1、微波技術實驗指導書內蒙古工業大學信息工程學院電子系2012年8月目錄實驗一、傳輸線調試及參數測試- 2 -實驗二、衰減的測量- 13 -實驗三、阻抗匹配網絡的設計- 17 -實驗要求一、 預習要求：實驗前必須充分預習，完成指定的預習任務。1. 認真閱讀實驗指導書，分析、掌握實驗電路的工作原理，并進行必要的計算。2. 復習實驗中所用各儀器的使用方法及注意事項。3. 熟悉實驗任務，完成各實驗“預習要求”中指定的內容，寫好預習報告。二、 實驗要求：1. 使用儀器前必須了解其性能、操作方法及注意事項，在使用時應嚴格遵守。2. 實驗時應注意觀察，若發現有破壞性異常現象(例如有元件冒煙、發燙或有異味)應立

2、即關斷電源，保持現場，報告指導教師。找出原因、排除故障后，經指導教師同意再繼續實驗。3. 在進行微波測試時，終端盡量不要開口，以防止微波能量泄露。4. 實驗過程中應仔細觀察實驗現象，認真紀錄實驗結果(數據、波形、現象)。所紀錄的實驗結果經指導教師審閱簽字后再拆除實驗線路。5. 實驗結束后，必須關斷電源，并將儀器、設備、工具等按規定整理。6. 實驗后每個同學必須按要求獨立完成實驗報告并按時上交。實驗一、傳輸線調試與參數測試一、 實驗目的1 學會使用基本微波器件。2 了解微波振蕩源的基本工作特性和微波的傳輸特性。3 學習利用吸收式測量頻率和波長的方法；4 掌握用測量線來測量波長和頻率的方法；5 學

3、會測量線的定標；6 掌握常用的大、中、小電壓駐波比的測量方法，以及如何精確測量。二、 實驗原理1 微波的傳輸特性為了避免導線輻射損耗和趨膚效應等的影響，采用標準矩形波導管為微波傳輸線，并用TE10波型。波導管具有三種工作狀態：當終端接“匹配負載”時，反射波不存在，波導中呈行波狀態；當終端接“短路片”、開路或接純電抗性負載時，終端全反射，波導中呈純駐波狀態；一般情況下，終端是部分反射，波導中傳輸的既不是行波，也不是純駐波，而是呈行駐波狀態。2 微波頻率的測量用吸收式頻率計PX16(直讀式)，測量范圍8.2GHZ-12.4GHZ，誤差±0.3%，當傳輸線中相當一部分功率進入頻率計諧振腔內

4、，而另一部分從耦合元件處反射回去。當調節頻率計，使其自身空腔的固有頻率與微波信號頻率相同時產生諧振，用選頻放大器測量，信號源須用內方波，重復頻率為1KHZ左右，諧振時可從選放上觀察到信號幅度明顯減少，以減幅最大位置為判斷頻率測量值的論據。3 微波功率的測量用GX2C小功率計配小功率探頭直接測量連續或脈沖調制的射頻平均功率。GX2C屬于熱電偶型，熱電偶膜片既是傳輸線終端負載電阻，又見電磁場能熱能直流電動勢的轉換器件。4 波導波長g 的測量g在數值上為相鄰兩個駐波極值點（波腹或波節）距離的兩倍，常采用測定駐波極小點的位置來求出g 。（1）用平均值法。找出兩個相鄰最小點的位置 D1和D2，移動探針在

5、駐波最小點D1左右找出兩個具有相同幅度（由選頻放大器讀出）的位置d1和d2，同樣找出D2點左右的 d3和d4，則 D1 、D2的位置在測量線上通過標尺讀出。（2）用可變短路器。首先找出第一點最大點D1時，將選頻放大器增益放大，來回轉動可變短路器，記下最小點時可變短路器上的刻度位置X1，然后改變可變短路器，找出另一個相鄰最小點D2，再記下可變短路器上刻度位置X2，則，通過測出g,可計算出頻率和自由空間波長，有一一對應的關系。5.駐波比的測量駐波比的測量是微波測量中最基本、最重要的內容之一。電壓駐波比（簡稱駐波比）定義是：傳輸線中電場最大值與最小值之比，即： 式中為電場的歸一化值（相對場強）。（1

