北邮微波 天线的特性特性和研究 实验报告

北京邮电大学
电磁场与微波测量实验
学院：电子工程学院
班级：2013211203
组员：
组号：第九组
实验六 用谐振腔微扰法测量介电常数
微波技术中广泛使用各种微波材料，其中包括电介质和铁氧体材料。

微波介质材料的介电特性的测量，对于研究材料的微波特性和制作微波器件，获得材料的结构信息以促进新材料的研制，以及促进现代尖端技术(吸收材料和微波遥感)等都有重要意义。

一、 实验目的
1． 了解谐振腔的基本知识。

2． 学习用谐振腔法测量介质特性的原理和方法
二、 实验原理
本实验是采用反射式矩形谐振腔来测量微波介质特性的。

反射式谐振腔是把一段标准矩形波导管的一端加上带有耦合孔的金属板，另一端加上封闭的金属板，构成谐振腔，具有储能、选频等特性。

谐振条件：谐振腔发生谐振时，腔长必须是半个波导波长的整数倍，此时，电磁波在腔内连续反射，产生驻波。

谐振腔的有载品质因数QL 由下式确定：
2
10
f f f Q L -=
式中：f0为腔的谐振频率，f1，f2分别为半功率点频率。

谐振腔的Q 值越高，谐振曲线越窄，因此Q 值的高低除了表示谐振腔效率的高低之外，还表示频率选择性的好坏。

如果在矩形谐振腔内插入一样品棒，样品在腔中电场作用下就会极化，并在极化的过程中产生能量损失，因此，谐振腔的谐振频率和品质因数将会变化。

图1 反射式谐振腔谐振曲线 图2 微找法TE10n 模式矩形腔示意图
电介质在交变电场下，其介电常数ε为复数，ε和介电损耗正切tan δ可由下列关系式表示：
εεε''-'=j ， εεδ''
'=
tan ，
其中：ε，和ε，，分别表示ε的实部和虚部。

选择TE10n ，(n 为奇数)的谐振腔，将样品置于谐振腔内微波电场最强而磁场最弱处，
即x ＝α／2，z ＝l ／2处，且样品棒的轴向与y 轴平行，如图2所示。

假设：
1．样品棒的横向尺寸d(圆形的直径或正方形的边长)与棒长九相比小得多(一般
d ／h<1／10)，y 方向的退磁场可以忽略。

2．介质棒样品体积Vs 远小于谐振腔体积V0，则可以认为除样品所在处的电磁场发生变化外，其余部分的电磁场保持不变，因此可以把样品看成一个微扰，则样品中的电场与外电场相等。

这样根据谐振腔的微扰理论可得下列关系式
000)
1(2V V f f f S
s -'-=-ε
41
V V Q S L ε''=∆
式中：f0,fs 分别为谐振腔放人样品前后的谐振频率，Δ (1／QL)为样品放人前后谐振腔的有载品质因数的倒数的变化，即
01
1)1(
L LS L Q Q Q -=∆
QL0，QLS 分别为放人样品前后的谐振腔有载品质因数。

三、 实验装置
1. 微波信号源需工作在最佳等幅、扫描状态。

2. 晶体检波器接头最好是满足平方律检波的，这时检波电流表示相对功率(I ∝P)。

3. 检波指示器用来测量反射式谐振腔的输出功率，量程0～100μA 。

4. 微波的频率用波长表测量刻度，通过查表确定微波信号的频率。

5. 用晶体检波器测量微波信号时，为获得最高的检波效率，它都装有一可调短路活塞，调节其位置，可使检波管处于微波的波腹。

改变微波频率时，也应改变晶体检波器短路活塞位置，使检波管一直处于微波波腹的位置。

图17 试验装置示意图
1— 微波信号源 2—隔离器 3—衰减器 4—波长表5—测量线 6—测量线晶体
7—选频放大器 8—环形器 9—反射式谐振腔 10—隔离器 11—晶体检波器
四、 实验内容
1．
连接好各部件。

