1、136微 波 技 术 实验实验一 微波测试系统的认识与微波波长、频率和功率的测量实验二 微波驻波比的测量和晶体检波器的校准实验三 微波的匹配技术与阻抗的测量实验四 定向耦合器特性的测量及应用137实验一 微波测试系统的认识与微波波长、频率和功率的测量一、实验目的1了解微波测试系统；2认识常用微波器件，熟悉其特性在系统中的作用和使用方法；3学会微波信号源、微波测量线和选频放大器等微波测量仪器的调整和使用方法；4学会测量微波波长和信号源 频率；5掌握功率的测量。二、微波测试系统、常用微波设备和微波元件简介1微波测试系统简介(1)等效电源部分(即发送器)主要包括微波信号源、隔离器、同轴波导转换器、E
2、H 阻抗 调配器、定向耦合器、 90弯波导、可变衰减器等。(2)测量装置部分(即测量电路 )主要包括测量线、频率计（波长计 ）、晶体 检波调配器、辅助元件（如短路器、匹配负载等）、待测元件和功率计探头等。(3)指示器部分(即测量接受器 )主要有选频放大器、功率计、示波器等图 1 微波测试系统2微波信号源提供所需微波信号，频率范围在 7.512.4GHz 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。（1）体效应振荡器工作原理微波信号发生器的振荡源早期主要采用微波电子器件，如微波三极管及反射式速调管。后来出现微波半导体器件，其所有电路完全半导体化，形成固态信号源。通常的微波固态
3、信号源是利用半导体的负阻效应来产生微波振荡的，而体效应二极管是利用某些半导体材料（如砷化镓）的体效应，即转移电子机构来实现振荡的。在 n 型砷化镓等类型材料的导带中具有两个稳定的能级，即为双能谷结构，如图 2 所示，上下能谷的间距E=0.36ev ，上能谷平坦，电子有效质量较大，m 2*=1.2m0（ m0为自由电子质量 ） ，其迁移率较小， 2 100200cm2 / Vsec ；下能谷尖锐，电子有138效质量小，m 1*=0.072m0，故电子迁移率大， 15000cm2/V sec。J()电 子 能 量ev 导1 带 2禁 带 价 带 0.36ev1.43evVp Vr VE()图 2
4、图 3图 3 给出了二极管的伏安特性，当外加电压从零开始增加时，电子首先从价带进入导带。当 V VP 时，几乎所有参加导电的电子都位于下能谷中 , 即 n1 = n0；n 2 = 0，此时的电流密度为：J=en 1 1E0当外加电压继续增加时，由于禁带宽度 E0=1.43ev，EE 0 ，因而下能谷的电子开始转移到上能谷中,有 n0=n1+n2，电子的平均迁移率 ，此时电流密度为021nEeJ0随外加电压增加，n 2 增加，n 1 减小，因而平均迁移率显著变小，电流密度随电场增加而下降，出现了负阻效应，图 3 的伏安特曲线上 VrVV P 为负阻区，对应电压 VP 称为阈值电压。继续增加电压，
5、至 VV r 时，下能谷中的所有电子都已跃迁到上能谷，即 n1n 2 =n0 ,此时电流密度： EenJ20电流密度将随电压的增加而增加，回复到正常电阻状态。由于负阻效应，当外加电压超过阈值时，样品的某些区域首先出现负的微分迁移率。一般情况下，在阴极附近的场先超过阈值，且在阴极附近载流子密度增大，速度加快，而其他区域载流子密度小，速度慢，因而在阴极附近将有电荷积累，形成空间电荷层，亦称偶极畴，畴内电场很高，而畴外电场很小，偶极畴在外电场作用下，从阴极向阳极移动，移动速度近似于电子极限漂移速度。当畴移到阳极时,便消失,在外电路中产生一个电流脉冲，而样品中的场又回到阈值以上，新的偶极畴重新出现。如
