1、-1-实验一 三厘米波导测量系统一、系统结构框图图 1-1 三厘米波导测量系统备注：三厘米隔离器用在精密测量中，而在一般测量中可以不加，因为在 YM1123 中有一个隔离器。本章后续的六个实验均是基于该结构展开的，下面将对结构中的仪器进行一一介绍。二、仪器、器件介绍本套系统主要用于测量微波在波导中传输时的一些基本参数，如波导波长、反射系数、阻抗及功率等。主要用到的仪器为：YM1123 微波信号发生器、波导测量线、小功率计、频率计、选频放大器、波导功率探头以及各种波导元件。下面分别进行介绍：（一）YM1123 微波信号发生器YM1123 微波信号发生器是一款固态信号源，主要基于某些半导体材料（如
2、砷化镓）的体效应来实现振荡的，具有功率大、稳定可靠等特性。整体结构由高频部分、调制器部分、功率显示部分（对 100uW 的功率作相对指示） 、频率显示部分及衰减显示部分、工作状态控制部分、电源部分六大件组成，其中高频部分负责产生 7.5GHz 12.4GHz 的微波信号，调制部分负责产生一系列脉冲信号，采用 PIN 调制器来实现微波信号的脉冲幅度调制。其面板调节控制机构如下所示：1. 面板调节控制机构（1）电源开关位置。（2）工作状态开关：按移动键可改变工作状态，指示灯也相应改变。工作状态有：等幅（=，用于测量校准衰减器在 100uW 时 0dB 定标） 、内调制（分方波和脉冲两种） 、外调制
3、（外输入脉冲信号，具有极性变换功能）及外整步。三厘米信号源YM1123f=7.5-12.4GHz同轴-波导转换器匹配负载三厘米隔离器*E-H 面阻抗调配器定向耦合器可变衰减器TC26测量线GX2C（T）小功率计PX16频率计晶体检波器YM3892选频放大器YM3892选频放大器被测件- 2 -（3） “调谐”旋钮调节可改变输出频率。（4） “调零”旋钮调节可改变电表电气调零。（5） “衰减调节”旋钮可控制输出功率大小。反时针调节，信号输出增大，衰减显示减小；顺时针调节，信号输出减小，衰减显示增大。（6） “衰减调零”为 100uW 基准 0dB 校准。（7） “1、10”开关：调制信号重复频率
4、开关。（8） “重复频率”旋钮调节可改变调制信号重复频率。（9） “脉宽”旋钮调节可改变调制信号脉冲宽度。（10） “延迟”旋钮调节可改变调制信号脉冲延迟时间。图 1-2 面板调节控制机构2. 使用方法：1.电源开关置于“开”时，工作状态指示灯亮。2.工作状态选择置于“等幅” ，作大信号或无定标要求使用时，调节“衰减调节”可控制输出功率的大小。3.作小信号定标要求应用时，调节“调谐”旋钮，选定所需频率指示；“衰减调节”顺时针调至极端上（即输出功率最小端） ，将仪器附带的功率探头，其带探头的一端与仪器背后的三线插座连接，另一端与输出孔连接；工作状态置于“外调制” ，调节“调零”旋钮，校准表头电气
5、零点；工作状态置于“等幅” ，然后“衰减调节”反时针慢调，直至功率指示为 100uW 刻度上，调节“衰减调零”旋钮，使衰减显示为 000.0 的位置，即校准后，衰减器读数为 0dB 相当于100uW（即-10dBm ） ；最后，拆下功率探头一端并与被测仪器相连。4.若要改变工作状态，只需根据要求选择按键置于选定位置即可。5.“方波内调制”与“脉冲内调制”状态时，其重复频率范围与倍乘范围是可以连续调节的，即对应的重复频率范围：1 时，40H z400Hz；10 时， 400Hz4000Hz。6.“外调制”或“外整步”工作状态时，输入脉冲信号均由外脉冲插座输入。- 3 -3. 注意事项：1.仪器在
