原理图B1-3 反射式速调管的功率和频率特性曲线（1）反射式速调管并不是在任意的反射极电压值下都能产生振荡，只有在某些特定的反射极电压值时才能产生振荡。
每一个有振荡输出功率的区域叫做速调管的振荡模，用n表示震荡模的序号。
（2）对于每一个振荡模，当反射极电压V R变化时，速调管的输出功率P和振荡频率f 都随之变化；在振荡模中心的反射极电压上，输出功率达到极大值，而且输出功率和振荡频率随反射极电压的变化也比较缓慢。
（3）输出功率最大的振荡模叫最佳振荡模，例如图B1-3中n=3的振荡模。
微波技术实验指导书
式中，λc 为截止波长。 一般波导工作在主模状态，其 λc =2a 。本实验中波导型号为 BJ-100， 其宽边为 a =22.86 mm ，代入上式计算出工作波长。 在波导中，还可利用下面公式计算波导波长：
g
0 1 ( 0 / 2 a )
(2-8)
式中，λ0 为真空中自由空间的波长(实验中近似有 λ0≈λ)。 4. 频率测量 微波频率测量是利用微波圆柱谐振腔体制作而成的一种谐振吸收式波长表。当吸收式波长 表与信号源产生的微波信号频率共振时，将从电路中吸收最大的能量，系统中选频放大器的指 示达最小，此时在频率计上圆柱谐振腔的固有频率与系统的工作频率相同，从频率计上直接读 出频率 f0 值即为信号源的工作频率。该频率计测量频率范围为 8.2~12.4GHz、测量精度可达 ≤0.3% 。另外信号源工作频率 f 可由工作波长 λ 求得：
图 2-2 交叉读数法测量波节点位置 为了使测量波导波长的精度较高(接近实际的波导波长)，采用交叉读数法测量波导波长。在 测试系统调整良好状态下，通过测定一个驻波波节点两侧相等的电流指示值 I0 (可选取最大值的 20%)所对应的两个位置 d1、d2，则取 d1、d2 之和的平均值，得到对应驻波波节点的位置 dmin1 。 用同样的方法测定另一个相邻波节点的位置 dmin2 ，如图 3-1 所示，则 dmin1 、dmin2 与系统中波 导波长之间的关系为：
实验原理
图 1-1 示出了实验室常用的微波测试系统。进行微波测量时，首先要正确连接与调整微波 测量系统。微波测量系统的调整主要指微波信号源、微波测量线的调整、晶体检波器的校准。 信号源的调整包括振荡频率、功率电平及调制方式等。本实验主要讨论微波测量线的调整和晶 体检波器的校准。 1． 微波测量线的调整 微波测量线是微波系统的一种常用测量仪器，它在微波测量中用途很广，可测驻波、反射 系数、阻抗、相位和波长等。 测量线通常由一段开槽传输线、探头座（耦合探针、探针的调谐腔体和输出指示） 、传动装 置三部分组成。由于耦合探针伸入传输线而引入不均匀性，其作用相当于在线上并联一个导纳， 从而影响系统的工作状态。为了减少其影响，测试前必须仔细调整测量线。实验中测量线的调 整一般包括的探针深度调整和耦合输出匹配（即调谐装置） 。通常测量线探针深度及调谐装置均 已调好，不易轻易变动！ 2． 晶体检波器的工作原理 在微波测量系统中，送至指示器的微波能量通常是经过晶体二极管检波后的直流或低频电 流，指示器的读数是检波电流的有效值。在测量线中，晶体检波电流与高频电压之间关系是非 线性的，因此要准确测出驻波（行波）系数必须知道晶体检波器的检波特性曲线。 晶体二极管的电流 I 与检波电压 U 的一般关系为 I=CU n (2-1) 式中，C 为常数，n 为检波律，U 为检波电压。 检波电压 U 与探针的耦合电场成正比。晶体管的检波律 n 随检波电压 U 改变。在弱信号 工作(检波电流不大于 10μA)情况下，近似为平方律检波，即 n=2，此时选频放大器的分贝量程 一般置于 50 dB (或 60dB)档；在大信号范围，n 近似等于 1，即直线律。 测量晶体检波器校准曲线最简便的方法是将测量线输出端短路，此时测量线上为纯驻波， 其相对电压按正弦律分布，即：
物理实验技术中的微波测量方法与技巧
物理实验技术中的微波测量方法与技巧引言：在现代科学研究和工程实践中，微波技术已经成为了一种不可或缺的工具。
它被广泛应用于无线通信、雷达、卫星通讯、医学影像等诸多领域。
而在微波的研究与应用中，精确的测量和准确的实验数据是至关重要的。
本文将探讨物理实验技术中微波测量方法和技巧作为主题，包括实验设备的调试、测量技术和注意事项等方面。
