1、實 驗 報 告實驗課程： 微波技術與天線 學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 2011年 6月3日目 錄實驗一 微波測量系統(tǒng)的認識及功率測量實驗二 微波波導波長、頻率的測量、分析和計算實驗三 微波駐波比、反射系數及阻抗特性測量、分析和計算實驗四 微波網絡參數的測量、分析和計算實驗一 微波測量系統(tǒng)的認識及功率測量一、實驗目的 ：（1） 熟悉基本微波測量儀器； （2） 了解各種常用微波元器件； （3） 學會功率的測量。 二、實驗內容： 1、基本微波測量儀器 微波測量技術是通信系統(tǒng)測試的重要分支，也是射頻工程中必備的測試技術。它主要包括微波信號特性測量和微波網絡參數測量。 微波信號特性參量主要包括：微

2、波信號的頻率與波長、電平與功率、波形與頻譜等。微波網絡參數包括反射參量（如反射系數、駐波比）和傳輸參量（如S參數）。 測量的方法有：點頻測量、掃頻測量和時域測量三大類。所謂點頻測量是信號只能工作在單一頻點逐一進行測量；掃頻測量是在較寬的頻帶內測得被測量的頻響特性，如加上自動網絡分析儀，則可實現(xiàn)微波參數的自動測量與分析；時域測量是利用超高速脈沖發(fā)生器、采樣示波器、時域自動網絡分析儀等在時域進行測量，從而得到瞬態(tài)電磁特性。 圖 1-1 是典型的微波測量系統(tǒng)。它由微波信號源、調配器/ 衰減器/隔離器、波長/頻率計、測量線、終端負載、選頻放大器及小功率計等組成。 圖 1-1 微波測量系統(tǒng) 2、常用微波

3、元器件簡介 微波元器件的種類很多，下面主要介紹實驗室里常見的幾種元器件： （1）檢波器 （2）E-T 接頭 （3）H-T 接頭 （4）雙T 接頭 （5）波導彎曲 （6）波導開關 （7）可變短路器 （8）匹配負載 （9）吸收式衰減器 （10）定向耦合器 （11）隔離器 3、功率測量 按圖 1-1 所示連接微波測量系統(tǒng)，在終端處接上微波小功率計探頭，接通電源開關，調整衰減器，觀察微波功率計指示并作相應記錄。三、實驗數據及處理1、實驗數據如下表：衰減器位置(mm)01.002.003.004.005.006.007.008.009.00功率計讀數(w)11.511.310.89.47.56.04.1

4、2.61.81.02、衰減器指示與功率指示的關系曲線四、思考題簡述微波小功率計探頭的工作原理。微波小功率計功率探頭的主體是一個鉍、銻熱電堆，這是將金屬鉍和銻用 真空噴鍍法鍍在介質片上（介質基片可用云母、滌綸、聚烯亞胺等材料）形成熱 電堆后， 放在波導或同軸電場最強處， 它即是終端吸收負載， 又是熱電轉換元件。 所以作為終端負載，它的阻值必須與傳輸線的等效阻抗相匹配。當微波功率輸出 時，熱電耦吸收微波功率使熱電堆的熱節(jié)點溫度升高，這就與冷節(jié)點產生溫差而 形成溫差電動勢，它產生的直流電動勢與輸入微波功率是成正比的。熱電堆輸出 的直流訊號是很薄弱的，指示器經直流放大后再作功率指示。實驗二 微波波導波

5、長、頻率的測量、分析和計算一、實驗目的 （1） 學會微波測量線的使用； （2） 學會測量微波波導波長和信號源頻率； （3） 分析和計算波導波長及微波頻率。二、實驗原理 進行微波測量，首先必須正確連接與調整微波測量系統(tǒng)。圖1-1 示出了實驗室常用的微波測試系統(tǒng)。系統(tǒng)調整主要指信號源和測量線的調整，以及晶體檢波器的校準。信號源的調整包括振蕩頻率、功率電平及調制方式等。本實驗主要討論微波測量線的調整和晶體檢波器的校準。1 測量線的調整 測量線是微波系統(tǒng)的一種常用測量儀器，它在微波測量中用途很廣，可測駐波、阻抗、相位、波長等。測量線通常由一段開槽傳輸線、探頭（耦合探針、探針的調諧腔體和輸出指示）、傳動

6、裝置三部分組成。由于耦合探針伸入傳輸線而引入不均勻性，其作用相當于在線上并聯(lián)一個導納，從而影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。為了減少其影響，測試前必須仔細調整測量線。實驗中測量線的調整一般包括的探針深度調整和耦合輸出匹配（即調諧探頭）。2 晶體檢波器的工作原理 在微波測量系統(tǒng)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，指示器的讀數是檢波電流的有效值。在測量線中，晶體檢波電流與高頻電壓之間關系是非線性的，因此要準確測出駐波（行波）系數必須知道晶體檢波器的檢波特性曲線。晶體二極管的電流I 與檢波電壓U 的一般關系為 I=CU n式中，C 為常數，n 為檢波律，U為檢波電壓。檢波電壓U 與

