1、測量線的調整和晶體檢波器的校準一、 目的與要求 1. 學會正確調整和使用測量線；掌握晶體定標和測量駐波比的直接方法。 2. 熟練掌握用交叉讀數法測量波導波長；明確探針調諧的目的和方法。 二、 實驗原理 1. 駐波測量線駐波測量線是微波系統的一種常見測量儀器，它可以探測微波傳輸系統中電磁場分布情況，測量駐波比、阻抗、調匹配等。測量線由開槽波導、不調諧探頭和滑架組成。開槽波導中的場由不調諧探頭取樣，探頭的移動靠滑架上的傳動裝置，探頭的輸出送到顯示裝置，就可以顯示沿波導軸線的電磁場變化信息，測量線外形如圖1圖1: DH364A00型3cm測量線外形測量線波導是一段精密加工的開槽直波導,此槽位于波導寬

2、邊的正中央，平行于波導軸線，不切割高頻電流，因此對波導內的電磁場分布影響很小。此外，槽端還有階梯匹配段，兩端法蘭具有尺寸精確的定位和連接孔，從而保證開槽波導有很低的剩余駐波系數。不調諧探頭由檢波二極管、吸收環、盤形電阻、彈簧、接頭和外殼組成，安放在滑架的探頭插孔中。不調諧探頭的輸出為接頭，檢波二極管是經過加工改造的同軸檢波管，其內導體作為探針伸入到開槽波導中，因此，探針與檢波晶體之間的長度最短，從而可以不經調諧，而達到電抗小、效率高，輸出響應平坦。滑架是用來安裝開槽波導和不調諧探頭的，不調諧探頭放入滑架的探頭插孔中，并由鎖緊螺釘固緊。探針插入波導中的深度為1.5mm，約為波導窄邊尺寸的15。在

3、分析駐波測量線時，為了方便起見通常把探針等效成一導納Yu與傳輸線并聯。如圖2所示，其中Gu為探針等效電導，反映探針吸取功率的大小，Bu為探針等效電納，表示探針在波導中產生反射的影響。當終端接任意阻抗時，由于Gu的分流作用，駐波腹點的電圖2 探針等效電路場強度要比真實值小，而Bu的存在將使駐波腹點和節點的位置發生偏移。當測量線終端短路時，如果探針放在駐波的波節點B上，由于此點處的輸入導納yin故Yu的影響很小，駐波節點的位置不會發生偏移。如果探針放在駐波的波腹點，由于此點上的輸入導納yin0，故Yu對駐波腹點的影響就特別明顯，探針呈容性電納時將使駐波腹點向負載方向偏移，如圖圖3 探針電納對駐波分

4、布圖形的影響2所示。所以探針引入的不均勻性，將導致場的圖形畸變，使測得的駐波波腹值下降而波節點略有增高，造成測量誤差。欲使探針導納影響變小，探針愈淺愈好，但這時在探針上的感應電動勢也變小了。通常我們選用的原則是在指示儀表上有足夠指示下，盡量減小探針深度，一般采用的深度應小于波導高度的1015。2、 波長的測量：測量波長的常見方法有諧振腔法和駐波法。諧振腔法：用諧振式波長計進行測量，諧振式波長計的結構如圖4.圖4 諧振式頻率計結構原理圖 1. 諧振腔腔體 2. 耦合孔 3. 矩形波導 4. 可調短路活塞 5. 計數器 6. 刻度7. 刻度套筒電磁波通過耦合孔從波導進入頻率計的空腔中，當頻率計的腔

5、體失諧時，腔里的電磁場極為微弱，此時，它基本上不影響波導中波的傳輸。當電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時，發生諧振，反映到波導中的阻抗發生劇烈變化，相應地，通過波導中的電磁波信號強度將減弱，輸出幅度將出現明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時的刻度，通過查表可得知輸入微波諧振頻率，從而計算出微波的波長。駐波法：駐波法是用駐波測量線進行測量。當測量線終端短路時，傳輸線上形成純駐波，移動測量線探針，測出兩個相鄰駐波的最小點之間的距離，即可求得波導波長。在傳輸橫電磁波的同軸系統中，按上測出的波導波長就是工作波長；但是在波導系統中，測量線測出的波長是波導波長，它是入射波與反射波迭加而成的合成波，由于

6、波導中的電磁波以光速按“之”字形進行傳播，所以它要大于在自由空間傳播的波長，二者之間的關系是： 1式中的為矩形波導中傳播的色散波的“臨界波長”，只有當自由空間的工作波長小于臨界波長時，電磁波才能在矩形波導中得到傳播。對于波導傳播的TEmn波或TMmn波的臨界波長公式為 2式中的a,b 為波導截面的尺寸。對于實驗中常用的TE10波，g與之間的關系為 3測出波導波長后由上式可計算出工作波長。為了提高測量的精度，通常采用交叉讀數法確定波節點位置，并測出幾個波導波長求其平均值。所謂交叉讀數法，是指在波節點附近兩旁找出指示電表讀數相等的兩個對應位置d11、d12、d21、d22然后分別以其平均值確定波節

7、點的位置，如圖5所示。 則 4圖5 交叉讀數法測量駐波的節點位置3、晶體檢波器的特性測定在微波測量系統中，送至指示器的微波能量通常是經過晶體二極管檢波后的直流或低頻電流，指示電表的讀數是檢波電流的有效值。晶體二極管為非線性元件，其檢波電流與兩端電壓之間的關系為圖6 晶體二極管的檢波特性，式中，n表征晶體管的檢波規律：如n=1，則I與U成正比，稱為線性檢波；當n=2時，I與U2成正比，稱為平方檢波。晶體二極管的檢波特性是隨其端電壓的變化而變化的，當端電壓較小時，呈現平方律；當端電壓較大時，呈現線性規律。如圖6所示，在UU1范圍內，近似為線性；UU2時平方規律；U2U U1而在的范圍內，檢波律n不