一、实验设备的调试在进行微波实验之前，需要对实验设备进行精确的调试，以保证实验的准确性和可重复性。
首先，我们需确保所有设备连接牢固，信号传输无误。
其次，鉴于微波信号的特殊性，我们需要对实验设备进行阻抗匹配，以减小信号的反射和衰减。
调整设备之间的阻抗适配器和同轴电缆长度等参数能有效地提高实验测量的灵敏度和稳定性。
二、测量技术1. 微波功率的测量微波功率的测量是微波实验中非常重要的一个参数。
通常我们使用功率计来测量微波功率，但要注意功率计的量程要与待测信号的功率相匹配。
此外，需要校准功率计，以确保测量结果的准确性。
可以使用一个已知功率的标准源进行校准，通过与标准源的比对，得到准确的功率值。
2. 微波频率的测量微波频率的测量通常使用频率计。
在进行测量之前，我们需要选择恰当的频率计，根据待测信号的频率选择相应的量程。
需要注意的是，在测量中应该避免其它电磁辐射源的干扰，以免干扰测量结果的准确性。
3. 射频信号的测量在微波实验中，我们需要对射频信号进行测量和分析。
一种常见的方法是使用频谱分析仪。
频谱分析仪能够将射频信号频谱上的参数（如幅度、相位、频率等）进行测量和分析。
在进行测量时，需要选取适当的分辨率和带宽，以保证测量结果的准确性。
三、注意事项1. 环境干扰微波实验对实验环境的要求较高，需要保证有良好地屏蔽环境噪声的措施。
应将实验设备与其他电子设备隔离，避免电磁辐射和电磁波对实验产生干扰。
在进行实验时，还需要注意将实验室的门窗关闭，以减小外界信号的干扰。
2. 精确校准在微波实验中，精确的仪器校准对于实验结果的准确性和可靠性至关重要。
微波测量的三个基本参量
微波测量的三个基本参量微波测量这个话题，听起来似乎有些高大上，但其实它就在我们生活的每一个角落。
就像咱们在家里用的微波炉，虽说是个简单的厨房小工具，但它背后可藏着一套复杂的科学原理呢。
今天，我就来聊聊微波测量的三个基本参量，带你走进这个神秘又有趣的世界！1. 频率（Frequency）1.1 频率是什么？频率，这个词一听就觉得有点儿“学术”，但其实它很简单。
就像你听歌时，音符跳动的速度。
频率就是每秒钟发生的波动次数。
微波的频率通常在几GHz到几十GHz之间，听上去是不是很炫酷？这就像是微波的脉搏，快得让人眼花缭乱。
1.2 为什么频率重要？那么，频率为什么这么重要呢？想象一下，如果你在开派对，音乐节奏慢得像乌龟，那气氛肯定冷得跟冰箱一样！同理，微波测量中的频率决定了信号的传输速度和信息的带宽。
频率高，信息传输快；频率低，信息传输慢。
就像大街上堵车，频率高的车流当然走得顺畅！频率的精准测量对微波通信、雷达和卫星导航等领域至关重要。
2. 振幅（Amplitude）2.1 振幅又是什么？接下来，我们聊聊振幅。
简单来说，振幅就是波的“力度”，它决定了波的强弱。
想象一下，你在唱歌，声音越大，振幅就越高；声音越小，振幅就越低。
微波的振幅越大，信号传递得就越远，传输的质量也就越高。
换句话说，振幅就像是信号的“自信心”，自信心足了，什么都敢闯！2.2 振幅与接收质量说到这儿，咱们得谈谈振幅和接收质量的关系。
如果振幅太小，那信号就像被人压低的声音，听起来含糊不清；而如果振幅过大，又可能导致信号失真，简直是“画蛇添足”。
所以，振幅的测量就像给微波信号找到了一个合适的“音量”，让一切都在最佳状态下进行。
调得好，接收的质量自然高；调得不好，就容易“掉链子”。
3. 相位（Phase）3.1 相位的神秘面纱最后，咱们要说的就是相位。
相位听起来有些抽象，但它实际上就像是波的“位置”。
就好比一群人在舞池里跳舞，大家的舞步得协调好，才能看起来和谐。
实验1-微波测试系统的认识与调试
2.反射速调管和反 反射速调管和反 射速调管电源的使 用。
3.用示波器观测反 用示波器观测反 射速调管的振荡模 区。
7
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实验思考题 实验思考题
？
反射速调管有哪几种工作方式,应分别选用什 反射速调管有哪几种工作方式 应分别选用什 么仪表作指示器? 么仪表作指示器
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一个完整的微波测量系统包括哪几个部分? 一个完整的微波测量系统包括哪几个部分