7、探針的耦合電場成正比。晶體管的檢波律n 隨檢波電壓U 改變。在弱信號工作（檢波電流不大于10 A）情況下，近似為平方律檢波，即n=2；在大信號范圍，n 近似等于1，即直線律。測量晶體檢波器校準曲線最簡便的方法是將測量線輸出端短路，此時測量線上載純駐波，其相對電壓按正弦律分布，即：式中 ，d 為離波節(jié)點的距離，Umax為波腹點電壓，g 為傳輸線上波長。因此，傳輸線上晶體檢波電流的表達式為根據上式就可以用實驗的方法得到圖所示的晶體檢波器的校準曲線。3 波導波長的測量原理 測量線的基本測量原理是基于無耗均勻傳輸線理論，當負載與測量線匹配時測量線內是 行波；當負載為短路或開路時，傳輸線上為純駐波，能量

8、全部反射。因此通過測量線上的駐波比，然后換算出反射系數模值，再利用駐波最小點位置zmin 便可得到反射系數的幅角以及微波信號特性、網絡特性等。根據這一原理，在測得一組駐波最小點位置z1，z2，z3，z4 后，由于相鄰波節(jié)點的距離是波導波長的1/2，這樣便可通過下式算出波導波長。由教材內容（見習題2-5） ，工作波長與波導波長有如下關系：式中，c 為截止波長。一般波導工作在主模狀態(tài)，其c =2a 。本實驗中波導型號為BJ-100，其寬邊為a =22.86 mm ，代入上式計算出工作波長。于是信號源工作頻率由下式求得：另外，信號源工作頻率亦可用吸收式頻率計測量。三、實驗步驟1 開通測試系統(tǒng) 按圖1

9、-1所示連接微波測量系統(tǒng)，終端接上短路負載。 打開信號源、選頻放大器的電源，將信號源設置在內調制（方波）狀態(tài)，將衰減器調整到合適位置。 在開槽測量線終端接短路負載后，調節(jié)整個探頭（旋動測量線上的大旋鈕）使內部探針耦合匹配，直到選頻放大器輸出指示最大。 反復調整輸出衰減器、探頭活塞位置等，通過選頻放大器指示，確定測量線工作在比較靈敏的最佳狀態(tài)。 2 波導波長測量 從負載端開始旋轉測量線上整個探頭位置（內含探針），使選頻放大器指示最小，此時即為測量線等效短路面，記錄此時的探針初始位置，記作zmin0 ，并記錄數據; 繼續(xù)旋轉探頭（由負載向信號源方向）位置，可得到一組指示最小點位置z1，z2，z3，

10、z4 ，反復測3次，記入表1； 將數據代入式（2-4），計算出波導波長，并換算成頻率。 用頻率計測量信號源工作頻率：吸收式頻率計連在信號源與檢波器之間。當吸收式頻率計失諧時，微波能量幾乎全部通過頻率計，此時選頻放大器指示最大。慢慢調節(jié)吸收式頻率計，當調至頻率計諧振狀態(tài)時，一部分能量被頻率計吸收，使選頻放大器指示出現(xiàn)明顯減小并達最小處，此時讀得吸收式頻率計上指示的頻率（頻率計上兩紅線之間的刻度讀數）即為信號源工作頻率，反復測3次，記入表2 。可將測量結果（取其平均值）與用波導波長換算的結果進行比較。四、數據記錄及分析探針初始位置 zmin0 =89.82mm位置讀數測量次數Z1(mm)Z2(mm

11、)Z3(mm)1111.28135.50158.002112.30135.06158.183112.52135.46156.98= 112.03mm =135.34mm =157.95mm根據式 算出波導波長=45.33mm再由式(=2a=45.72mm)和算出工作波長=33.1474mm工作頻率Hz=9.3725GHz吸收式頻率計上指示的頻率見下表：測量頻率(GHz)9.4579.3689.349=9.378GHz由此可見吸收式頻率計上指示的頻率與計算出的工作頻率近似相等。五、思考題測量線為什么在波導中心線開槽？微波測量線是測量波導中微波電場分布的精密儀器。它的結構是一段在寬邊中心線上開槽的

12、波導管和可沿槽線滑動的探針。它在微波測量中用途很廣，可測駐波、阻抗、相位、波長等。測量線通常由一段開槽傳輸線、探頭、傳動裝置三部分組成。由于耦合探針伸入傳輸線而引入不均勻性，其作用相當于在線上并聯(lián)一個導納，從而影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。為了減少其影響，測試前必須仔細調整測量線。所以只有在波導中心線開槽，才能保證駐波、阻抗、相位、波長等參數的測量準確性，否則會引起誤差。實驗三 微波駐波比、反射系數及阻抗特性測量、分析和計算一、實驗目的 （1） 學會駐波比的測量、分析和計算； （2） 學會反射系數的測量、分析和計算； （3） 學會輸入阻抗的測量、分析和計算。二、實驗原理 在任何的微波傳輸系統(tǒng)中，為了保證