6、此周而复始，外电路中便出现振荡，振荡频率由下式决定： lVfd1式中 为畴的渡越时间 ，V d 为畴的漂移速度 ，l 为样品厚度。将体效应管和特定的谐振电路结合，就构成体效应振荡器，此时谐振回路上的高频振荡电压与直流电压迭加，反过来控制畴的生长、消失，从而形成各种振荡模式。（2）微波信号源的调整按图检查微波测试系统中各微波实验仪器及装置；实验前开机预热半小时，按、键，置于输出方式为“方波”档；“重复频率”量程置于“10” 、圆盘刻度置于“100”处；调节衰减旋钮，使功率大小输出约 32dB，功率不要过大，若后面实验需要再调大；信号发生器的频率一般设定在 10GHz 左右为宜。1393、微波测量
7、线测量线是微波测量中的常用仪器，不仅可以用来测量传输线上的驻波场分布，还可以测量波长、阻抗、衰减、相位移、Q 值等微波参量，有“微波万用表”之称，在微波测量中有广泛应用。（1）测量线工作原理测量线是在波导的宽边中央开有一个狭槽，由于很少切割电流线，因而开槽对波导内的场分布影响很小，槽长有几个半波长，以便测量，槽端采用 p/4 的阶梯变换或n p/2 的直线过渡以减小槽端反射。金属探针垂直伸入波导槽缝少许，由于它与电力线平行耦合的结果产生大小正比于该处场强的感应电压，耦合出一部分电磁场能量，经调谐腔体送至晶体检波器检波后输出低频电流，由微安表或测量放大器指示。（2）测量线调节金属探针插入深度可调
8、，插入深度约为波导窄边的(510)%，这一步已由老师调好，一般测量时不用调整。金属探头固定在托架上，依靠齿轮齿条的传动，可使探针沿开槽线移动，以便检测相应各点的场分布。探针位置由游标尺读数，精度可达 0.05mm，若借助于百分表，精度达 0.01mm。当测量线终端接不匹配负载时，将测量线探针置于波腹点，调节调谐腔体活塞，使输出指示最大；若在测量线终端接匹配负载，调腔体活塞，使输出指示最大。当微波信号源的工作频率变化时，需重新调谐。4谐振式频率计（波长表）实验中所用的谐振式频率计（波长表）是吸收式频率计，其结构如图 5 所示。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
9、电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当旋转频率计的套筒，改变空腔体积时，若电磁波的频率满足空腔的谐振条件，则发生谐振。反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，导致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，用晶体检波器测量出的示值为最小。此时，从事先经过校准的频率计套筒刻度上能读出输入微波谐振时的数值，从而得到输入微波的频率。图 5 谐振式频率计结构原理 图 6 衰减器结构示意图5晶体检波器微波晶体检波器是通过微波晶体二极管进行检波，它与低频晶体二极管具有类似的 V特性。实验表明，检波电流与加在晶体管处电场之间的关系为 I0 =Ken，其中 n 为检140波律，可由实验
10、确定。小信号时，n=2，输出检波电流正比于传输功率。微波晶体检波器的结构是将晶体二极管从波导宽壁中点装入，当波导中有微波时，耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波后，输出到指示器中显示出来。检波器连接波导的另一端是一个短路活塞，调节器它的位置可以使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率。所以，使用晶体检波器进行相对功率测量时，必须对检波器进行调谐，以达到提高灵敏度及阻抗匹配的要求，一旦工作频率改变，即需重新调配。6可变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，纵向插入波导管而成，如图6 所示。吸收片用来部分衰减传输功率，并有去耦合的作用，沿着宽边移动吸收片可改变衰减