注意：反射式谐振腔前必须加上带耦合孔的耦合片，接入隔离器及环形器时要注意其方向。

2． 开启微波信号源，选择“等幅”方式，预热30分钟。

3．
测量谐振腔的长度，根据公式计算它的谐振频率，一定要保证n 为奇数。

4．
通过调节波长计可见示波器上波长计产生的吸收峰在谐振腔产生的吸收峰上滑动，此时可通过波长计测量谐振频率f 0，半功率点f 1、f 2。

5．
测量空腔的有载品质因数，注意： f1， f2与f0的差别很小，约0．003GHz 。

6． 加载样品，重新寻找其谐振频率，测量其品质因数。

7． 测量介质棒及谐振腔的体积。

8．
计算介质棒的介电常数和介电损耗角正切。

五、 实验数据（介质棒颜色为白色）
由样品谐振腔的长66mm ，宽22.86mm ，高10.16mm 可得其体积 V 0 =15329.000立方毫米
由样品半径0.7mm ，高10.16mm 可得其体积 Vs=15.632立方毫米
由样品谐振频率以及半功率点频率可以计算出样品谐振腔的品质因数（f0 =9.093GHz f1 =9.088GHz f2 =9.096GHz ）
2
10f f f Q Lo -=
=1136.625
样品插入后，由谐振频率以及半功率点频率可以计算出样品放入后的品质
因数（fs =9.070GHz f1 =9.064GHz f2 =9.075GHz ）
2
1s s f f f Q L -=
=824.545
联立实验原理中的各式可求得介质棒的介电常数与介电损耗角正切。

εεε''-'=j = 2.24-j0.0816 εεδ'
'
'=tan =0.0364
六、 思考题
1. 如何判断谐振腔是否谐振？
答：谐振腔发生谐振时，电磁波在腔里连续反射，产生驻波，反映在示波器上是会出现吸收峰，从而判断。

2. 本实验中，谐振腔谐振时，为什么“必须是奇数”？
答：为了得到单一的电磁波。

在本实验所使用的仪器安装及测量方式中，诸如TE102等n 为偶数的模式会受到抑制。

对于TE101模式的电磁场，各边缘中心处切向磁场均可达到最大值，此四处开耦合窗均可达到电感耦合的效果；而TE102模式的电磁场在本装置开窗处所有分量全部为零，能量无法耦合到下一个谐振腔。

3. 若用传输式谐振腔如何测量介质的介电常数，可否画出实验装置。

答：传输式谐振腔与反射式谐振腔的最大差别在于谐振时达到最大值的峰值而非吸收峰，因此下图模式的接法（与本实验基本相同）即可，只不过观察吸收峰变为了观察极大值点。

信号源隔离器
波长表
可变衰减器
环形器
样品式谐振腔
实验一天线的特性特性和测量
一、实验目的
1.了解天线的发射和接收信号的基本工作原理。

2.认识和了解测量天线接收强度的基本装置。

3.了解天线的接收强度和接收天线与发射天线之间夹角的关系。

4.了解喇叭天线的方向图特性。

5.掌握天线方向图的测试方法。

二、天线工作原理
天线是一种变换器，它把传输线上的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

天线特性测量实验，将通过控制接收天线与发射天线之间的夹角进而改变和测量接收天线接收信号的强弱，掌握天线的接收强度和接收天线与发射天线之间夹角的关系。

天线有些重要参数，下面给出：
1)辐射效率
ηr=P r P i
式中，Pr为天线辐射出的功率，单位为W；Pi为馈入天线的功率，单位为W。

2)辐射方向图
用极坐标来表示天线的辐射场强度与辐射功率的分布，天线的方向图是表征天线辐射时电磁波能量（或场强）在空间各点分布的情况。

天线方向图能直观地反映出天线辐射能量集中的程度，方向图越尖锐，表示辐射能量越集中，相反则能量分散。

若天线将电磁能量均匀地向四周辐射，方向图就变成一球面，称作无方向性，这就是一理想点源在空中辐射场。

天线方向图可以通过测试来绘制，如测得的是场强，则绘出场强方向图，但两者图形形状是完全一样的。

3)方向性图主瓣宽度
最大辐射方向的叶瓣，称为主瓣，其余称副瓣。

4)方向性图主瓣零点角
主瓣两侧零辐射方向之间夹角
5)方向性图副瓣电平
旁瓣：在主辐射波瓣旁，还有许多副瓣，其中HPBW为半功率波束宽度，辐射最大功率下降3dB时的角度；FNBW为第一零点波束宽度；SLL为旁瓣高度，辐射最大功率与最大旁瓣的差。