6、）直接法直接法測量傳輸線駐波的波幅點與波節點場強，由定義求得駐波比的方法稱為直接法。該方法適用于測量中、小駐波比（即S<6）。如果測得駐波波幅點與波節點的指示器讀數分別為與，根據晶體定標曲線可讀得相應的與，則駐波比S為： （1-1）在實驗中所使用的功率電平范圍內，一般可近似地認為是平方律檢波，即： ， 式中C為比例系數，則：，則 （1-2）（2）等指示度法等指示度法是在駐波波節點附近測量數據，再根據駐波分布規律求其駐波比。由長線理論可知，合成波波節點處相對場強可表示為：則 從波節點向兩側移動探針，使指示器讀數均為波節點指示器讀數的K倍，等指示度（KImin）的寬度為W。KImin對應處的

7、相對場強為：由于 則 （1-3）若K=2，且n=2（平方律檢波），則： （1-4）當S>10時， 很小，上式可簡化為： （K=2，n=2）（3）功率衰減法功率衰減法測量駐波比是一種簡便而準確的方法，它的測量精確度主要決定于標準可變衰減器的校準誤差和測量線路的失配誤差，而與晶體檢波律無關，它可測量任意駐波比。功率衰減法是利用標準可變衰減器改變入射波振幅（或功率），使檢波指示不變來測量駐波波幅點與波節點的電平差，由電平值（分貝值）來計算駐波比。設信號源送入可變衰減器的入射波為，通過波為，由被測元件產生的反射波為，第一次在測量線內合成波波節點處有：改變可變衰減器，使指示器得到一個明確而便利的讀

8、數，衰減器的衰減量為Amin，可見：再把探針移到波幅點，同時加大衰減器的衰減量，使該點處的合成波與相等，即，也即保持兩次指示器讀數不變，此時衰減量為Amax，同理：則：因此 （1-5）三、 實驗裝置 YM1123標準信號發生器，GX2B小功率計，YM3892選頻放大器，TC2b波導型測量線，（TS7厘米波導精密衰減器，PX16直讀式頻率計），BD-20A三厘米波導系統，探頭若干。四、 實驗內容與步驟信號源波導/同軸轉換器調配器或用波導隔離器定向耦合器可變衰減器測量線H面彎波導頻率計晶體檢波器選頻放大器匹配負載短路板功率計可變短路器測量面圖1-11 熟悉有關儀器的基本原理和使用方法，連接好儀器。

9、連接線路如圖1-1所示：2 打開標準信號發生器的電源，電流調零，輸出功率調到中檔，輸出頻率調到10GHZ。信號工作方式置于“內方波”，重復頻率用“X10檔”1KHZ左右。3 將選頻放大器衰減檔置于40dB檔位，輸入阻抗置200，通頻帶置于32HZ。4 將選頻放大器接到晶體檢波器輸出端，緩慢旋轉頻率計在10GHZ左右，當輸出幅度降低達到最低的時候，諧振腔（頻率計）處于諧振狀態，此時頻率計的讀數就是信號源的輸出頻率f。5 當頻率計不處于諧振狀態時，將選頻放大器接到TC2b測量線上，測量端口接上可變短路器，緩慢移動測量探針，測出相鄰兩個極值點附近的兩點坐標，測兩組數據；再用平均值方法，計算波導波長，