8、是常數。因此，加在晶體管兩端的電壓變化幅度較大時，n就是不常數。所以在精密測量中必須對晶體的檢波律進行定標。測量線探針在波導中感應電動勢（即晶體二極管兩端電壓U）與探討針所在處的電場E成正比，所以檢波電流和波導中的電場E同樣滿足關系 5所以要從檢波電流讀數值決定電場強度的相對值，必須確定晶體檢波律n。當n=2時，檢波電流讀數為相對功率指示值。實驗室常用駐波法為晶體定標，具體又分為兩種：(1)測量指示器讀數與相對場強的關系曲線：當測量線終端短路時，沿線各點電場分布為 6即電場的相對強度為 7式是Em為駐波波腹點的電場強度，為波導波長，d為測量線探針與駐波節點的距離, 是探針位置的相對場強。將7式

9、代入到5式得 8I和E隨d的變化曲線如圖7所示 。圖7 I和E隨d的變化規律圖8 晶體檢波特性校準曲線在范圍內，移動探針，使其偏離駐波節點不同位置d，在場強相對值不同時，讀取指示電表讀數U，即能作出UE關系曲線，也就是二極管的定標曲線，如圖8所示。對8式左端用U表示，并取對數，并令常數=1，得到 9即logU與成正比，作出logU曲線，求出斜率n，或用最二乘法求出n即為晶體檢波律。 （2）另一種方法是，測量線終端短路，測出半峰值讀數間的距離W，如9所示，則檢圖9 按半高點間的距離求晶體檢波律波律n可以根據下式計算得到： 10 根據測定的晶體檢波律，即可得到晶體平方律的工作范圍。實驗中大多數微波

10、測試都在小信號工作狀態，因此，晶體檢波律基本為平方律，在非精密測量的條件下，可取n=2。圖10 測試裝置圖實驗儀器1 隔離器：位于磁場中的某些鐵氧體材料對于來自不同方向的電磁波有著不同的吸收，經過適當調節，可使其對微波具有單方向傳播的特性(見圖11)。隔離器常用于振蕩器與負載之間，起隔離和單向傳輸作用。圖 11 隔離器結構示意圖 圖12 衰減其結構示意圖2 衰減器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波導的寬邊，縱向插入波導管即成(見圖12)，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動吸收片可改變衰減量的大小。衰減器起調節系統中微波功率以及去耦合的作用。3 駐波測量線：駐波測量線是測量微波傳輸系統中

11、電場的強弱和分布的精密儀器。在波導的寬邊中央開有一個狹槽，金屬探針經狹槽伸入波導中。由于探針與電場平行，電場的變化在探針上感應出的電動勢經過晶體檢波器變成電流信號輸出。4 晶體檢波器：從波導寬壁中點耦合出兩寬壁間的感應電壓，經微波二極管進行檢波，調節其短路活塞位置，可使檢波管處于微波的波腹點，以獲得最高的檢波效率。5 微波源：提供所需微波信號，頻率范圍在8696GHz內可調，工作方式有等幅、方波、外調制等，實驗時根據需要加以選擇，實驗時選擇方波工作方式。6 選頻放大器：用于測量微弱低頻信號，信號經升壓、放大，選出1kHz附近的信號，7 波導管：本實驗所使用的波導管型號為BJ100，其內腔尺寸為

12、22.86mm，b1016mm。其主模頻率范圍為8201250GHz，截止頻率為6557GHz。實驗操作：1、 參照圖10連接微波元件（實驗前已由實驗室連好）2、 檢查下列連接是否正確：測量線檢波輸出選頻放大輸入；三厘米固態信號源波導同軸轉換；檢波二極管輸出檢波指示器。3、 打開三厘米固態信號源的電源，選取擇信號輸出為“方波”；打開選頻放大器的電源，輸入電壓選“1”檔；頻率選“1K”檔；增益選“1”檔。預熱15分鐘。4、 調節信號源輸出頻為9.370GHz5、 移動測量線探針，使選頻放大器的檢波輸出指示最大；調節衰減器或信號源加到測量線上的微波功率，使選頻放大器的檢波輸出為滿刻度，移動微波測量

13、線，觀察批示器的讀數變化，判斷駐波圖形的對稱性。6、 信號源工作方式選擇“等幅”、“點頻”，用頻率計測量工作頻率，記錄數據f1，然后失諧頻率計。7、 測量線終端接短路板，信號源工作方式選“方波”，移動探針至駐波節點，用交叉讀數法測量相鄰三個波節點的位置，具體方法是找到波節點后，在其兩側找選頻放大器電表讀數相等的點，記下數據，用3式計算波導波長，取平均值即為所測波導波長。8、 從波節到波腹的g/4長度內，確定10個測試點，用百分表找出每個測試點上對應的測量線輸出電壓值U，9、 不改變輸入電壓，移動測量線的探針到駐波的波腹點，再調整微波衰減器使電表讀數達100%，然后移動探針，分別找出波腹點相鄰兩邊指示電表讀數I左,I右為50%時探針的位置刻度d1,d2,記入數據表4，計算晶體的檢波律n。數據處理：1、由f1計算微波的工作波長，2、計算出波導波長，并與測量所得的波導波長進行比較 3、畫出晶體的特性校準曲線U-E；在同一坐標系畫出晶體檢波特性曲線U-d, E-d4、畫出logUlogE曲線，并在曲線上求斜率n，用最小二乘法求n5、用公式10求n,并與前邊所求進行比較 數據記錄：1、信號源輸出頻率f0 = ;頻率計測量頻率f1 = 2、波導波長的測量： 波導波長的計算：gi