第七章 微波测量

按照感应和吸收形式，微波功率计分为3大类 A）热能转换式微波功率计（应用热效应） 包括：
量热式功率计，
热敏电阻式功率计，
热电式功率计
B） 机械式功率计（力学效应） C） 电子式功率计（电效应,如霍耳效应）
7.5 衰减的测量
1 衰减与插入损耗的区别 插入损耗 一个由微波信号源和负载组成的任意传输
系统，元件插入前负载得到的功率为P1，元件插入后
P1 负载得到的功率为P2，该元件的插入损耗为： L 10lg (dB) P2
工作衰减 将微波元件接在匹配信号源与匹配负载之
间，插入元件的输入功率与输出功率之比的分贝数。
注意：
元件的插入损耗不是唯一的
元件的衰减是唯一的，与外部环境无关
2
衰减的基本测量方法
A 替代法
用标准衰减器的衰减量替代被测网络的衰减
故可以从输出耦合器端得到最大输出，相应的检
波电流 I0 也最大。
I
f f0
b.吸收式测量方法
uA
信号源 隔离器 波长计 检波器
I
0
f0
f
吸收式连接及其谐振曲线
3.外差式频率测量方法的基本原理
fx （待测信号）
混频器 fL
mfx±nfL
音频放大器
fx-nfL
零拍指示器
粗测
谐振式 频率计
石英晶体稳频 的本机振荡器
量来实现衰减测量 B 阻抗法 根据传输线中的反射或驻波系数与被测衰减 量的关系实现衰减测量（功率反射法） C 功率比法 D 桥路法
功率比法 直接测量 P1/P2 来确定衰减量的一种方法 采用一个与传输线相匹配的功率计作为负载和一个匹配的信号源
指示器
功率计
微波 信号源
待测 元件
匹配信号源
匹配负载
步骤及方法
平方律检波
i k E k 1 2 cos 2 z
i 0 2 z
2
2