6)方向性图副瓣功率电平表示副瓣功率电平相对于主瓣功率电平的比值，一般用分贝（dB）表示。

7)方向性系数D
在同一距离及相同辐射条件下，某一天线最大辐射方向性上辐射功率密度（或场强平方）与无方向天线辐射功率密度（或场强平方）之比。

D=S max S0
8)天线增益G、天线输入阻抗Z in
G=P r
P i
=
P为被测天线距离R处所接收到的功率密度，单位为W/m2；Pi为全向性天线距离R处所接到的功率密度，单位为W/m2。

P r=
GP i 4πR2
天线输入阻抗Z in定义为：
Z in=U I
U为在馈入点上的射频电压；I为在馈入点上的射频电流。

三、实验内容与步骤
测量方法有两种：
1）固定天线法：被测天线不动，以它为圆心在等圆周上测得场强的方式。

2）旋转天线法：标准天线不动为发射天线，而待测天线为接收天线，而自身自旋一周所测的方向图。

演示实验采用的是旋转天线的方法。

测量步骤：
旋转天线法：可动天线每改变一个角度（大约1°）记录下来一个数值（检波器或小功率计指示），改变一周即得到360°范围内的方向图。

方向图的自动测量属于动态测量。

测量时被测天线连续转动，并接收信号源通过喇叭天线发射的微波信号，接收信号送天线幅度信号采集电路，经变换放大及
A/D转换后送给微机。

天线转动的同时，天线角度信号录取装置将天线位置转换成角度数字信号送给微机。

这样就可以得到测量范围内每一位置的幅度信号电平，根据这组数据，微机就可以进行数据处理并由输出装置输出计算结果。

四、实验结果
微波天线方向图测试报告：
测试日期: 2016-04-16 20:08
测试人: 詹雪娇，康铭全，马依拉·阿不力肯木
测试内容: 3G 4单元板状-1920-E-1
极化方式: 水平极化
旁瓣宽度--- 频谱1
-3db : 22.89
-6db : 33.84
-10db : 44.86
-15db : 273.12
前后比: 0.00
轴比0: 0.00
轴比1: 61.00
轴比2: 6.00
轴比3: 85.00
轴比4: 39.00
轴比5: 15.00
轴比6: 18.00
轴比7: 6.00
轴比8: 2.00
轴比9: 244.00
轴比10: 9.00
轴比11: 2.00
轴比12: 265.00 轴比13: 5.00 轴比14: 4.00 轴比15: 2.00
微波天线方向图的绘制
表格：
角度(曲线
1-marker1) 幅度(曲线
1-marker1) 角度(曲线
1-marker2) 幅度(曲线
1-marker2) 最大: 360.95 最大: -41.28 最大: 360.95 0.00 0.00 -41.36 0.00 0.00 1.19
-41.36
1.19
0.00
3.33 -41.30 3.33 0.00
4.24 -41.35 4.24 0.00
5.31 -41.49 5.31 0.00
6.22 -41.79 6.22 0.00
7.30 -41.87 7.30 0.00
8.20 -42.19 8.20 0.00
9.31 -42.49 9.31 0.00
10.20 -42.75 10.20 0.00
11.29 -43.15 11.29 0.00
12.21 -43.50 12.21 0.00
13.31 -44.05 13.31 0.00
14.24 -44.25 14.24 0.00
15.17 -44.87 15.17 0.00
16.29 -45.31 16.29 0.00
17.20 -45.98 17.20 0.00
18.31 -46.36 18.31 0.00
19.20 -47.23 19.20 0.00
20.28 -47.48 20.28 0.00
21.20 -47.98 21.20 0.00
22.26 -48.90 22.26 0.00
23.19 -49.39 23.19 0.00
24.24 -50.00 24.24 0.00
25.19 -50.56 25.19 0.00
26.25 -51.09 26.25 0.00
27.19 -51.67 27.19 0.00
28.27 -52.33 28.27 0.00
29.19 -52.90 29.19 0.00
30.28 -53.47 30.28 0.00
32.31 -54.59 32.31 0.00
33.24 -55.19 33.24 0.00
34.19 -55.86 34.19 0.00
35.27 -56.74 35.27 0.00
36.23 -57.77 36.23 0.00
37.28 -58.45 37.28 0.00
38.20 -59.94 38.20 0.00
39.25 -60.96 39.25 0.00
40.18 -63.30 40.18 0.00
41.25 -64.12 41.25 0.00
42.18 -65.03 42.18 0.00
43.26 -68.56 43.26 0.00
44.18 -71.15 44.18 0.00
45.29 -74.46 45.29 0.00
46.20 -76.60 46.20 0.00
47.15 -80.75 47.15 0.00
48.23 -73.57 48.23 0.00
