实验 微波的传输特性和基本测量
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
实验 微波的传输特性和基本测量
实验目的
1、 了解电磁波在矩形波导中传播的特点,学会用驻波测量线测量波的纵向分布。
2、 掌握一些微波基本量的测量基本技术,学会测量驻波比、波导波长、检测信号频率等。
3、 学会阻抗调配。
实验仪器
微波窄带扫频信号源、衰减器、频率计(波长计)、驻波测量线等。
一、实验原理
微波是指波长范围在11mm m ,即频率范围在300300MHz GHz 的电磁波。微波信号系统
中最基本参数有频率、驻波比、功率等。
1. 矩形波导及其中的10TE 波:
矩形波导是一个横截面为a b ⨯矩形的均匀、无损耗的波导管。如下图1。本实验室使用的是国际通用的标准波导,其内壁尺寸为:22.86,10.16a mm b mm ==。波导中传播的电磁波被完全局限在波导管内。
假设矩形波导管内壁为理想导体且波导沿z 轴方向为无限长,由麦克斯韦电磁理论可求得矩形波导中10TE 波的各电磁场分量为:
0x E = ()
0sin j t z y x E E e
a ωβπ-⎛⎫=
⎪⎝⎭
图1 矩形波导结构图
0z E = ()
0sin j t z x x H E e a ωββ
πωμ--⎛⎫=
⎪⎝⎭
0y H = ()
02s j t z z x H j
E co e a a ωβππωμ-⎛⎫= ⎪⎝⎭
波导中电磁场的电场强度分布如图2所示。电磁场的结构具有以下特性: ⑴0,0z E H =≠,电场在z 方向无分量,为横电波; ⑵电磁场沿x 方向为一个驻立半波,沿y 方向为均匀分布;
⑶电磁场沿z 方向为行波状态,在该方向,电磁场分量y E 与x H 的分布规律相同。 2.实验装置
其它元件:
x
E
图2 10TE 波的电场分量分布图
标准短路片 待测阻抗 匹配负载 阻抗调配器
3.传输线的特性参量与工作状态:
在波导中常用相移常数、波导波长、驻波系数等特性参量来描述波导中的传输特征,对于矩形波导中的10TE 波:
自由空间波长:c f λ= 截止波长:2c a λ=
波导波长:g λ=
相移常量:2g βπ= 反射系数:E E Γ=入反 驻波比: min Max E E ρ=
由此可见,微波在波导中传输时,存在着一个截止波长c λ,波导中只能传输c λλ<的电磁波。波导波长大于自由空间波长。
在实际应用中,传输线并非是无限长,此时传输线中的电磁波由入射波与反射波迭加而成,传输线中的工作状态主要决定于负载的情况。波导终端接上负载后,由于负载反射电磁波性质的不同,电磁波在终端产生不同程度的反射。微波技术中,常用驻波比ρ来描述传输线阻抗匹配的情况。
驻波比ρ与反射系数Γ之间的关系为:
11ρ+Γ
=-Γ
由于01Γ=,则ρ的值在1
∞之间。
⑴波导终端接匹配负载时,微波功率全部被负载吸收,无反射波,波导中呈现行波状态。此时有:0,1ρΓ==;
⑵波导终端接标准短路片(即理想导体板)时,形成全反射,波导中呈现出纯驻波状态,此时有:1,ρΓ==∞
⑶波导终端接一般性负载时,形成部分反射,波导中呈现出驻波状态,此时01,1ρ<Γ<<<∞。
二、实验内容
实验测量过程中,打开信号源的电源, 调节与波导连接的衰减器,使在波导中传播的电磁波能
量大小适中。调节方法:在波导终端接上标准短路片,将驻波测量线的探针移至使电流表示值为极大时对应的位置,此位置即为波导中驻波的波腹,调节衰减器使电流计示值达到最大,但不超出量程。
1.微波频率的测量
微波的频率是表征微波信号的一个重要物理量。本实验中采用吸收式频率计进行测量。吸收式频率计的测量工作原理:当调节频率计,使其自身空腔的固有频率与微波信号频率相同时,则产生谐振,吸收式频率计对微波有最大的吸收,此时连接在微波通路上的电流计的示值有明显的减小,以减幅最大作为判断频率测量的依据。
微波频率的测量过程:在波导终端接上标准短路片,将探针移至某一波腹位置处,此时作检测用的电流计的示值为最大,仔细调节频率计,当电流计示值减小到最小时,吸收式频率计对通过的微波达到谐振吸收状态,频率计对应的读数即为微波信号的频率。
2.驻波比的测量
驻波比,定义为波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场之比。即 min
Max
E E ρ=
式中min ,Max E E 分别表示波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场强度。实验中通常采用驻波测量线来测定波导波长和驻波比。驻波测量线的探针是用于探测波导中的电场分布,由探针探测,经检波晶体(微小二极管)转换成检波电流由电流计显示。实验前应注意驻波测量线的谐振,使其有最佳灵敏度。实验中微波信号比较弱,驻波测量线中的检波二极管符合在平方律检波,即2
I E ∝。则驻波比测量依据公式为
min Max E E ρ=
= 即使用驻波测量线测量驻波比,是通过移动测量线的探针分别处于驻波波腹及波节位置,由对应的
Max I 和min I 求得驻波比。
①短路测量:在波导终端接上标准短路片,测量此时的驻波比;
②观察行波状态:在波导终端接上匹配负载(又称为终端负载),测量此时的驻波比。 3.波导波长的测量
波导波长在数值上为相邻两个驻波极值点(波腹或波节)距离的两倍。在波导终端接上不匹配的负载(例如:标准短路片)时,波导中形成驻波,使用测量线探针的移动,测出相邻两个波节点位置坐标1D 和2D ,即可由下式计算波导波长