Baidu Nhomakorabea
2

cos 2 zmax 0 zmax
Vmax Emax Vmin Emin
g (2n 1) 8
I max I min
b.波导波长的测量
只要测出相邻两电压最小点的距离，即可求出波导波长,
驻波曲线的斜率
i z
在测量中为了提高测量灵敏度，要找到驻波曲线斜率最大点
2 i 0 2 z
cos 2 z
max
1 cos 2 zmax 0
g
2
1, 0,
zmax n
zmax (2n 1)
g
8
可以证明， | |越大，|i| 随 z 变化的斜率最大处越 趋近于波节点处
Zi
只要测出传输线上某一特定位置的输入阻抗和系 统的波导波长，即可得到负载阻抗的值
电压波节点处
Z i Z i min
1 Zc
1 j tan lmin ZL Zc 令 l l n in时 ， j tan lmin
只要测出离负载处第一电压最小点和驻波系数
即可的到负载阻抗
指示 短路活塞 信号源 隔离器 待测元件
(D＋S)＋KS S=活塞位置（变化）
S=某一节点的位置（变化）
K=1/21 S
1 sin( / 1 ) 1 sin( / 1 )
8.2.7
反射计法
4
波长计
指示 检波
指示 检波
3
信号源 隔离器 耦合器1 耦合器2
负载
E2 P4 E1 P3
Q值不高，属于中等 精度频率计
H10 a
TE011 模 式 高 精 度频率计 Q＝10000
2.谐振式频率计测量频率的方法
a.通过式测量方法
mA
信号源 定向耦合器
负载
测量时, 信号从输入端进入频率计谐振腔，调 节频率计的短路活塞使谐振腔谐振。 这时腔体的谐振频率 f＝f0 ，腔体中的场最强，
1）不接待测元件
微波 信号源 精密衰减器 指示 装置
适当调节可调精密衰减器为 A1，使指示器有一定指 示
2）接入待测元件
微波 信号源
待测 元件
指示 装置
待测元件本身的衰减使指示器读数减小，调节精密衰 减器使指示器恢复原值，此时的衰减量为 A2，被测 元件的衰减量为A=A1-A2 根据所用标准衰减器的工作频率不同，可分为高频替 代法、中频替代法和低频替代法
A Pr P0
P P0 i 2 A 10 lg 10 lg Pr P0 P0 P P i 10 lg 10 lg i P0 Pr Pr
7.5 阻抗的测量 根据传输线理论
Z L cos l jZ c sin l Zi Z c cos l jZ L sin l
第七章
微波测量
邵群峰 shaoqf@lzu.edu.cn
7.1 微波测量概述
信号频率和波长测量
信号 特性测量
信号波形和频谱测量
微波测量
网络 特性测量
反射参量
驻波比 反射系数 输入阻抗 衰减 相移
传输参数
7.2
驻波测量
1.驻波测量的目的和原理 反映微波元件与所接传输线的匹配程度。
ρ＝Vmax/Vmin=Emax/Emin
外差式频率计：将待测的微波信号直接与标准频率比
较进行测量。
1.谐振式频率计 对谐振腔进行调谐，使之与待测微波信号发
生谐振（此时从外部吸收最大的能量），根据谐振
时调谐结构的位置，判断腔内谐振的电磁波频率。
谐振式频率计大都采用同轴谐振腔和圆柱谐振腔。 在10cm或更长波段常采用同轴谐振腔作为频率计。
g/2同轴线型频率计
如果在某一微波传输系统中，在1、2两点的功 率分别为P1、P2，则由1点到2点信号电平的变化
为
P2 L21 10 lg (dB) P1
2.微波功率测量的基本方法
将微波能量转化为某种易于测量的其它形 式的能量，如热能、机械能、光能、电能等以 间接测量。 任何一种微波功率计都是由感应和吸收微 波能量的转换部件（通常称为功率探头）和指 示部分构成。
l1 n lmin
g
2 l2 l1
,
l2 n
g
2
lmin
意义：参考点（短路时波节点位置）和待测点 （接负载时节点位置）同时向信号源方向移动半 波长的整数倍，所以，两者的差值不变。
桥路法
4 2 H
指示 Zx
Z0
1
E
3
源
魔T
3口输出的信号等幅同向分配到1和2口
3
低频替代法
匹配 信号源
待测 元件
平方 律检 波器
低频标 准衰减 器
低频放 大与指 示器
A<20dB
桥路法
待测 元件 3 信号源 双T1 双T2 3
H
2
E
E
2
H
桥路法测量衰减的测试系统
1）取下待测元件，调节精密衰减器和相移器， 使进入双T2的信号大小相等，相位相反，H臂无 输出，指示为零，记下精密衰减器的衰减A1
l n i n、 和 g , 即 可 确 定 Z L
指示器
微波 信号源
Yin
jb
阻抗测量系统装置
最小点的测量问题：
采用“等效截面法”测量第一电压最小点
E
z
l1
z
l2 lmin
1
Emax Emin
lmin
E
lmin 为接负载时第一电压最小点距负载的距离。 选1点为短路时的波节点，换接上待测负载时，向信号 源方向找到第一个出现的波节点 l2
fL<< fx n=3~22次
差拍频率： fn=fx-nfL 零拍： fn=fx-nfL=0 fx=nfL
7.4 功率测量
1.功率电平（信号电平）的概念
通常采用对数式单位（dB）来描述信号的相对大小
1mW 作为参考电平的分贝值称为“分贝毫瓦”， 用 dBmW 表示 1W 作为参考电平的，称为“分贝瓦”， 用 dBW 表示
直接法仅适合于 1.02<ρ<6
二倍最小功率法
ρ>6时，Imax和 Imin 相差太大，直接法出现困难。 只在电场强度的最小点附近测量驻波电场的 分布规律，而避免测最大点。
只需在电场强度的最小点附近测出对应于最小功率的
二倍处的两点间距 W 和 λg
g W
W
2Pmin
Pmin
节点偏移法 ρ <1.02时，接近于行波状态，最大点和最小点相差甚微。
c.驻波系数的测量中的主要误差
晶体检波律；
探针影响；
附加反射； 测量线机械结构和探针定位不准确。
7.3 波长和频率的测量
c f
波长和频率的测量是等效的。
但从原理上讲，波长和频率的测量有区别和联系。 前者是长度的测量，后者是时间的测量。
微波频率计按其测量原理分为两类：
谐振式频率计：利用谐振腔的选频特性进行测量。
对负载系统进行调配
取下待测元件，使负载的驻波系数小于1.02,
对信号源进行调配
1）将信号电源断开，接入测量线左端，在右端接另
一个相同频率的信号源，进行调配。 2）在测量线终端接短路活塞，形成全反射，移动活 塞，反射波的相位就在改变 测量P1和P2 根据衰减的定义计算衰减量
I max
替代法
替代法是用已校准的标准衰减器的衰减量来代替被 测元件的衰减量进行衰减测量的一种方法。
2）接入待测元件，桥路失去平衡，调节精密衰
减器，使桥路恢复平衡，此时读数为A2 元件的衰减为A=A2-A1
功率反射法
P 1 ,P 1
P1
衰 减 元 件
P2P ,2 P 2
ZL
P1 A 10log P2 P P 10 P P
1 2 2 1 A 10
P1
2 、2
元件输出端的反射系数和驻波系数
2 1
负载短路时
1 1 1 A 10log 10log 1 1 1
测量方法
指示器
微波 信号源
待测 元件
D1 D2
特点 不需调配，测量方便
从下述模型直接证明：
1 1 1 A 10P0 log Pi 10 log 1 2 1
Δlmin=λg/2。
E
E
为了减小测量误差，
采用交叉读数法。
xmin
x1 x2 2
x1
xmin
x2
x1
x2
g/2
x3
x4
c.驻波系数的测量
指示器
信号源 隔离器
待测元件
匹配负载
直接测量法
测得最大电压Vmax和最小电Vmin
平方律检波
直线律检波
Vmax I max Vmin I min

1 2 cos(2 z )
2
电压最小点处
时， E E

1 2 cos 2 z
2
直线律检波
i k E =k E
+
1 2 cos 2 z
2
Vmax Emax I max Vmin Emin I min
P2 2 0
1
2
2 P P 1 2 /10 A A P 1 P2 1010 10 5
A 10
2
1 1 2 1 1 1 A 10lg 10lg 10lg 10lg 1 2 1 1 2 1
1 、1 元件输入端的反射系数和驻波系数
1 高频替代法
指示器 功率计
微波 信号源
待测 元件
测量前应对系统调匹配，以构成信号 源和匹配负载系统
2 中频替代法
混 频 器 阻抗 变换 器 中频标 准衰减 器 阻抗 变换 器 中频放 大与指 示器
匹配 信号源
待测 元件
本地 振荡
优点：同一个中频标准可变衰减器可以测量各 种不同波段的微波元件的衰减，而高频替代法 中标准衰减器必须对每一个波段都配一个
2.开槽测量线法
P 407
a.晶体检波律对驻波图形的影响
E (z) e j( 2 z ) E j( 2 z ) E E E E 1 e E 1 cos(2 z ) j sin(2 z ) E E