10、測三組數據。 位置1（mm）位置2（mm）（mm）6 標準信號源仍開機不動。將功率計開機調整，并將校準因子調節好（例信號源為10.0GHZ時，標準因子調95%），再接上探頭。然后把GX2-T3功率探頭與信號源和功率計連接，慢慢增大信號源的輸出功率，當輸出最大時記錄所測功率。測量完畢，一定要先拆下功率探頭，再關功率計和信號源。7 駐波比測量。被測負載為功率計（GX2B小功率計）1) 按圖1-2或圖1-3連接實驗線路，開啟信號源，調整測量線。Ø 直接法、等指示度法信號源隔離器頻率計測量線選頻放大器被測負載短路負載圖 1-2 信號源隔離器頻率計測量線選頻放大器被測負載可變衰減器圖 1-3&

11、#216; 功率衰減法2) 直接法測量駐波比將被測負載接于測量線路終端，移動探針，測Imax和Imin。3) 等指示度法測駐波比Ø 將被測負載接于測量線終端，移動探針至波節點處，測得Imin。Ø 在波節點兩側I=2Imin處測得標尺刻度d1和d2，重復三次。4) 功率衰減法測駐波比Ø 將被測負載接于測量線終端。Ø 將探針移至波節點，同時改變衰減器，使指示器得到一個明確而便利的讀數I1（應該大于1/2滿刻度），并讀得衰減器刻度A1。Ø 將探針移到波幅點，改變可變衰減器，使指示器讀數仍保持為I1，并讀得衰減器的讀數A2。8 數據處理與表格1) 根據

12、Imax和Imin，由晶體定標曲線查得相應的與，由計算S，并與由 計算得到的S進行比較。2) 由三次測得的d1、d2，計算W的平均值，并將W的平均值與代入（1-4）式計算S。 3) 根據測得的A2與A1，由衰減量Amax(dB)與Amin(dB)，并代入（1-5）式計算S。五、 微波實驗注意事項：1 旋動頻率計要緩慢，否則塑料紅指針易卡斷。在起始端和終了端要切忌不能使勁轉動。2 移動測量線探針的同時，要適當調整選頻放大器的放大倍數，避免在輸出最大位置時選放指針打表。3 合適調節信號源的輸出功率。（衰減約37dB）。4 每次改變信號源頻率時，都須重新調整EH面阻抗調配器、晶體檢波器、測量線，使之

13、處于諧振輸出最大狀態。5 測量功率時須保證被測系統中各連接頭接觸可靠，并保證信號源和功率計外殼等電位。測試過程中切不可大范圍調節被測功率源的頻率。每次換檔時，要重新調零（功率計）。在裝拆連接同軸探頭時一定要小心，要先將信號源和功率計開機并調試好，再接上功率探頭；測好后先功率探頭拆下再關機。切不可在接上功率探頭的情況下，開、關被測功率源的開關（易燒毀膜片）。6 等指示度法中測W最好用指針式測微計，但作為學習測量原理與方法，也可以直接用測量線上的標尺。7 功率測量法必須用已校準的精密衰減器測量，用一般可變衰減器測量不能保證精度，但可作為學習測量原理與方法使用。六、 思考與討論1 連接微波測試系統時

14、，應注意哪些問題？2 駐波測量線測定波導波長的方法。波導波長與自由空間波長的大小關系如何？3 為什么有時晶體檢波器在調速管和檢波二極管都完好的情況下，會出現輸出信號很小的現象，如何調節？4 用直讀式頻率計測量頻率后為什么要失諧？5 平均值讀數法測量波導波長時，等指示值的大小選擇對測量結果有什么影響嗎？6 平均值讀數法能減小哪些原因帶來的誤差？7 分析測量駐波比實驗中用三種方法測量所得結果，你認為引起誤差的原因是什么？應如何減小測量誤差？可能的話，在實驗中試一下。附駐波比測量參考數據表格1. 直接法數據波幅點（mA）波節點（mA）駐波比S2. 等指示度法數據次數2對應的探針位置（mm）W平均（m

