实验 微波的传输特性和基本测量

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
211
2
g D D λ=- 实际采用测定驻波极小点的位置来求出波导波长。

考虑到驻波极小点附近变化平缓，因而测量值不够准确。

为此，测量时通常不采取直接测量驻波极小点位置的方式，而是通过平均值法（也称为等电位法）间接测量，亦即测极小点附近两点（此两点检波显示电流计上的读数相等）的坐标，然后取这两点坐标的平均值，即得极小点坐标。

如上图所示。

两相邻极小点的距离为半个波导波长，测量计算式由上式可改为
()()2211211
222
g z z z z D D λ''''''++=-=-
由上面实验测得的波导波长，通过公式
g λ=
计算出待测微波信号在自由空间的波长，再由波长与频率的关系式求出微波信号的频率，将计算的频
率与前面实验测得的频率进行比较分析。

4．（选做）练习阻抗调配技术
在波导终端依次相继接上待测阻抗、阻抗调配器、匹配负载，观察驻波比值。

分别反复调节阻抗调配器的两个短路活塞，使驻波比尽可能小（实验要求达到小于1.5）。

在实验报告中写出调节体会。

1
2z。