6、一般情况下，开机就能工作，若要作精确测量，需预热 30 分钟后使用。2.本仪器所附功率探头的烧毁功率为 20mW，因此使用时要严格参照小信号定标一项使用。（二）波导测量线1. 结构示意图：1.传输波导 2.探针 3.同轴线 4.微波二极管 5.调谐活塞 6.检波滑座 7.探针深度调节螺母图 1-3 波导测量线结构示意图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、衰减等微波参数，有“微波万用表”之称。根据传输线的不同，测量线的形式亦有不同，常用的有同轴型和波导型。本次实验采用的为 TC26 波导测量线。下面分别从结构、测量精度及测量原理方面对其进行介
7、绍：该测量线总体上包括开槽线体、探针耦合指示机构、机械传动及位置移动装置三部分：(1) 开槽线体：由 U 形槽体和盖板用螺钉紧固而成，在盖板的中央（即矩形波导的宽边正中）沿着线体的轴线开有一条狭槽，其宽度为 1mm，长度有几个半波长，以便测量，槽线的两端各有一个 阶梯变换的阻抗匹配段来减小槽端的反射。4g(2) 探针耦合指示机构：又称探头，包括耦合探针、调谐装置及晶体检波器。整个机构采用同轴线型，晶体检波器装在同轴线 T 形支路内；调谐装置主要包括探针深度调节螺母和调谐活塞，调谐活塞是接触式的，探针深度调节螺母可改变探针穿伸度至 03mm，并可以从探头顶上的读数套筒上读得其数值；探针的几何尺寸
8、要足够细，以使探针在波导中的影响可以忽略不计。(3) 机械传动及位置移动装置：探头固定在检波滑座上，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。2. 测量精度的讨论正确使用测量线是提高测量精度的重要方面，它包括探针穿伸度的调整和探头的调谐。从- 4 -理论上讲，探针在波导中可等效为一并联导纳 Y=G+jB（如图 4 所示） 。其等效电导 G 反映了探针吸收功率的大小，因而 G 的存在将使所测得的驻波比小于真实值；等效电纳 B 反映了探针在波导中所产生的反射对驻波场的影响，因而将使驻波相位
9、发生偏移，当终端断路时，波节点不偏移，但波腹点的位置发生偏移，即使驻波最大点与最小点的位置发生偏移，因而驻波图形产生倾斜。探针插入愈深，影响亦愈大。图 1-4 探针在波导中可等效为一并联导纳要减少或消除这些影响，就要减小探针的穿伸度和正确调谐探头的谐振腔。探针的调整方法：（1）在信号源有足够输出和检波指示器有足够灵敏度的条件下，应尽量取较小的探针插入深度（一般是旋到底后退出 2 圈半为宜） ，以减小 G 的影响。（2）探头的调谐是十分重要的，既可以消除电纳 B 的影响，又可以提高测试灵敏度，调谐方法为：当测量线端接不匹配负载时，将测量线探针移至相邻两个波节点之间的正中位置（即波腹点上） ，调节
10、调谐腔体活塞，使输出指示最大；或在测量线终端接匹配负载时，直接调腔体活塞，使输出指示最大。这时对应的 B 的影响已经达到最小。3. 晶体检波律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。如果设测量线上的晶体检波律为 n，当波导内探针处的场强为 E 时，对应选频放大器的读数为 ，则满足：a（c 为常数） （1-naE1）用相对值表示： ， ，则由 得晶体检波律 n 为：maxE相 对 max相 对 n相 对 相 对（1-lgnE相 对相 对2）因此只要以实际测出的读数 与按理
11、论计算出的值 相比较就可以得到晶体检波器的校a相 对 相 对准曲线（具体的绘制过程见实验一） 。在小信号情况下，一般取 n=2。- 5 -4. 测量原理由于矩形波导传输 TE10 波时宽边正中仅有轴向电流 1，所以开槽线理论上不切割电流，因而开槽对波导内的场分布影响很小，可利用槽线辐射出的电磁场能量对波导内的场分布进行测量。金属探针垂直深入波导槽缝少许，由于探针与电力线平行耦合的结果产生正比于该处场强的感应电压，从槽缝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直流或低频电流，由选频放大器指示读出。因此该选频放大器的读数可以间接表示波导内场强的大小。波导中沿线各点的场为入射波场与