11、量的大小。可变衰减器起始位置通常放在衰减适中，在测量过程中根据需要再调节误差大小。7EH 阻抗调配器EH 阻抗调配器是由双 T 接头构成，在接头处的H 臂和 E 臂内各接有短路活塞。改变短路活塞在臂中的位置，就要可以改变接头处的电抗值，使系统达到好的匹配，其结构如图 7 所示。在负载驻波不太大时，可先调 E 臂活塞，使驻波减至最小，然后再调 H 臂活塞，就可使驻波 1.02 得到近似匹配。如果驻波较大，则需反复调 E 臂和 H 臂活塞，才能将输入驻波系数调到很小。8螺钉调配器插入矩形波导中的一个或几个深度可以调节的螺钉，并沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝作纵向移动，通过调节螺钉的位置使负载与传输
12、线达到匹配状态。调匹配过程的实质，就是使调配器产生一个反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射而达到匹配。9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。本实验的匹配负载中的吸收片是用玻璃制成，使用时要小心轻放，以免损坏。10可变短路器由短路活塞和一套传动读数装置构成。活塞为两节抗流形式，传动丝杆带动活塞作相对于波导轴线传动，并由读数装置上读得其相对行程。11波导管本实验所使用的波导管型号为 BJ100，其内腔尺寸为22.86mm，b1016mm。其主模频率范围为 8201250GHz，截止频率为6557GH
13、z。包括直波导、弯波导等。12定向耦合器定向耦合器外形成十字形，它的耦合元件是主副波导相对宽边之间的一对十字槽，能量通过这对十字槽耦合到副波导中，当主波导的能量沿正方向传输时，副波导耦合得到能量在它传输的方向是叠加的，而槽与此相反的方向则相互抵消，副波导中的这一段装有一匹配负载，以吸收未抵消尽的能量。13波导同轴转换器波导同轴转换器是在一段空波导终端短路面前焊接一只同轴 N 型接头，耦合配件是一插入波导的探针，并使短路面的反射与探针的反射相互抵消以达到匹配。14选频放大器（1）选频放大器的工作原理选频放大器是用于测量微弱低频信号的仪器，它是一个带宽 40Hz、增益 60dB、中心图 7 EH
14、阻抗调配器141频率 1KHz 的放大器。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，再由对数放大器展宽供给指示电路检测。（2）选频放大器的调整检查输入信号线，选择输入阻抗为 200；“分贝量程”先置于 30dB，视后面测量再调大量程；“频率微调”置于中间位置， “带宽”置于 40Hz，以防由于本身信号发生器的 1KHz方波调制信号不稳定引起的漂移；0/5dB 开关放在 “正常”位置；通电预热：测量前开机预热 20 分钟以上； 预调：选频放大器本身不需要调零，而且根据输入的信号大小，调节“增益档”及“增益电位器”来满足波腹波节的读数要求；驻波比测量：因为在表
15、头上就换算成了驻波比读数，所以要求选频放大器实际使用中尽量把增益开关置于“4060dB”三档中使用，这样基本满足了检波器的平方律检波。通过系统中的可变衰减器、测量线、检波器调谐位置调节及选频放大器的“增益电位器”来满足测量要求。15功率计（1）微波小功率计工作原理通常所用的小功率计由探头和指示器两部分组成。功率计探头就是拾取功率，它的原理是利用能量转换器将微波功率转换成易于测量的低频电学量。一般小功率计探头作为终端吸收负载，当微波功率输入时，热电偶吸收微波功率产生温差电动势，产生的直流电动势与输入微波功率成正比，经直流放大后作功率指示。（2）微波小功率计的调整检查微波小功率计探头所接位置的微波
