微波系統中電壓駐波比的測量近代物理實驗報告

指導教師： 得分：實驗時間：2009年10月26日，第九周，周一，第5-8節實驗者：班級材料0705學號200767025姓名童凌煒同組者：班級材料0705學號2007670姓名車宏龍實驗地點：綜合樓406實驗條件：室內溫度℃，相對濕度%，室內氣壓實驗題目： 微波系統中電壓駐波比的測量 實驗儀器：（注明規格和型號）導波管（BJ-100）、隔離器、衰減器、諧振式頻率計、晶體檢波器、駐波測量線（DH364A00）、匹配負載實驗目的：了解駐波導測量系統，熟悉基本微波原件的作用；掌握駐波測量線的正確使用方法；掌握大、中、小電壓駐波系數的測量原理和方法。實驗原理簡述：微波的基本知識電磁波的基本關系（3-1-1），，（3-1-2）如上所示，方程組（3-1-1）為Maxwell方程組，方程組（3-1-2）描述了介質的性質對場的影響。矩形波導中波的傳播在微波波段，隨著工作頻率的升高，導線的趨膚效應和輻射效應增大，使得普通的雙導線不能完全傳輸微波能量，而必須改用微波傳輸線。本實驗中使用的是矩形波導管，同時對應使用的是在矩形波導中常用的微波TE10

1.2.1TE10型波。

一個均勻、無限長和無耗的矩形波導。（圖3-1-3）經過計算可以得到波導波長

特點：

1，存在一個臨界波長=2a，只有波長的電磁波才能在波導管中傳播2，導波波長>自由空間波長3，電場只存在橫向分量，電力線從一個導體壁出發，終止在另一個導體壁上，并且始終平行于導波的窄邊4，磁場既有橫向分量，也有縱向分量，磁力線環繞電力線5，電磁場的波導的縱方向（z）上形成行波下圖所示，為TE10型波的電磁場結構1.2.2導波的工作狀態

如果導波終端負載是匹配的，傳播到終端的電磁波的所有能量被吸收，這時波導中呈現的是行波。當導波終端不匹配時，就是一部分波被反射，波導中的任何不均勻性也會產生反射，形成所謂混合波。為了描述電磁波，引入反射系數與駐波比的概念，反射系數定義為

駐波比定義為（3-1-6），其中式中，和分別為波腹和波節點電場的大小

不難看出：對于行波，；對于駐波，；而當，是混合波（如上圖所示）電壓駐波比的測量

駐波測量是微波測量中最基本和最重要的內容之一。在測量時，通常測量電壓駐波系數，即波導中電場最大與最小之比

2.1直接法

直接法是測量沿線駐波的最大與最小場強，然后根據駐波比定義式（見上頁）直接求出電壓駐波比。這種方法適用于測量中、小電壓駐波比

當駐波比較少時，晶體二極管為平方檢波，如果駐波腹點和節點處指示電表讀數分別為和，則式（3-1-6）可寫成

當駐波比分別在，以及時，駐波圖像分別如下所示

2.2等指示度法

等指示度法適用于測量大、中電壓駐波比（）。此時，波腹振幅與波節振幅的區別很大，此時在測量最大點和最小點電平時，晶體工作在不同的檢波律，如仍按直接法測量，則產生較大誤差，所以采用等指示度法，也就是通過測量駐波波節附近場的分布規律的間接方法。大駐波比的示意圖如右所示。經過計算可以得到當駐波比很大（）時，E很小，有（這里λg是波導波長）