12、反射波场的矢量迭加，即（1-3）(2)+E(l)=()E1()E1Ljllllle式中 、 分别为距负载端为 l 处的入射场与反射场； 为距负载端为 l 处的反(l射系数； 为负载端反射系数； 为负载端反射系数的相角； 为波的相位传输常数，LL， 为波导波长。2g驻波系数定义为 ，则 ， ，其中 为负载maxin1LE1Lmin2Llminl端距第一个电压波节点的距离。令负载阻抗为 ，则有 ， ，其中 为波导特征阻抗，LZA01LLZLZ0Z为归一化阻抗。A0LZ从上述式子可知，只要测知传输线上的驻波场分布，就可得知波导波长、驻波系数、复阻抗、复反射系数等重要参量。对各个参数的具体测量方法见后
13、面的具体实验。5. 注意事项（1）接好三厘米波导测试系统之后，工作时，必须预热 1530 分钟，如使用固定衰减器作隔离衰减时，衰减量应在 10dB 以上，信号源的驻波比应小于等于 1.2，以保证信号源的稳定度。（2）信号源调节稳定后，将测量线检波头的探针穿伸尽可能小，在灵敏度不够的情况下，增加探针的穿伸度，要以减少探针分流电导引起的测量误差为前提。（3）调节检波头调谐活塞，找一个最佳的谐振点，使输出信号最大。调谐时要注意移动检波滑座，使探针位于驻波波腹点附近，因为此处的输出灵敏度较高，而若位于波节点时输出灵敏度太低，不易于调谐。- 6 -（三）小功率计本实验系统采用 GX2C 数显小功率计（配
14、 GX2N8 波导功率探头 量程“10”即“0.1mW100mW”范围）进行绝对功率测量，主要由两部分组成：探头和指示器。指示器用来进行量程设置和显示等，而探头的主要功能是拾取功率。1. 工作原理微波波段的功率测量方法一般不同于低频功率的测量方法，低频功率的测量是通过电压和电流的测量来实现的，而微波功率的测量一般是通过各种换能元件（或建仓元件）把微波功率变换成易于直接测量的其他能量形式（如热、力、低频电能等）再进行测量。GX2C 数显小功率计是一种热电耦功率计，它的功率探头的主体是一个热电堆，当微波功率输入时，热电堆的热节点温度升高，这与冷节点产生温差而形成与输入微波功率成正比的直流电动势。热
15、电堆输出的直流信号一般是很微弱的，需经直流放大后再作功率指示。2. 调节控制机构的作用如图 1-5 所示：（1） 表头：提供指示器的模拟参考指示；（2） 量程开关：开关所示值为本档满量程值；（3） 调零旋钮粗：与调零旋钮细 9 配合，可方便调得指示读数零点；（4） 电源开关：为按键式电源控制开关，到规定预热时间后，仪器即正常工作；（5） 接地点：为避免外接系统外壳带电损坏探头，本机提供一个接地柱，使用时必须将系统中各仪器的外壳连接于该接地柱进行可靠连接。（6） 数码显示：提供指示读数的数字显示以及小数点位置；（7） 量程显示：分“uW” 、 “mW”两档，灯亮者为工作显示；（8） 校准因子开关
16、： 可作 85%100%的校准因子补偿控制；（9） 调零旋钮细：与调零旋钮粗 3 配合，可方便调得指示读数零点；（10） 输入接头：功率探头输出信号由此输入指示器。- 7 -图 1-5 小功率计前面板3.使用及注意问题（1）使用前必须注意指示器外壳接地端与被测系统外壳接地端是否连接良好，同时必须保证被测系统中各连接接头接触可靠，否则极易损坏探头。（2）在接上探头测试时，切不可大范围地调节被测功率源的频率，因为多数微波信号发生器的幅频特性曲线起伏很大，且整个频段中总有几个很窄的尖锋或跳模点。例如一般平均功率为5mW 的固态源的最大窄尖锋可达 100mW 量级，极易烧坏热电元件。（3）在动态测试时
17、，应保证整个动态范围的功率小于探头的额定功率。（4）切不可在接上探头的情况下开、关被测功率源的电源开关，因为有些微波信号发生器、放大器在开、关电源的瞬间会产生一个比正常工作时大得多的自激脉冲输出，损坏热电元件于一瞬间，而使操作者毫无察觉。（5）预热：接上探头接通电源之后，需要 10 分钟或更长时间的预热。（6）调零：数字显示为“EEE” 、表头打过满度时，表示过量程，需将调零旋钮向反时针旋动；数字显示为“” 、表头反打时，表示小于-99，需将调零旋钮向顺时针方向旋动。调零时，可将“粗” 、 “细”调零配合使用，同时观察表头及数字显示，可迅速调得正确的零位。一般在最高灵敏档调得零位后，以后几档零