16、强度不要过大；预热：测量前开机预热 10 分钟以上；调零：探头放在无微波的地方，调节“调零旋钮”的“粗调”和“细调” ，使功率计的数显为“000” 。 ；测量：探头接到待测波导的处，读取数据。当数字显示“EEE”或“”表示量程过大或表头反打，重新调节是量程和调零旋钮。三实验内容及步骤仔细观察微波测试系统，熟悉各微波元件和微波测量仪器的用途和使用方法。测量前准备工作（1）按图检查本实验仪器及装置， 终端接短路负载；（2）将微波可调衰减器置于衰减量较大的位置；（3）选频放大器灵敏度置于较低位置（40db），以防止指示 电 表偶然过载而损坏；（4）根据前面使用说明调整微波信号源。3用测量线测量波导波
17、长（1）将测量线上的检波器信号接至选频放大器上；（2）调谐：调节测量线的检波器“调谐螺钉” ，结合调节选频放大器的“分贝量程”和“增益旋钮”使表头指示最大；（3）调配：调节 EH 阻抗调配器的两个短路臂；结合调节选频放大器的调谐旋钮使表头指示最大；（4）调通带：将微波信号源的“频率微调”旋钮放在中间位置，在“重复频率”圆盘“100”刻度处微调，结合调节选频放大器的调谐旋钮使表头指示最大；（5） “可变衰减器”的调节：若选频放大器指示过大或过小，则可以对“可变衰减器”进行调节，使其指示适中；142（6）若选频放大器指示过小，则可以旋转测量线“移动手柄” ，使测量线探针移动一点位置，重复（2）（5
18、）过程进行调节；（7）测量：从负载开始，旋转测量线上的探针位置，使选频放大器指示最小，此时即为测量线等效短路面（驻波波节处） ，记录此时的探针位置 z0；继续旋转探针位置，可测得一组指示最小的位置 z1，z 2， z3，z 4。根据相邻波节点的距离是波导波长的 1/2，故可由下式计算出波导波长： )2( 01030zp 工作波长与波导波长关系： 2cp式中， c 为截止波长。一般波导工作在主模状态，其截止波长为 c=2a。对本实验中波导型号为 BJ100（a*b=22.86mm*10.16mm） ，于是信号源工作频率为：f=3*10 8/（8）测量数据填入下表：z0=测量次数位置 1 2 3
19、4z1z2z3z44用频率计测量频率（1）将螺钉调配器上的检波器信号接至选频放大器上；（2）分别缓慢调节“EH 阻抗调配器 ”的两个短路臂、 “螺钉调配器”上的三个调配螺钉和检波器后的短路活塞，结合调节选频放大器的调谐旋钮使表头指示最大；（3）缓慢调整谐振式频率计，使谐振于微波信号源频率，此时选频放大器上的指示突然变小，在最小的位置就是微波信号源工作频率；（4）在频率计套筒读出输入微波频率的数值；（5）测量数据填入下表：测量次数 频率 1 2 3 4f(GHz)5用功率计测量功率在测量线终端接上微波功率计探头，调整可变衰减器，观察微波功率计的指示并作相应记录，填入下表测量次数 测量值 1 2
20、3 4 5 6 7 8衰减位置功率计读数四思考题1测量线为什么能在波导中心线开缝？2在开启微波信号源时，可变衰减器衰减量和选频放大器的“分贝量程” 、 “增益旋钮”应置于什么位置？为什么？3一个典型的微波测量系统应包括哪几部分？试叙述各部分的主要元件、仪器设备，及其用途和使用方法。1434微波测量系统是接入短路负载，当接通微波电源后，选频放大器上没有指示，试分析各种可能的原因。144实验二 微波驻波比的测量和晶体检波器的校准一、实验目的1掌握用直接法、等指示法测量驻波比原理；2学会驻波比和反射系数的测量；3掌握校准晶体检波器特性的方法。二、实验原理1驻波比测量驻波比测量是微波测量中最基本的测量
21、，通 过驻波测量，不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、反射系数、波长、相位移、衰减、Q 值等其他参量，传输线上存在驻波时，能量不能有效地传到负载 ，这就增加了损耗；大功率 传输时，由于驻波的存在，驻波电场的最大点处可能产生击穿打火，因而 驻波的测量以及调 配是十分重要的。根据驻波比定义，可知 的取值范围为 1，通常按 的大小可分三类：3 为小驻波比；310 为中驻波比； 10 为大驻波比。驻波比的测量方法很多，有测 量线法、反射 计法、电桥法和谐振法等。下主要介绍用测量线进行驻波比测量的主要方法。（1）直接法中小驻波比 10测试电路如图 21 所示。将测 量线探头沿线移动， 测出相