15、m）平均（mm）S（mm）（mm）1233. 功率衰減法數據A1Amin(dB)A2Amax(dB)Amax -Amin(dB)S實驗二、衰減的測量1. 用功率比測量衰減；一、 用替代法測量衰減。實驗目的1. 熟練掌握用平方律檢波法與高頻替代法測量衰減量的技術；2. 了解定向耦合器的參數及其衰減的測量方法。二、 實驗原理1. 參考前述章節中電源方向駐波系數測量及衰減測量的有關部分。2. 定向耦合器是一種很有用的微波元件，它具有在一定方向上耦合電磁能量的特性，因而可用作精密分功率器，微波反射計等，在功率監視系統、大功率設備中更是不可缺少的器件。P0PBPaPi主波導輔波導定向耦合器的種類很多，其

16、結構示意圖如下：能量從主波導輸入端輸入，其中一部分通過主波導到主波導輸出端，另一部分通過耦合結構到輔波導。輔波導中向左傳輸的能量由于它的定向性而相互抵消，剩余部分為終端負載所吸收；向右部分通向輔波導輸出端。定向耦合器主要參量有：1) 耦合系數也稱過渡衰減，表示能量從主波導耦合到輔波導的大小，如圖所示。Pi表示主波導輸入能量；Pa為耦合到輔波導輸出端能量，則用分貝表示的耦合系數C定義為： 2) 方向系數亦稱方向性，表示定向性能的好壞，如圖中到達輔波導反向端的能量PB越小，定向性越好。用分貝表示的方向系數D定義為：3) 輸入駐波系數，為主、輔波導輸出端均外接匹配負載時，輸入端的駐波系數；4) 頻帶

17、寬度，為耦合度、方向性及輸入駐波系數都滿足技術指標要求時的工作頻帶寬度。三、 實驗裝置YM1123標準信號發生器，GX2B小功率計，YM3892選頻放大器，TC2b波導型測量線，（TS7厘米波導精密衰減器，PX16直讀式頻率計），BD20-A三厘米波導系統，BD20-A定向耦合器，探頭若干。四、 實驗內容與步驟以定向耦合器為被測器件，用兩種方法測量衰減1. 用功率比法測量衰減1) 按圖3-1接好測量系統BYM1123信號源隔離器同軸/波導轉換器PX16頻率計TS7或可變衰減器被測件GX2B功率計AP1P2圖2-12) 先不接被測件，用小功率計測出A點也即被測件的輸入功率P1。3) 接入被測件，

18、測出被測件的輸出功率B點的功率P2。4) 被測件的衰減量為2. 用替代法測量衰減1) 測量所用的信號源輸出頻率不變，功率輸出幅度不變，按圖2-2接好測量系統。圖2-2BAYM1123信號源隔離器同軸/波導轉換器PX16頻率計TS7或可變衰減器被測件TC2b波導型測量線YM3892選頻放大器匹配負載2) 先不接被測器件，將TS7精密衰減調到衰減較大的位置AdB，改變YM3892選頻放大器增益使之較大的顯示，并確定一指示值記下TS7精密衰減器的讀數度數，并查表得到A的dB數。3) 接上被測件，將TS7精密衰減器的衰減調小，調到原定的YM3892選頻放大器的指示值，要注意的是，二次轉動TS7的衰減旋

19、鈕方向要一致，要消除回差引起的誤差，再一次記下TS7精密衰減器的讀數，查表得到B的dB數。于是就求得衰減量。五、 思考與討論1. 測量輔波導輸出功率時，為什么主波導后面一定要接上匹配負載？若負載端失配，對方向性測量會產生極大影響，分析一下為什么？2. 分析實驗中用兩種方法測量所得結果，你認為引起誤差的原因是什么？應如何減小測量誤差？可能的話，在實驗中試一下。實驗三、阻抗匹配網絡的設計一、 實驗目的1. 理解阻抗匹配原理，重點掌握單支節阻抗匹配器的應用；2. 熟悉阻抗圓圖在阻抗測量中的應用；3. 學會用阻抗匹配器對失配元件進行調配。二、 設計要求1. 在給定負載情況下，利用單支節匹配器法設計阻抗