18、点变化小于 1%。（7）测量误差的估算：失配是功率测量误差的最大因素，包括探头和功率源的失配。因此在实测中档发现误差超过技术指标时，应先检查探头或被测源的反射系数是否太大。（四）选频放大器YM3892 选频放大器是一种检测微弱信号的精密测量放大器。与晶体检波器配合使用，用于相对功率的测量，如衰减测量；与测量线配合，可以测量驻波比等等。- 8 -1. 调节控制机构的作用如图 1-6 所示：13246598710图 1-6 选频放大器前面板（1） 表头：作 01000mV 刻度指示，010dB 衰减指示，14 及 3.210 驻波比指示用。（2） 分贝选择开关：060dB 步进（3） 频率调节：调
19、谐输入信号频率。（4） 输入阻抗转换开关：分 200 、200 两档。k（5） 接地。（6） 增益控制旋钮：可在 05dB 连续可调。（7） 带宽控制开关：按需要可选择 16、24、32、40Hz 四档带宽。（8） 输入接头：Q9（9） 0/5dB 选择开关。（10） 电源开关。2. 使用及注意问题（1）表头机械调零：在电源不接通时，使表头指示指零。（2）分贝开关不要放在 50dB、60dB 位置，以免工作时因信号过大损坏表头。（3）预热 30 分1 小时后，再进行系统测试。（4）输入信号，选择输入阻抗 200 或 200 。k（5）按被测信号的强弱选择分贝开关的位置，0dB 可输入信号最大。
20、（6）通带调节：当仪器灵敏度能满足要求时，选择较宽的通频带，仪器性能较稳定。（7）频率调节：每次使用或通带换档时，频率调节都要调谐到信号最大，旋钮顺时针转动为频率降低。（8）增益调整：配合分贝转换开关控制信号的大小，一般增益开关放在中间或中间偏上的位置。旋钮顺时针旋转输出信号增大。（9）0/5dB 选择开关一般放在正常位置。- 9 -（10）驻波比的测量：按一般驻波比测量法，可直接在驻波比刻度 14 上读出被测负载的驻波比。当驻波比读数大于 3.2 时，芬贝开关可顺时针方向旋转一档，在驻波比刻度 3.210 上读出驻波比。实验二 矩形波导中导行电磁波的波形观测一、实验目的1. 熟悉波导测量线的
21、使用方法；2. 掌握校准晶体检波特性的方法；3. 观测矩形波导终端三种状态（短路、接任意负载、匹配）时，TE 10的电场分量沿轴向方向上的分布。二、预习内容1.波导测量线及图1中相关仪器的使用方法、注意事项。2.理论上波导在三种工作状态下的场分布。三、实验原理1. 矩形波导中的场分布za0 xyb- 10 -图2-1 矩形波导波导系统如图1-1所示。TE 10波是波导传输波形中的主模式，其电场基本解为： 0sin()jzyExea（1）当波导终端接短路负载时，导行波在终端全部被反射纯驻波状态。电场为：（2-00i()sin()jzjzyy Exea1）在x=a/2处，（2-02si()yEjz
22、2）模值为：（2-0sin()yz3）最大值与最小值分别为：（2-0max2yE4）（2-iny6）（2）当波导终端接任意负载时，导行波在终端部分被反射行驻波状态。电场为：（2-00si()sin()jzjzyy LExeExeaa7）在x=a/2处，有（2-000000()()(1)2cos)jzjzjzjzjzjzyLLLLjeeeeeEE8）由此可见，行驻波由一行波与一驻波合成而得。其模值为：（2-220(1)cos(1)sinyLLzz9）最大值与最小值分别为：- 11 -（2-0max(1)yLE10）（2-0in()yL11）（3）当波导终端接匹配负载时，导行波仅有入射波没有反射波