49.18 -72.05 49.18 0.00
50.28 -70.12 50.28 0.00
51.22 -70.53 51.22 0.00
52.18 -68.80 52.18 0.00
53.27 -68.61 53.27 0.00
54.23 -68.54 54.23 0.00
55.13 -67.24 55.13 0.00
56.22 -66.97 56.22 0.00
57.13 -67.00 57.13 0.00
58.21 -66.50 58.21 0.00
59.16 -66.84 59.16 0.00
61.18 -67.32 61.18 0.00
62.26 -66.22 62.26 0.00
63.20 -67.48 63.20 0.00
64.27 -67.28 64.27 0.00
65.21 -67.59 65.21 0.00
66.16 -68.72 66.16 0.00
67.25 -69.76 67.25 0.00
68.19 -71.82 68.19 0.00
69.13 -73.67 69.13 0.00
70.23 -77.11 70.23 0.00
71.17 -81.23 71.17 0.00
72.14 -83.39 72.14 0.00
73.21 -78.45 73.21 0.00
74.15 -74.56 74.15 0.00
75.22 -70.93 75.22 0.00
76.15 -71.77 76.15 0.00
77.23 -69.90 77.23 0.00
78.15 -69.49 78.15 0.00
79.24 -70.37 79.24 0.00
80.15 -70.55 80.15 0.00
81.12 -72.62 81.12 0.00
82.18 -72.44 82.18 0.00
83.15 -78.79 83.15 0.00
84.24 -80.72 84.24 0.00
85.19 -83.82 85.19 0.00
86.15 -78.73 86.15 0.00
87.24 -85.09 87.24 0.00
88.20 -81.96 88.20 0.00
90.12 -81.82 90.12 0.00
91.20 -80.64 91.20 0.00
92.14 -78.47 92.14 0.00
93.21 -74.63 93.21 0.00
94.13 -71.68 94.13 0.00
95.24 -70.54 95.24 0.00
96.15 -68.31 96.15 0.00
97.10 -66.04 97.10 0.00
98.19 -65.32 98.19 0.00
99.14 -65.09 99.14 0.00 100.23 -64.98 100.23 0.00 101.16 -64.93 101.16 0.00 102.10 -64.59 102.10 0.00 103.21 -64.69 103.21 0.00 104.16 -64.29 104.16 0.00 105.12 -63.89 105.12 0.00 106.24 -63.26 106.24 0.00 107.18 -61.61 107.18 0.00 108.15 -61.74 108.15 0.00 109.22 -60.63 109.22 0.00 110.16 -60.13 110.16 0.00 111.08 -60.34 111.08 0.00 112.17 -59.72 112.17 0.00 113.10 -59.84 113.10 0.00 114.22 -60.02 114.22 0.00 115.16 -59.44 115.16 0.00 116.10 -59.34 116.10 0.00 117.21 -58.91 117.21 0.00
119.10 -58.13 119.10 0.00 120.19 -57.34 120.19 0.00 121.14 -56.68 121.14 0.00 122.08 -55.89 122.08 0.00 123.19 -55.25 123.19 0.00 124.17 -54.84 124.17 0.00 125.10 -54.34 125.10 0.00 126.07 -54.29 126.07 0.00 127.14 -54.19 127.14 0.00 128.10 -54.12 128.10 0.00 129.18 -54.25 129.18 0.00 130.11 -54.39 130.11 0.00 131.21 -54.81 131.21 0.00 132.13 -55.12 132.13 0.00 133.09 -55.50 133.09 0.00 134.20 -55.77 134.20 0.00 135.17 -55.92 135.17 0.00 136.10 -56.58 136.10 0.00 137.06 -56.31 137.06 0.00 138.19 -56.62 138.19 0.00 139.14 -57.14 139.14 0.00 140.09 -57.64 140.09 0.00 141.06 -57.58 141.06 0.00 142.17 -57.54 142.17 0.00 143.12 -58.13 143.12 0.00 144.09 -58.13 144.09 0.00 145.17 -58.83 145.17 0.00 146.12 -59.07 146.12 0.00