三部分组成。 三部分组成。
(1)微波信号源 (2)测量装置部分 (3)指示器部分
包括 微波信号发生器， 隔离器， 以及频率、功率监 视单元, 信号发生器提供测 量所需的微波信号； 隔离器作用是减小 负载对信号源的影 响。
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包括 测量线， 调配元件， 晶体检波器, 功率计探头， 待测元件 及辅助元件。
指示器是显示测 量信号特性的仪 表,常用的有： 直流电流表, 测量放大器, 选频放大器, 功率计, 示波器, 光点检流计 和数字频率计。
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实验原理 实验原理
2.微波测量系统中主要元件简介 微波测量系统中主要元件简介
图1-1 隔离器
(2)定向耦 合器 是一种有方向性 的功分器件,用来 从传输线中检取 入射波或反射波 的一小部分能量。
微波测试系统的认识与调试 微波测试系统的认识与调试
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实验目的 实验目的
1、了解微波测试系统。 、了解微波测试系统。 2、了解反射调速管及其电源的使用。 、了解反射调速管及其电源的使用。
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实验原理 实验原理
1、一个完整的微波测试系统通常由信号源，测量装置和知识器 、一个完整的微波测试系统通常由信号源，
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实验B1 微波测量系统调试与频率测量【实验目的】1．了解微波测量系统的基本组成，学会一般的调试方法。
2．了解反射速调管微波信号源原理及特性，掌握调整参数使微波源实现最佳工作状态的方法。
3．了解微波谐振腔的基本特性，掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本方法。
4．学会用谐振腔波长表测量微波频率。
【实验原理】一．微波测量系统微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成。
微波等效电源部分即微波发送器，包括微波信号源、工作状态（频率、功率等）监视单元、隔离器等。
测量装置部分也称测量电路，包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等）以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率插头等）。
测量指示仪器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等。
二．反射速调管微波信号源微波信号源有许多类型，本实验中使用的是反射式速调管信号源1．反射速调管的工作原理反射式速调管有阴极、阳极（谐振腔）、反射极三个电极，结构原理如图2所示。
阴极发射电子；阳极利用耦合环和同轴线输出微波功率；反射极用以反射电子。
由阴极发出电子束，受直流电场加速后，进入谐振腔。
电子以不同的速度从谐振腔飞出来而进入反射极空间。
在谐振腔和反射极间的直流排斥电场，使电子未飞到反射极就停下来，反射回谐振腔。
2．反射式速调管的工作特性和工作状态在一定条件下，反射式速调管的功率和频率特性曲线如图3所示。
（1）反射式速调管只有在某些特定的反射极电压值才能振荡。
有振荡输出功率的区域叫做速调管的振荡模，用n 表示震荡模的序号。
（2）对于振荡模，当反射极电压V R 变化时，速调管的输出功率P 和振荡频率f 都随之变化。
（3）输出功率最大的振荡模叫最佳振荡模（图3中n ＝3的振荡模）。
（4）各个振荡模的中心频率f 0相同通常称为速调管的工作频率。
通常调整速调管的振荡频率有电子调谐和机械调谐两种方法。
可利用反射极电压的变化无惯性的进行频率调节，这种方法称为“电子调谐”。
如果要在比较大的范围内改变速调管的振荡频率，采用“机械调谐”的方法，改变腔体的固有谐振频率。