2.3功率衰減法

功率衰減法適用于任意駐波比值的測量

功率衰減法是用精密可衰減器測量駐波腹點和節點兩個位置上的電平差，因而與晶體的檢波律無關，主要取決于衰減器的精密度和系統的匹配情況駐波比可用下式計算

其中Amax和Amin分別為探針在波腹點和波節點處，指示電表讀數相同時，所對應的精密可變衰減器的讀數。

實驗步驟簡述：

實驗裝置示意圖如下：開啟微波信號源，選擇頻率約為9.37GHz，預熱15min。將測量線探針插入適當深度，選用頻率放大器，測量微波的大小，選擇較小的微波輸出功率并進行微波測量線的協調。信號源的工作方式選擇“等幅”、“點頻”，用直讀頻率計測量波頻率，并計算微波波導波長。微波源工作方式選擇“方波”。測量線終端接短路板，用交叉讀數法讀出兩個相鄰波節點的位置，計算導波波長并與計算值比較。關閉微波電源，取小短路器，接上單螺旋調配器和匹配負載。調節單螺釘穿伸度為3mm，移動測量線探針，觀察駐波的波節點及波腹點的電壓值，判斷是駐波狀態，分析此時的駐波比的大小。移動探針至駐波腹點，調節指示器靈敏度，是電壓讀數達滿偏。將探針移至測量線的最右端，向左依次測量駐波腹點和節點的幅值，Imax、Imin，記錄數據。反向移動測量線探針，重復測量。調節螺釘穿伸度為5mm，移動測量線的探針，觀察駐波的波節點及波腹點的電壓值，判斷是駐波狀態，分析此時的駐波比的大小。選擇駐波的一個波腹點及其相鄰的波節點，測量其電壓值，記錄數據，重復5次。調節螺釘穿伸度為7mm移動測量線的探針，觀察駐波的波節點及波腹點的電壓值，判斷駐波狀態，分析此時的駐波比的大小。等指示度法測量電壓駐波比，具體方法：測量線探針移至駐波節點。調整微波可變衰減器、指示器的靈敏度，使指示器電表指針為滿度的一般，讀取駐波節點幅度值Imin。緩慢移動探針，在駐波點兩旁找到電表指示讀數為2Imin的兩個指示度點，應用測量線標尺或百分表讀取兩個等指示點對應的探針位置的讀數值d1、d2，重復5次。記錄數據，并計算駐波比。

原始數據、數據處理及誤差計算：微波波長的精確測定L1=4.315mm跌落點L2=4.320mmLi=4.318mm→精確的波導波長是f=9.389GHzL3=4.321mm波導波長的測量。次數均值1107.00116.89111.95130.00138.70134.3544.8144.762107.53116.44111.99130.66138.35134.5145.043107.87116.21112.04130.73137.98134.3644.634108.23115.82112.03131.08137.64134.3644.675108.75115.34112.05131.44137.30134.3744.65小電壓駐波比:（已計入比率=0.1）次數正向(μV)反向(μV)110.08.5510.08.71=1.07237529.917.9010.08.90310.08.9010.08.80410.08.8010.08.81510.08.7010.08.70中電壓駐波比：（已計入比率=0.1）次數平均值173.020.51.8870551.832206273.021.01.864454373.021.51.842647473.122.01.822835573.024.01.744037大電壓駐波比：次數2I對應的探針位置平均值/mm140115.00117.262.262.27240114.99117.272.28340115.00117.282.28440115.01117.282.27540115.02117.282.26已知了W的值，先使用近似式進行試算：可見，駐波比大于6，這個近似式的計算結果是可靠的思考題，實驗感想，疑問與建議：駐波節點的位置在實驗中精確測準不容易，如何比較準確地測量？

實驗中，為了能夠較為準確地測得駐波節點的位置，使用的是“交叉法”，具體如下：先根據儀表的示數，找到波節的大約位置，然后再波節點兩端讀取兩個讀數相等的點的d1和d2，記錄數據；則二者的平均值代表波節點的位置d0。

如何比較準確地測出波導波長？

方法與上述的確定駐波節點的“交叉法”類似，在使用交叉法測得了波節點的位置后，兩個相鄰波節點的距離的兩倍即為波導波長。

在對測量線進行調諧后，進行駐波比的測量時，能否改變微波的輸出功率或衰減大小？

不可以，如果在調諧完成后，對這些數值進行調節的話，就會使調諧失效，導致測量的結果不準確

關于實驗的一些體