23、行波状态。电场为：（2-0si()jzyExea12）在 处，2ax（2-0jzye13）模值为：（2-0yE14）2. 波导波长的测量：根据传输线上存在驻波时，相邻两个驻波最小点之间的距离为二分之一波导波长，所以有：（2-15）1min2iDg图2-2 交叉读数法通常利用“交叉读数法”求取 、 ，所谓“交叉读数法”即在最小点附近两边取指1minD2in示度均为 的两点，假设其位置读数为 、 ，则 ，其示意图如图 2-2 所示。1a 12minD+a1 D11 Dminmin1 D2a D- 12 -四、实验内容及步骤1. 调整测量线图 2-3 测量线系统(1) 开启信号源，预热 20 分钟使
24、输出稳定。(2) 按图 1-3 接好实验线路，测量线后接短路器。(3) 调节探针位置，使指示器读数最大（此时探针位于波腹点） 。(4) 调节探针插入深度，同时调整调谐活塞，使指示器读数最大，且达到满刻度的 2/3 量程以上。2. 绘制晶体定标曲线(1) 在测量线后接短路片，将测量线探针移至驻波波腹处，调节可变衰减器或测量放大器的灵敏度，使电表指示为满刻度 amax。(2) 用“交叉读数法”确定相邻的三个驻波节点的位置 Dmin1、D min2、D min3，计算得波导波长 。g(3) 在该波腹点与波节点之间取 10 点进行测量，即从波腹点开始，在电表指示 a 分别为100、90、8010 各点
25、处，测出测量线上的相应位置 D1、D 2D10，同时可以确定各点的。a相 对(4) 根据 d1=D1-Dmin，d 2=D2-Dmin，由 计算相应各点的 。sinigEd相 对 E相 对(5) 在直角坐标纸上以 为纵坐标、 为横坐标作图既可得晶体定标曲线。a相 对 相 对3. 测绘终端接三种负载时 的分布相 对(1) 测量线终端接短路器：在大约1.5个波长范围内，每半个波长范围取10个点，依次将探针移到这些位置上并读取测量线标尺刻度D i和相应的指示器读数 。a相 对任意负载信号源 隔离器 测量线短路器匹配负载指示器- 13 -(2) 测量线终端接任意负载，重复步骤(1)。(3) 测量线终端
26、接匹配负载，重复步骤(1)。五、数据处理与表格1.绘制晶体定标曲线（1）计算波导波长 g三个相邻波节点的位置分别记为D min1、D min2、D min3，对应的交叉读数法的刻度分为D1min1、 D2min1、 D1min2、D 2min2、D 1min3、D 2min3，则D mini=( D1mini+D2mini)/2（i=1,2,3 ） ， , ， 。minigmini3g12()/gg波节点1（mm）波节点2（mm）波节点3（mm） 1)mg()D1min1 D1min2 D1min3D2min1 D2min2 D2min3Dmin1 Dmin2 Dmin3（2）计算d i及对应
27、的 E相 对，minii2sinigd相 对mm，D min= mm g测量点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10标尺刻度D idiE相 对a相 对（3）在直角坐标上绘制晶体定标曲线。2. 测绘终端接三种负载时 的分布E相 对(1) 在晶体定标曲线上找出 对应的 ；a相 对 相 对(2) 在直角坐标纸上绘出三种状态的 D i的分布曲线。相 对终端接 （示意表格）测量点 1 2 3 30Di- 14 -a相 对E相 对- 15 -实验三 电压驻波比的测量一、实验目的掌握常用的大、中电压驻波比的测量方法：直接法、等指示度法、功率衰减法。二、预习内容1. 查阅教材预习驻波比的相关内容；2. 预