反射式速调管的工作状态一般有三种：连续振荡状态、方波调幅状态、锯齿波调频状态。
图2 反射式速调管的结构原理（1）连续振荡工作状态在反射极上不加任何调制电压使反射式速调管处在最佳工作状态。
（2）方波（或矩形脉冲）调幅工作状态。
使速调管处在连续振荡最佳位置，从连续状态变到调幅状态时，调节方波幅度使输出功率为连续状态的一半，此时幅度合适。
（3）锯齿波调频工作状态速调管反射极电压的直流工作点选择在某一振荡模的功率最大点，当锯齿波的幅度比振荡模的宽度小得多时，可以得到近似直线性的调频信号输出，而附加的调幅很小。
图3三．谐振腔的基本参数1．谐振频率描述电磁能量在谐振腔中运动规律的物理量，指在谐振腔中激起的电磁振荡的工作频率。
2．品质因数描述谐振系统频率选择性的优劣及电磁能量损耗程度的一个物理量。
包括谐振腔品质因数、有载品质因数、外界品质因数。
3．耦合系数谐振腔与外界耦合的强弱，引入的概念，定义为外界电路中的耗能与谐振腔中的耗能之比。
四．谐振腔Q值的测量测量微波谐振腔Q值的常用方法有功率传输法、功率反射法、示波器法等。
五．微波频率的测量谐振腔波长表可用两种不同方法与微波系统连接：传输型方法和吸收型方法。
吸收式波长表的谐振腔只有一个输入端与能量传输线相接，调谐是从能量传输线路接收端的指示器的读数的降低而看出的，如图7（b）所示。
图7 谐振腔波长表与测量系统的连接及相应的谐振曲线【实验器材】反射速调管微波信号源、隔离器、谐振腔波长表、可变衰减器、波导测量线、环形器、谐振腔、单螺钉调配器、匹配负载、短路片、晶体检波器、检波指示器，双踪示波器、选频放大器、数字万用表等。
【基础性实验内容】1．微波测量系统的认识熟悉微波测量系统的基本组成和各种微波元件，了解其作用、主要性能及使用方法。
2．微波测量系统的调试实验所用微波测量系统基本组成如图8所示。
（1）测量系统基本匹配状态的调整开启速调管电源预热3分钟。
调节反射极电压，使速调管进入振荡工作模区。
调整系统的始端、终端的短路活塞，使检波指示器的指示为最大。
这时，微波测量系统大致处于匹配状态。
图8 实验用微波测量系统（2）反射速调管连续振荡工作状态的观测在连续振荡（等幅）工作状态下，测量谐振腔电压即阳极V o ，从0～250V 逐步增加反射极电压V R ，确定反射速调管工作模区，参考图3。
测出输出功率的最大值P max 、功率为零和最大值时对应的反射极电压V R ，画出输出功率与反射极电压的关系曲线。
测量输出功率最大的工作模区的中心振荡频率f 0。
调节反射极电压，当信号源输出功率最大时，测量吸收式谐振腔波长表的谐振曲线，确定中心振荡频率。
微调反射极电压改变量为±5V ，重新测量振荡频率f ，观察反射极电压，求∂P /∂|V r |和∂f/∂|V r |。
（3）反射速调管锯齿波调频工作状态的观测在“锯齿波”调制工作方式下，连续缓慢地改变反射极电压，仔细调节晶体检波器的短路活塞和调配螺钉，使示波器上的工作模区图形对称，输出最大。
测出功率最大的工作模区的中心振荡频率，观察并记录示波屏上图形。
调节“调制幅度”增大锯齿波电压，观测工作模区图形的变化情况。
测量中心振荡频率时可调节吸收式波长表，直至工作模区波形图顶部出现一下降峰。
这时，波长表上读数刻度对应的频率即为工作模区波形的中心频率f 0。
调节反射极电压用波长表测量半功率点的频率f 1和f 2以及对应的反射极电压V R1和V R2，则反射式速调管的电子协调宽度为：12||f f f ∆=-则反射速调管的电子调谐灵敏度为1212||||e R R Rf f f W V V V -∆==∆- （14）（4）反射速调管方波调幅工作状态的观测首先，在最佳连续振荡工作条件下，缓慢调节反射极电压使输出功率逐渐下降为0；其次， 在“方波”调制工作方式下， 调节“调制幅度”逐步增大方波电压，直到输出功率最大。
在整个调整过程中，观察示波屏上图形，测量振荡频率，记录波形变化情况，并加以解释。
【数据处理】1.反射式速调管连续振荡工作状态观测。