20、匹配網絡，實現無反射匹配；2. 結合阻抗圓圖，驗證設計結果，并得出結論。三、 實驗原理1. 阻抗測量 在微波測量技術中，阻抗測量占有很重要的地位。微波元件的阻抗是微波系統匹配設計的依據, 也是研究復雜微波結構的微波網絡中確定等效電路參數的依據。阻抗測量不僅應用于微波器件特性阻抗的研究及微波系統的阻抗匹配，同時也是一些復雜測量（如微波網路參量的測量）的基礎。因而微波阻抗測量是一項非常重要的測量。 由波導理論可知波導中的電磁場不是均勻分布的，因而不可能象雙線傳輸線那樣用行波電壓（或電場強度）對行波電流（或磁場強度）之比，來規定出一個只決定于傳輸線本身尺寸的特性阻抗。波導的等效阻抗值因定義方法不同而

21、不同，因而一般并不進行阻抗絕對值的測量。經常遇到的實際問題是電磁波在負載與傳輸線不匹配的傳輸系統上傳播而產生的問題，在這一類問題中僅需知道被測元件的歸一化阻抗。阻抗測量的方法很多，但應用較為廣泛的方法是測量線法。 根據傳輸線理論，傳輸線上任一點的歸一化阻抗為：在電壓最小點，即L=Lmin時，有，代入上式可解得歸一化負載阻抗為：即阻抗測量就歸結為對上述三個參量的測量。2. 確定駐波最小點位置Lmin的測量原理由于測量線標尺的兩端點不是延伸到線體的兩端口，直接測量輸入端口到第一個電壓最小點的距離L min 是不可能的，但根據阻抗分布的重復性原理，在傳輸線上每隔 處的阻抗相等，所以只要找到與待測阻抗

22、相等的面作為等效參考面即可，這就是在測量中常采用的方法“等效截面法”。實際測量過程如圖3-1所示。首先將待測元件接在測量線的輸出端，其駐波分布圖形如圖 3-1（a）中所示，元件的輸入參考面（如圖中TE截面）與第一個駐波最小點 D1 的距離為Dmin，用測量線測出其輸入駐波系數，記錄波節點在測量線上的位置D min(D min= +Lmin) ，然后取下待測元件，將測量線短接，這時在測量線中測得與Dmin 相鄰的駐波節位置DT，如圖3-1(b) 所示。從圖中可以看出，因為 DT 是測量線終端短路時的駐波波節位置，所以它離終端的距離必為，根據 阻抗變換原理。DT 點的輸入阻抗應等于終端所接的待測器

23、件的阻抗。DT 參考面則被稱為測量線終端的“等效參考面”。這樣在測量線上的Dmin 和DT 之間的距離即為所要求的輸入參考面到第一最小點的距離Lmin。如圖（C）所示，（圖中實線表示終端接被測元件時的駐波圖形，虛線表示終端短路時的駐波圖形）。 圖3-1 等效面法測量Lmin的原理圖負截阻擾可由Smith 圓圖進行求解。在查Smith 圓圖時必須注意，如果DT在Dmin 的右邊，查圖時要按逆時針方向轉（即轉向負載），反之如DT 在Dmin 的左邊，則按順時針方向轉（即向信號源）。利用圓圖求輸入阻抗的具體過程如圖（3-2）所示。我們知道無耗傳輸線接任意負載時，沿線輸入阻抗的變化軌跡是一個圓，稱為等

