电磁波实验报告讲解

电磁场与微波技术实验报告学院：姓名：学号：班级：指导教师：完成日期：2013年6月3日实验一线驻波比波长频率的测量一、实验目的1、熟练认识和了解微波测试系统的基本组成和工作原理。

2、掌握微波测试系统各组件的调整和使用方法。

3、掌握用交叉读数法测波导波长的过程。

二、实验用微波元件及设备简介1．波导管：本实验所使用的波导管型号为BJ—100，其内腔尺寸为α＝22.86mm，b＝10．16mm。

其主模频率范围为8．20～12．50GHz，截止频率为6．557GHz。

2．隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性(见图1)。

隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。

3．衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成(见图2)，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。

衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。

图 1 隔离器结构示意图图 2 衰减其结构示意图4．谐振式频率计（波长表）：图3 a 谐振式频率计结构原理图一图3 b 谐振式频率计结构原理图二1. 谐振腔腔体 1. 螺旋测微机构2. 耦合孔 2. 可调短路活塞3. 矩形波导 3. 圆柱谐振腔4. 可调短路活塞 4. 耦合孔5. 计数器 5. 矩形波导6. 刻度7. 刻度套筒电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。

当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。

(图3a)或从刻度套筒直接读出输入微波的频率(图3b)。

两种结构方式都是以活塞在腔体中位移距离来确定电磁波的频率的，不同的是，图3a读取刻度的方法测试精度较高，通常可做到5×10－4，价格较低。

而见图3b直读频率刻度，由于在频率刻度套筒加工受到限制，频率读取精度较低，一般只能做到3×10－3左右且价格较高。

5．驻波测量线：驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。

在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。

由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。

6．匹配负载：波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。

7．微波源：提供所需微波信号，频率范围在8．6～9．6GHz内可调，工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。

8．选频放大器：用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，经整流平滑后由输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。

三、实验内容及过程1.微波信号源的调整：频率表在点频工作下，显示等幅波工作频率，在扫频工作下显示扫频工作频率，在教学下，此表黑屏。

电压表显示体效应管的工作电压，常态时为12.0 0.5V，教学工作下可通过“电压调节钮”来调节。

电流表显示体效应管的工作电流，正常情况小于500毫安。

2.测量线探针的调谐：我们使用的是不调谐的探头，所以在使用中不必调谐，只是通过探头座锁紧螺钉可以将不调谐探头活动2mm。

3.用波长计测频率：(1)在测量线终端接上全匹配负载。

(2)仔细微旋波长计的千分尺，边旋边观测指示器读数。

由于波长计的q值非常高，谐振曲线非常尖锐，千分尺上0.01mm的变化都可能导致失谐与谐振两种状态之间切换，因此，一定慢慢地仔细微旋千分尺。

记下指示器读数为最小时（注意：如果检流指示器出现反向指示，按下其底部的按钮，读数即可）的千分尺读数并使波长计失谐。

(3)由读得的千分尺刻度可在该波长计的波长表频率刻度对照表上读得信号源的工作频率。

4.交叉读数法测量波导波长：(1)检查系统连接的平稳，工作方式选择为方波调制，使信号源工作于最佳状态。

(2)用直读式频率计测量信号频率，并配合信号源上的频率调谐旋钮调整信号源的工作频率，使信号源的工作频率为9370MHz 。

(3)测量线终端换接短路板，使系统处于短路状态。

将测量线探针移至测量线的一端。

(4)按交叉读数法测量波导波长：测量三组数据，求平均值。

d 01=(d 11+d 12)/2 d 02=(d 21+d 22)/2 则得：λg=2⨯|d 02-d 01|5、测量ρ原理：驻波系数的测量是微波测量中最基本的测量。

通过驻波系数测量不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、波导波长、相位移、衰减、Q 值等其他参量。

在微波能量的传输时，如果匹配不好，形成驻波，能量就不能有效地传给负载，这就增大了损耗。

在大功率传输时，由于驻波的存在，驻波电场的最大点处可以产生击穿打火，因而驻波测量及匹配技术是十分重要的。

电压驻波比是传输线中电场最大值与最小值之比，表示为：minmax E E S =（1）测量驻波比的方法很多，测量仪器也较多。

本实验主要让同学们通过测量线法、等指示度法、功率衰减法测量一些负载的驻波比，掌握三种方法所适用的测量范围、测量原理、测量步骤。

1)小信号检波电流与电压：平方成正比，2I U U E E I ∝−−→∝−−→∝ max maxmax min minmin()V E I VE I ρ===2)方法：左右移动测量线探针的位置找到maxI 、min I3)实验仪器框图：信号源 隔离器 衰减器 频率计 测量线 负载选频放大器测得数据如下：maxI =296mA 、min I =8mA 所以得到ρ=37 6、测量波导波长g λ（ρλ）1)原理：相邻波节（波腹）之间的距离为2ρλ 2)方法：（等指示法或平均法）3412()()Z Z Z Z ρλ=+-+测得数据如下：1Z =103+30×0.02=103.6 2Z =113+25×0.02=113.53Z =127+11×0.02=127.22 4Z =134+46×0.02=134.92可得ρλ=262.14-217.1=45.047、测f1)原理：当信号源频率与频率计（谐振器）谐振频率相等时，频率计吸收信号最多。