①功率电压数据如下表所示：表一 反射式速调管连续振荡工作状态数据表V R /V 18 24 28 40 48 56 76 88 I/μA 0 9.4 0 0 22 0 0 36.2V R /R 98 132 146 159 220 236 253 I/μA4850.2由上表作U –I 曲线有图9 反射式速调管工作模区U —I 曲线图分析：如图所示，反射式速调管并非在任意的反射级电压值下都产生震荡，只有在某些特定的电压下才能产生震荡，从图中可以看出各振荡模的基本规律都是相同的，输出功率都实现增大后减小至零，且最大输出功率对应一个特定的频率值f 0 .实验测得中心振荡频率f0 的波长λ0=8.86mm,查表得f0=9210（MHz）。
②实验测得最大功率附近±5V对应检波电流，列出表二：表二反射极电压，振荡频率和功率数据表由表可知︱P/V R︱=︱(48.5-43.2)/(146-141)︱= 1.06︱f/V R︱ =︱(9210-9202)/(146-141)︱= 1.62.反射式速调管锯齿波调频工作状态的观测。
①调节仪器得下图：上图凸起的波形为锯齿波的模，表示有功率输出。
②选择较大的一个模，调节吸收式波长表。
工作模区波形图顶部出现一个下降峰：由上图可知，下降峰表示能量被吸收，即产生了谐振。
此时下降峰最大，谐振最大。
此时调谐尺寸为8.82mm.查表得中心振荡频率f 0 =9210MHz. 根据检波特性求得 f1,f2-V R1=148V λ1=9.01mm f1=9190 MHz -V R2=173V λ2=8.65mm f2=9210 MHz 则反射式速调管电子调谐宽度为:12||f f f ∆=-=9190-9210=20MHz电子调谐灵敏度为:1212||||e R R Rf f f W V V V -∆==∆-=20÷25=0.8MHz ∕v 3.反射式速调管方波调幅工作状态的观测在方波状态下，调节调制幅度，至输出功率最大，此时示波屏上的图案如下图所示：此时： λ=8.85mm f=9210 MHz上图不是严格的方波，可能原因为所取得反射极电压不是最佳。
【思考与讨论】1. 反射式速调管有哪几种工作状态？应分别选用什么仪表作指示器？答：一般有三种：连续振荡(等幅)状态，方波（或矩形脉冲）调幅状态和锯齿波（或正弦波）调幅状态。
可使用检波指示器观察连续振荡状态，示波器观察方波和锯齿波调幅状态。
2. 调整反射式速调管微波信号源的工作频率有哪几种常用方法？答：通常调整速调管的振荡频率有电子调谐和机械调谐两种方法。
“电子调谐”是改变反射极电压，使电子渡越时间改变，电子团的电纳改变，速调管的振荡频率也随之改变，同样也可以改变阳极电压从而改变速调管的振荡频率。
“机械调谐”是通过改变腔的大小和形状，从而改变其腔体的固有谐振频率。
3.一个典型的微波测量系统一般包括哪几部分？简述其主要元件、仪器设备。
答：微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成。
微波等效电源部分即微波发送器，包括微波信号源、工作状态（频率、功率等）监视单元、隔离器等。
测量装置部分也称测量电路，包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等）以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率插头等）。
测量指示仪器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等。
4.微波谐振腔波长表测量频率的基本原理是什么？答：谐振腔波长表可用两种不同方法与微波系统连接：传输型方法（最大读数法）和吸收型法（最小读数法）。
传输式谐振腔有两个耦合元件，一个将能量从微波系统输入谐振腔，另一个将能量从谐振腔输出到指示器，当谐振腔调谐于待测频率时，能量传输最大，指示器的读数也是最大。
吸收式波长表的谐振腔只有一个输入端与能量传输线相接，调谐是从能量传输线路接收端的指示器的读数的降低而看出的。
5.有时晶体检波器在速调管和检波二极管都完好的情况下，会出现输出信号很小的现象，如何调节？答：（1）速调管并没有处于工作模区，而处于非工作模区，此时输出功率很低，接近于零，方法是：调节速调管电压，当指示器的示数变到到最大时，即得到了匹配状态。
（2）为了调大信号可适当调节衰减器，并且调节反射极电压以及始、终端短路活塞，使输出增大。
【实验总结】①通过本实验，了解到微波测量系统的基本组成，并对各部件的用法有了了解。