22、 应各点的驻波场强分布，找到驻波电场的最大点与最小点， 计算驻波比公式 |minaxE如测量线上的晶体检波律为 n，则 ，其中 a 为输出电表指示。/1i)(通常在实验室条件下检波功率电平较小，可以 认为检波特性 为平方律，即，有minax为提高测量精度，必须尽量使 电表指针偏在满刻度 1/2 以上。当被测器件的驻波系数较大时， 测量放大器电表不可能在同一量程中同 时准确地读 出 amax 和 amin ，这时就必须利用放大器输入电路中的分级衰减器。 计算时，亦必 须将衰减器数 值计入，当驻波系数在1.05 1.5 时，由于驻波场的最大与最小值相差不大，且变化不尖锐，不易 测准。为提高测量准确
23、度，可移动探针到几个波腹与波 节点， 记录数据，然后取其平均值。直接法的测试范围受限于晶体的噪声电平及平方律检波范围。(2)等指示度法(二倍最小法)大驻波比 10当被测器件的驻波系数大于 10 时 ，由于驻波最大与最小处的电压相差很大，若在驻波波节处使晶体输出的指示电表上得到明显的偏转，那么在驻波波腹时由于电压较大，往往使晶体的检波特性偏离平方律， 这样用直接法测量就会引入 较大的误差。图 21 最小点附近场分布145等指示度法是通过测量驻波图形在最小点附近场强的分布规律，从而计算出驻波系数，如图 21（a）所示。若最小点 处的电表指示为 amin ，在最小点两边取等指示点 a1，两等指示度点
24、之间的距离为 W，有 a1 = K amin，设晶体检波律为 n ，由驻波场的分布公式可得)(sinco2/p通常取 K = 2(二倍最小法)，且设 n = 2，有)(si12pW当时，上式简化为 p只要测出波导波长及相应于两倍最小点读数的两点 D1 、D2 之间的距离 W，代入(上式，即可求出驻波比 。可以看到，驻波系数 愈大，W/ p 的值就愈小，因而宽度 W 和波导波长 p 的测量精度对测量结果的影响很大，特别 是在大驻波比时， 须要用高精度的位置指示装置如千分表，测量线探针移动时应尽可能朝一个方向，不要来回晃动，以免测量线齿轮间隙的“ 回差”影响精度，在测量驻波最小点位置时 ，为减小误
25、差，亦必须采用“交叉读数法”。对很大驻波系数，由于测量仪 器的限制，有 时 amin 不易测出，可用以下方法扩大驻波系数的测量范围：加深探 针穿伸度：在一般 测量中， 为减小探针插入对驻波 场分布的影响，探 针穿伸度应限制在波导窄边的(10-15)% 之内，然而由理 论分析可知 ,探针对波节处的影响是较小的，而等指示度法所测量的正是最小点附近场的特性，因而可用增加探针穿伸度的方法提高测量最小点的灵敏度，所带来的 误差是很小的。两次 节点宽 度法：在最小点两边测出两组不同的等指示值 a1 、a2 所对应的节点宽度 W1、W2。如图 21(b)所示。从驻波场公式可得 )(sin)(sincoc21
26、21ppWK式中 K = a1/a2 ；检波律 n = 2。2晶体检波器的校准通常晶体二极管的检波电流和探针所在处的场强并非线性关系，一般在小信号时为近似平方律，大信号时近似线性。此外，检波律还随环境温度、湿度、时间、振动等的变化而变化。因此，要准确测量驻波比就必须要知道晶体检波器的特性曲线。（1）晶体检波器的特性曲线晶体二极管的电流 I 与检波电压 的一般关系为I=kUn式中 k 为常数，n 为检波律，U 为检波电压。将测量线终端接波导短路器，在忽略 损耗和探针负载影响的条件下，测量线上沿线各点电场分布为E = Emaxsin(2d/p)146式中 d 为被测点距最近驻波节点的距离， p为波