2)方法：所有元件都固定不动，只缓慢旋转频率计的短路活塞，找到选频放大器最小的位置，此时频率计的频率即为信号源输出信号的频率。

信号源的频率为9.78GHz ，当旋转频率计的短路活塞至9.48GHz 时，选频放大器上示数最小，为380mA 。

实验二 微波上下变频器的原理与测量一、实验目的1． 了解微波变频模块的基本工作原理；2． 利用实验模块各指标的实际测量以了解变频器件的特性； 3． 了解变频器件的电路构架；二、实验原理混频器通常被用于将不同频率的信号相乘，以便实现频率的变换。

这样做的原因在于，要在众多密集分布、间隔很近的相邻信道中滤出特定的射频信号需要Q 值极高的滤波器。

然而，如果能在通信系统中将射频信号的载波频率降低，或者说进行下变频，则上述任务就比较容易实现。

图18-1是外差式接收机的电路原理框图，它也许是人们最熟悉的下变频系统。

图中接收到的射频信号经过低噪声前置放大器（LNA ）放大后输入到混频器中，混频器实现输入射频信号fRF 与本地振荡器（LO ）信号fLO 相乘。

混频器的输出信号中含有RF L f f ±的成分，经过低通滤波器可以滤出其中频率较低的所谓中频（IF ）分量RF L f f -然后再进行后续处理。

图18-1 采用混频器的外差式接收机混频器的两个重要组成部分是信号合成单元和信号检测单元。

信号合成可以用90°（或180°）定向耦合器实现。

信号检测单元中的非线性元件通常是采用一个二极管。

以后我们也会看到，双二极管的反平行结构及四个二极管的双平衡结构也很常用。

除了二极管以外，人们已经采用BJT 和MESFET 研制出了可以工作在X 波段的低噪声、高频率混频器。

在详细讨论混频器的电路设计之前，我们先简要说明混频器为何能在输入端口接受两个信号并在输出端口产生多个频率分量。

显然，一个线性的系统是不能实现这个任务的，我们必须采用诸如二极管、FET 或BJT 等非线性器件，它们可以产生丰富的谐波成分。

图18-2是一个基本的系统框图，其中混频器与射频信号VRF （t ）以及本振信号VLO （t ）相连，本振信号也被称为泵浦信号。

图18-2 混频器的基本原理：用两个输入信号频率在系统的输出端口产生新的信号频率由图可见，输入电压信号与本振信号混合后施加在具有非线性传输特性的半导体器件上，该器件可以输出电流驱动负载。

二极管和BJT 都具有指数型传输特性，类似于肖特基二极管方程：/0(1)V VT I I e =- 式（18-1）然而，MESFET 的传输特性可近似为二次曲线：20()(1/)DSS T I V I V V =- 式（18-2）为了简化书写，我们省略了漏极电流和栅极-源极电压的下标。

输入电压由射频信号VRF=VRFcos(ωRFt),本振信号VLO=VLO cos(ωLOt)以及偏置电压VQ 之和表示；即：00cos()cos()Q RF RF L L V V V t V t ωω=++ 式（18-3）此电压作用在非线性器件上所产生的电流响应可根据电压在Q 点附近的泰勒级数展开求得：2222()(/)1/2(/)Q Q VQ VQI V I V dI dV V d I dV I VA V B =+++=+++式（18-4）其中常数A 和B 分别为（dI/dV ）|VQ 和1/2 d2I/dV2）|VQ 。

忽略直流偏置VQ 和IQ ，并将式（18-3）代入式（18-4）可得：{}{}22220000()cos()cos()cos ()cos ()RF RF L L RF RF L L I V A V t V t B V t V t ωωωω=+++002cos()cos()RF L RF L BV V t t ωω++式（18-5）根据三角恒等式cos2(ωt)=（1/2）{1- cos(2ωt)}，上式中包含余玄平方的项可以展开为直流项以及包含2RF tω和02L tω的项。

关键的是式（18-5）式中的最后一项，它变为：[][]{}000()cos ()cos ()RF L RF L RF L I V BV V t t ωωωω=+++- 式（18-6）这个表达式清楚地表明，二极管或晶体管的非线性效应可以产生新的频率分量ωRF ±ωlo ，而且其幅度与VRFVLO 的乘积有关，其中B 是与器件有关的参数。