28、习测量驻波比的三种常用的方法：直接法、等指示度法、功率衰减法。三、实验原理电压驻波比的测量是微波测量中最基本、最重要的内容之一。通过驻波测量，不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量波长、阻抗、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；而且大功率传输时，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。电压驻波比（简称驻波比）定义为：传输线中电场最大值与最小值之比，即：（3-maxaxininE相 对相 对1）根据驻波比定义，可知其取值范围为 ，通常按照 的大小可分为三类： 为13小驻波比， 为中驻波比， 为大驻波比。31
29、00驻波比的测量方法很多，下面主要介绍三种：直接法、等指示度法、功率衰减法。1. 直接法直接测量传输线驻波的波腹点与波节点的场强，由定义求得驻波比的方法称为直接法。该方法适用于测量中、小驻波比（即 ） 。10将测量线探头沿线移动，测出相应各点的指示器读数，找到最大值与最小值，设为 和max，根据晶体定标曲线可读得相应的 和 ，则可由定义求得驻波比。minamaxE相 对 in相 对若设晶体检波律为n，则驻波比可直接表示为：1maxni()- 16 -（3-2）通常在实验室条件下检波功率较小，可以认为检波特性为平方律，即n=2，因此有：（3-3）maxin注意：（1）为提高测量精度，必须尽量使电
30、表指针偏在满刻度 以上。21（2）当被测器件的驻波比较大时，测量放大器电表不可能在同一量程中同时准确地读出和 ，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maxin计入；（3）当驻波比在 时，由于驻波场的最大与最小值相差不大，且变化不尖锐，5.10.不易测准，为提高测量准确度，可移动探针到几个波腹与波节点处，记录数据，然后取其平均值。（4）直接法的测试范围受限于晶体检波器的噪声电平及平方律检波范围。2. 等指示度法：当被测器件的驻波比大于10时，由于驻波最大与最小处的电压相差很大，若在驻波最小点处使晶体输出的指示电表上得到明显的偏转，那么在驻波最大点时由于电压较大，
31、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。等指示度法是通过测量驻波节点附近的数据，根据驻波图形在波节点附近场强的分布规律来计算驻波比的，如图3-1所示。图3-1 等指示度法首先，移动探针，找到指示器读数最小的点，即波节点。由长线理论可知，驻波波节点处相对场强可表示为：KaminaminD1 D2WDa- 17 -（3-4）Lmin1E相 对对应指示器的读数为 ，其中 为常数。nminLac(1-)c然后从波节点向两侧移动探针，使指示器读数均为波节点指示器读数的K倍，即两点的读数均为 ，并测得两等指示度点之间的距离为W。由长线理论得知，两等指示度点的相对场mina强为：
32、（3-5）122LgW1+cos()E相 对对应指示器的读数可表示为：（3-6）n22minLgKaccs()由于 ， ，则可得到：2coss11L（3-7）2ngWKcos()i通常取K=2（即二倍最小法） ，且设n=2 （平方律检波） ，则：（3-8）2g1sin()当 时， 很小，上式可以简化为：10gWsin（3-9）g可见只要测出波导波长 ，以及相应于两倍最小点读数的两点D 1、D 2之间的距离W，即可g求得驻波比。注意：（1）波导波长 和距离W的测量精度对测量结果的影响很大。g（2）在测量大驻波比时，必须采用高精度的位置指示装置，如千分尺；测量线探针移动时- 18 -应尽可能朝一个
33、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，为减小误差，亦必须采用“交叉读数法”。（3）对很大驻波比，由于测量仪器的限制，有时 不易测出，可以采用以下方法扩大驻mina波比的测量范围：a. 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。b. 两次节点宽度法：在最小点两边测出两组不同的等指示值a 1、a 2，所对应的节点宽度分