148.15 -60.20 148.15 0.00 149.09 -60.90 149.09 0.00 150.04 -61.97 150.04 0.00 151.15 -61.79 151.15 0.00 152.09 -63.71 152.09 0.00 153.05 -65.41 153.05 0.00 154.14 -67.19 154.14 0.00 155.12 -70.28 155.12 0.00 156.07 -75.10 156.07 0.00 157.04 -82.14 157.04 0.00 158.16 -76.52 158.16 0.00 159.11 -72.60 159.11 0.00 160.09 -69.23 160.09 0.00 161.05 -67.01 161.05 0.00 162.19 -65.79 162.19 0.00 163.10 -65.31 163.10 0.00 164.06 -63.40 164.06 0.00 165.14 -63.41 165.14 0.00 166.08 -62.84 166.08 0.00 167.04 -62.35 167.04 0.00 168.13 -62.48 168.13 0.00 169.09 -61.99 169.09 0.00 170.04 -61.77 170.04 0.00 171.17 -61.95 171.17 0.00 172.10 -61.75 172.10 0.00 173.06 -61.92 173.06 0.00 174.04 -62.27 174.04 0.00 175.03 -62.48 175.03 0.00
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321.99 -60.85 321.99 0.00 322.94 -60.55 322.94 0.00 323.92 -60.45 323.92 0.00 325.01 -59.62 325.01 0.00 325.97 -59.37 325.97 0.00 326.88 -59.16 326.88 0.00 327.98 -58.82 327.98 0.00 328.91 -58.54 328.91 0.00 329.88 -58.56 329.88 0.00 330.98 -58.09 330.98 0.00 331.92 -57.88 331.92 0.00 332.88 -57.64 332.88 0.00 333.98 -57.15 333.98 0.00 334.97 -56.46 334.97 0.00 335.90 -55.72 335.90 0.00 336.88 -54.96 336.88 0.00 337.98 -54.29 337.98 0.00 338.95 -53.32 338.95 0.00 339.93 -52.48 339.93 0.00 340.90 -51.83 340.90 0.00 341.88 -50.78 341.88 0.00 342.97 -50.14 342.97 0.00 343.93 -49.18 343.93 0.00 344.86 -48.88 344.86 0.00 345.96 -47.92 345.96 0.00 346.91 -47.05 346.91 0.00 347.87 -46.25 347.87 0.00 348.98 -45.60 348.98 0.00
350.88 -44.34 350.88 0.00
351.99 -43.91 351.99 0.00
352.96 -43.42 352.96 0.00
353.91 -42.94 353.91 0.00
354.89 -42.69 354.89 0.00
356.00 -42.32 356.00 0.00
356.97 -41.94 356.97 0.00
357.94 -41.84 357.94 0.00
358.92 -41.67 358.92 0.00
359.89 -41.48 359.89 0.00
360.95 -41.41 360.95 0.00
五、数据与误差分析
测量方向与理论方向不完全一致，首先是由于测试仪器与设备存在系统误差，另外是受到实际空间的电磁波干扰，不过在误差允许范围内，该测量结果准确。

另外，严格的测量应在暗室中进行，这样可以大大消除反射波影响，实验室不具备这样的条件，测量也会存在误差。

实验总结
该次实验主要是了解谐振腔的知识并学习用谐振腔微扰法测量介质常数。

实验之前我复习了关于谐振腔的知识，对本次实验原理作了一定的了解，而实验操作也非常简单，测量数据也不是很多，故在我们小组成员的积极配合下，很快就完成了实验。

在之后的演示实验中，整个过程由老师操作，课前也对天线理论进行了一定了预习，操作时老师也进行了讲解，所以实验进行得很顺利，也使我们对天线特性有了初步的认识。