24、圓。而波節點的輸入阻抗是一個純電阻，其軌跡為圖中“0-1軸線”。因此，等線圓與“0-1”軸線交點 A 即為駐波節點阻抗值，所以，當駐波節點與等效參考面DT 的距離Lmin 已知時，就可以按已知輸入阻抗求負載阻抗的方法，求出被測器件的阻抗。這時只需從A 點出發，沿著等圓逆時針方向（即朝負載方向）轉過 Lmin/ g的距離到達B 點，則 B 點所代表的阻抗就是被測器件的歸一化阻抗 。 圖3-2 用阻抗圓圖計算負載阻抗3. 匹配負載法測定膜片的電納圖3-3 膜片在波導中放置如圖3-3 所示的開有窗口的全金屬片稱為膜片，當膜片的厚度滿足< < t <<g 時（為膜片的趨膚深度，

25、g 為波導波長），其等效電路為一并聯電納 ，通常膜片的損耗很小，電導G 分量可以忽略，因此有。膜片電納可用駐波法測出。但將膜片接在測量線輸出端，膜片窗口將向外輻射能量，必須接一個匹配負載這時從膜片左端向終端看上去的歸一化輸入導納即為：，從而得到膜片的歸一化電納值，其精度取決于匹配負載的匹配性能。4. 阻抗匹配阻抗匹配技術不僅廣泛地應用在微波傳輸系統中，用以獲得良好的工作性能及傳輸效率，如傳輸效率高，系統能傳輸的功率容量最大，微波源工作也較穩定等，而且對于微波測量，也是十分重要的，它直接關系到測量數據的準確度，在精密測量中，往往對阻抗匹配提出很高的要求，電壓反射系數由公式：可知，當ZL Zc 時

26、，即阻抗不匹配，就會產生反射，所以掌握匹配的原理和技巧，對分析和解決微波技術中的實際問題具有十分重要的意義。 圖3-4 調配原理圖解在小功率時構成微波匹配源的最簡單的辦法是在信號源的輸出端口接一個衰減器或一個隔離器，使負載反射的波通過衰減進入信號源后的二次反射已微不足道，可以忽略。匹配的基本原理是利用一個調配器，使它產生的附加反射波，其幅度和失配元件產生的反射波幅度相等，而相位相反，從而抵消失配元件在系統中引起的反射從而達到匹配。阻抗匹配的裝置與方法很多，可以根據不同的場合要求靈活選用。對于固定的負載，通常可以在系統中接入隔離器（主要用于源端匹配）、膜片、銷釘、諧振窗等以達到匹配目的；而在負載

27、變動的情況下，可接入單螺釘調配器，EH阻抗調配器，短截線等類型的調配器，這里僅介紹實驗室常用的單螺釘調配器法。 在單螺釘調配器中，一段開槽波導段寬邊中心裝置一個位置可移動的螺釘，而螺釘伸入波導里的深度可調，就構成可移動的單螺釘調配器，它是利用螺釘產生適當的電納達到匹配目的，其調配原理由圖3-4 說明。設系統終端的歸一化導納為,在圓圖上處于位置A 點，移動單螺釘，現在要找到這樣一個位置，在這個位置參考面上，向負載端看入的輸入導納為在圓圖上相當于從A 點沿等圓移動距離d 到等圓與 1 = G 圓的交點 B（圖上 B點導納值為 1 ± ），在這個位置上改變螺釘深度，在螺釘插入深度 t < g / 4時，其作用相當于在傳輸線上并聯了一個正的電納（為容性的）。再改變螺釘的深度，即能改變容性電納值 ，這相當于在輸入端并聯一個電納值，使之與原來的電納值相加抵消。此參考面上總的導納為 1，實現匹配。在圓圖上相當于從 B點沿 的等圓移動到原點，即匹配點，從而使系統達到匹配。如果滑動單螺釘調配器的長度可以半波長范圍內變化，同時調節螺釘深度提供的并聯電納可以0之間任意調節，則該調配器能對任何有耗負載調配，故理想情況下沒有禁區。四、 實驗裝置YM1123標準信號發生器，GX2B小功率計，YM3892選頻放大器，TC2b波導型測量線，（TS7厘米波導精密衰減器，PX16直讀式頻率計），