34、为W 1、 W2，如图3-2所示。从驻波场公式可推出：（3-10）221gg1WKcos()cos()inin式中， ；检波率n=2。21aK图3-2 两次节点宽度法3. 功率衰减法功率衰减法测量驻波比是一种简便而准确的方法，它的测量准确度主要取决于标准可变衰减器的校准精度和测量线路的匹配情况，而与晶体检波律、测量放大器的线性无关，它可测量任意驻波比。功率衰减法是通过调节标准可变衰减器的衰减量来改变入射波振幅（或功率） ，使得分别测量驻波波节点和波腹点的电平时，检波指示不变，利用衰减量的差值来计算驻波比。设信号源送入可变衰减器的入射波为E 0，调节可变衰减器，把探针移到波节点处，使指示器得到一
35、个明确而便利的读数a。设经过衰减后的通过波为E 1，由于被测元件的不连续性引入的反射系数为 ，则测量线内驻波波节点处的场强为：L（3-11）min1LE(）a2W2aW1a1- 19 -设此时衰减器的衰减量为A min（dB） ，则：（3-12） 0L0L0min11min1E(E(A2lgl2lg） ）再把探针移到波腹点，同时加大衰减器的衰减量，使该点处的指示器读数也为a，即保持两次指示器读数不变，也就是驻波波腹点场强Emax 2与波节点场强Emin 1一致。设此时经过衰减后的通过波为E 2，则波腹点场强表示成：（3-13）max2LE(1+）设此时衰减器的衰减量为 （dB） ，则：A（3-
36、0L0L0max22max2(E(1+lgllgE1+） ）14）则可得：（3-LmaxinA20lg20lg1-15）所以可得驻波比为：（3-maxinA20116）注意：由于功率衰减法的测量准确度主要取决于标准可变衰减器的校准精度和测量线路的匹配情况，所以在测量精度要求高时，应先对电源方向进行调配，并选用高精度衰减器。四、实验内容及步骤1. 按照图3-3或图3-4连接实验线路，开启信号源，调整测量线，测量晶体定标各参数。图3-3 直接法、等指示度法框图被测负载信号源 隔离器短路负载测量线指示器波长计被测负载信号源 隔离器 可变衰减器 测量线指示器波长计- 20 -图2-4 功率衰减法框图2
37、. 直接法测量驻波比：将被测负载接于测量线路终端，移动探针，记下指示器读数 和 。maxin3. 等指示度法测驻波比：（1）将被测负载接于测量线路终端，移动探针至波节点处，记下指示器读数 ；mina（2）在波节点两侧 处测得标尺刻度分为D 1、 D2，重复三次。mina=24. 功率衰减法测驻波比：（1）将被测负载接于测量线路终端；（2）移动探针至波节点处，同时改变衰减器，使指示器得到一个明确且便利的读数a 1（a 1应大于1/2满刻度） ，并读得衰减器刻度 A1。（15） 移动探针至波腹点处，同时改变衰减器，使指示器仍保持读数a 1，并读得衰减器刻度A 2。五、数据处理与表格1.绘制晶体定标
38、曲线（1）计算波导波长 g三个相邻波节点的位置分别记为D min1、D min2、D min3，对应的交叉读数法的刻度分为D1min1、 D2min1、 D1min2、D 2min2、D 1min3、D 2min3，则D mini=( D1mini+D2mini)/2（i=1,2,3 ） ， , ， 。minigmini3g12()/gg波节点1（mm）波节点2（mm）波节点3（mm） (mg()D1min1 D1min2 D1min3D2min1 D2min2 D2min3Dmin1 Dmin2 Dmin3（2）计算d i及对应的 E相 对，minii2sinigd相 对mm，D min=