13、傳輸效率，減少傳輸損耗和避免大功率擊穿，必須實現(xiàn)阻抗的匹配。描述系統(tǒng)匹配程度的參數有電壓駐波比和復反射系數。1、駐波比及反射系數的測量 由教材第一章微波傳輸線理論，傳輸線上的駐波比與波節(jié)點、波腹點的關系為一般實際測量為多個數據，則 在平方律檢波，即n = 2時 在n2時而終端復反射系數的模值|l| 與駐波比有如下關系：終端反射系數的相位l與節(jié)點位置zminn 有以下關系：根據波導主模特性阻抗ZTE10 及測得的駐波比和第一波節(jié)點位置zmin1 可得終端負載阻抗為（參見教材中習題1.3）其中， 根據以上公式就可以利用測量線測得駐波比、復反射系數，進而算出輸入阻抗和負載阻抗。三、實驗步驟 1 等效

14、參考面的選取與波導波長的測量 （1）同實驗二 ，將測量線調至最佳工作狀態(tài)； （2）同實驗二 ，終端接短路片，從負載開始，旋轉測量線上的探針位置，使選頻放大器指示最小，此時即為測量線等效短路面，記錄此時的探針初始位置，記作 zmin0 ，并記錄數據 ； （3）同實驗二的方法測出波導波長。相應測量數據記入表1 。 2 駐波比測量 終端接上待測負載，探針從zmin0 開始向信號源方向旋轉，依次得到指示最大值和最小值三次，記錄相應的讀數，即得相應的Umin (或Imin) 和Umax(或Imax) ，數據記入表2 （若指示表的刻度是電流，則可通過檢波器的校準曲線查得電壓值）。 3 反射系數的測量 終端

15、接上待測負載，探針從zmin0 開始向信號源方向旋轉，記錄波節(jié)點的位置zminn ，數據記入表3 。四、實驗數據及分析探針初始位置 zmin0 =89.82mm位置讀數測量次數Z1(mm)Z2(mm)Z3(mm)1112.10134.80157.202112.08134.76157.183112.12134.86157.28同實驗二算出波導波長=44.83mm表讀數測量次數Imin(mA)Imax(mA)180565282567385570=82.33mA =567.33mA駐波比=2.6251 位置讀數測量次數Zmin1(mm)Zmin2(mm)Zmin3(mm)195.00117.6214

16、0.10295.06117.68140.18=95.03mm =117.65mm =140.14mm終端復反射系數的模值=0.4483 由式得 =527.98 =0.14終端負載阻抗：=334.91-j374.99五、思考題實驗步驟1對后續(xù)測量有何意義？ 實驗步驟1是對等效參考面的選取及波導波長的測量，用實驗2的方法測出波導波長，這樣就等于是驗證了波導波長，用測量出的參數與實驗2比較，以防相差太大，造成誤差。保證實驗的準確性。 實驗四 微波網絡參數的測量、分析和計算一、實驗目的 （1） 理解可變短路器實現(xiàn)開路的原理； （2） 學會不同負載下的反射系數的測量、分析和計算； （3） 學會利用三點法

17、測量、分析和計算微波網絡的S參數。二、實驗原理 S 參數是微波網絡中重要的物理量，其中S參數的三點測量法是基本測量方法，其測量原理如下：對于互易雙口網絡有S12=S21 ，故只要測量求得S11 、S12及S21 三個量就可以了 。被測網絡連接如圖所示。設終端接負載阻抗Zl ，令終端反射系數為l ， 則有: a2 = lb2, 代入S參數定義式得： 于是輸入端（參考面T1）處的反射系數為令終端短路、開路和接匹配負載時，測得的輸入端反射系數分別為s、o和m ，代入式（4-1）并解出： 由此得到S參數，這就是三點測量法原理。在實際測量中，由于波導開口并不是真正的開路，故一般用精密可移動短路器實現(xiàn)終端

18、等效開路（或用波導開口近視等效為開路），如圖所示。三、實驗步驟1. 用波導開口近視等效為開路負載測量S參數（1）先連接待測負載（可用單螺釘調配器）； （2）在待測負載的終端再接上匹配負載，按照實驗三的方法測得此時的反射系數m ； （3）在待測負載的終端換接短路負載，測得此時的反射系數s ； （4）使待測負載的終端開路，測得此時的反射系數o ； （5）再根據式（4-3）計算得到S參數。2. 用可變短路測量S參數（1） 將匹配負載接在測量線終端，并將測量線調整到最佳工作狀態(tài)； （2） 將短路片接在測量線終端，從測量線終端向信源方向旋轉探針位置，使選頻放大器指示為零，此時的位置即為等效短路面，記作zmin0 ； （3） 接上可變短路器，在探針位置zmin0處，調節(jié)可變短路器使選頻放大器指示為零，記下可變短路器的位置l1 ； （4） 繼續(xù)調節(jié)可變短路器，使選頻放大器指示再變?yōu)榱悖儆浵驴勺兌搪菲鞯奈恢胠2 ； （5） 接上待測網絡，終端再接上匹配負載，按照實驗三的方法測得此時的反射系數m ； （6） 終端換上可變短路器，并將其調到位置l1 ，測得此時的反