27、导波长，E max 为波腹处场强。假设晶体检波律为 n，则电表指示 I 与场强的关系为IEn由相对值 E=E/E max=sin(2d/p)可知，随 d 的变化规 律应为I=ksin(2d/p)n在 p/4 范围内移动探针，使其偏离驻波节点不同位置 d，选取场强相对值 sin(2d/p)|=0.1,0.2,0.3,1.0 各点，读取指示 电表读数，即能做出 (2d/p)关系曲线，也就是晶体二极管定标曲线，如图 22（a）所示。(2) 晶体检波器的晶体检波律 n第一种方法：对上式两边取对数，并令 K=1，得lnI= n ln sin(2d/p)根据上式，曲线 lnI ln sin(2d/p)的斜
28、率即为晶体检波律 n，如 图 22（b）所示。第二种方法：测量线终端短路， 测出半峰值读数间的距离 W，如图 23 所示， 则n =ln0.5/lncos(W/p)根据测定的晶体检波律，就能得到晶体平方律 检波的工作范 围。实验中大多数微波测试系统属于小信号工作状态，因此，晶体检波律基本为平方律。如果不是精密测量，通常可取 n =2。三、实验仪器及装置图测量系统如图 24 所示。测量 单口元件的驻波比时，待测元件直接接到 测量线的输出端；测量双口元件的驻波比时，需要在双口元件的输出口接驻波比 1.03 的匹配负载。四、实验内容及步骤1参照图 24，连接各微波元件。2调整测量线（1）测量线终端接
29、短路负载；测量线上的晶体检波器输出端接至选频放大器；移动探针至测量线的中间部位，调节探头 活塞，使 电表偏转最大，如果发现探针可调谐在几个峰值上时，应选取峰值最大位置，此时测 量线处于最佳工作状态；（2）利用实验一方法，测量波导 波长。3负载方向驻波比测量图 22 晶体检波特性校准曲线 图 23 半高点求晶体检波律图 24 电压驻波比测量电路147（1）测量线终端接待测负载；（2）将测量线调整到最佳工作状态；（3）根据驻波比 大小，采用不同的方法测量驻波比。若驻波比 10，则用直接法；若驻波比 10，则 用等指示度法。因为在选频放大器表头上已有换算成驻波比读数的一行示数，所以可以利用选频放大器
30、直接读取驻波比。具体方法 ：把选频放大器增益开关置于 “4060dB”三档中之一处，确保满足检波器的平方律检波；使测量线的探针处于驻波波腹（选频放大器指示最大）处，调节可变衰减器、测量线的检波器“调谐旋钮”和选频放大器的“增益电位器”使选频放大器指示满刻度 100%，调节测量线探针处于驻波波节（ 选频 放大器指示最小）处，读出此时的驻波比数字，即为待测负载驻波比。反复 测量 4 次，填入表一：测量次数 位置 1 2 3 44校准晶体检波器（1）测量线终端接短路负载；（2）使测量线探针处于驻波波腹点， 调节可变衰减器、测量线的检波器 “调谐旋钮”和选频放大器的“增益电位器”使选频放大器指示满刻度
31、 100%；（3）在波节点和波腹点之间等间距取 10 个点，从波 节开始移 动探针分别读取坐标 d 和各位置对应的选频放大器指示读数，并将数据 记录于上表二中：波导 波长 p= (mm) 波节点位置 d。= (mm)相 对电场强度 E 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00 p/63 p/31.3 p/20.6 p/15.3 p/12 p/9.8 p/8.1 p/6.8 p/5.6 p/4测量点与波节点距离 d(mm)测量点实际位置d。+ d(mm)指示电表读数（4）画出 Id 曲线。五、思考题1为什么要测量晶体二极管的 检波律？若测得检波律 n=2 时，选频放大器指示读数与微波场强 E 成什么关系，可否作功率指示？若 n=1，二者又是什么关系？2正确调整测量线对于保证驻 波测量的精度有何意义？试联 系电压驻波比定义考虑。3根据测量的终端驻波比 ，如何求出终端的复反射系数、输入阻抗和负载阻抗？