39、mm g- 21 -测量点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10标尺刻度D idiE相 对a相 对（3）在直角坐标上绘制晶体定标曲线。2. 根据 和 ，由晶体定标曲线查得相应的 和 ，由（3-1）计算驻波比，maxin maxE相 对 in相 对并与由（3-3）式子计算得到的驻波比进行比较。3. 由三次测得的D 1、 D2计算W和 的平均值，由式子（3-8）计算驻波比。g对应的探针位置mina次数 inD1（mm） D2（mm）12WD（mm）W平均值（mm） （mmg）驻波比 1234. 根据测得的A 1和A 2，由（3-16）式子计算驻波比。A1 Amin（dB） A2 Amax（dB
40、） AmaxAmin（dB） 驻波比 六、思考问题自己动手推导一下（3-10）式。- 22 -实验四 微波阻抗的测量与匹配一、实验目的1.掌握应用测量线测量微波阻抗的原理与方法，熟练掌握smith圆图的应用。2.掌握利用阻抗调配器进行阻抗匹配的方法和技巧。二、预习内容1.预习用smith圆图读取阻抗的原理及方法；2.预习阻抗调配器的原理及方法。三、实验原理1.阻抗测量原理由于微波系统阻抗的概念不是唯一的，所以一般并不进行阻抗绝对值得测量，而是测量归一化阻抗值。已知归一化负载阻抗 与负载端反射系数 之间的关系： ，且有LZL1LZ， ， ， 。故只要测出驻波系数 、波导波LjLe1min2Ld2
41、g长 以及第一个驻波最小点到负载端的距离 ，即可测知归一化负载阻抗 ：gin LZ（4-1） 1ta()minLjdZ在要求精度不太高时，可以直接借助smith圆图求得待测归一化微波阻抗。首先利用测量线测出待测负载的驻波系数、波导波长（这两者的测量方法在前两个实验中已经介绍过了） ，并确定在测量线上驻波最小点的位置，然后测出第一个驻波最小点到负载端的距离 。当无耗传输线端接任意负载时，沿线输入阻抗的变化轨迹在阻抗圆图上是一个等反mind射系数圆（或称为等驻波比圆） ，其圆心为圆图的中心，该圆与实轴的交点表示了传输线上电压最大点与电压最小点处的阻抗，它们分别为- 23 -、 。若已知 ，则从圆图
42、上电压最小点处逆时针（向负载端）转过maxZin1mind个电长度所作的直线与等反射系数圆的交点所表示的阻抗值即为待测的归一化阻抗值。ingd然而，由于测量线的位置标尺一般并不是从测量线终端开始刻度的，因而直接测量 是mind比较困难的，根据驻波分布的半波长重复性，在实际测量中，采用“等效截面法” ，即找出与终端等效的参考面来代替终端。首先将终端短路，沿线的驻波分布如图4-1所示。用测量线测得其一驻波节点位置 ，此TD位置即为终端的等效位置；然后将终端换接被测负载，线上的驻波分布如图所示，用测量线测得靠近等效位置 的第一个驻波节点位置 ，这样，在测量线上的 和 之间的距离即TDminDTmin
43、为所要求的负载输入参考面到第一个波节点的距离 ，即 。idmini采用“等效截面法” ，在查smith圆图时必须注意，如果 在 的右边，查图时需按照逆TiD时针方向转（朝向负载） ，反之，如 在 的左边，须按顺时针转（朝向电源） 。TDmin图 4-1 沿线的驻波分布2.阻抗调配的原理阻抗匹配的基本原理是利用调配器，使它产生的附加反射与由负载所产生的反射相抵消。从微波电路的观点看，调配器起着阻抗变换的作用，它使原来的不匹配阻抗变换为传输线的特LZDmin DT min- 24 -征阻抗，从而达到匹配。阻抗调配的方法有很多，本实验利用E-H双T 接头构成的双T调配器对负载进行调配。双T调配器的H
44、臂和E臂内，都装有可调短路活塞，改变活塞在臂中的位置，即可改变接头处的电抗值，就可以使系统达到好的匹配。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，才能将输入驻波比调到很小。四、实验内容及步骤1.测量负载阻抗（1）按图4-2连接测量线路，并调整测试系统。（2）将测量线终端接上短路器，用测量线测出波导波长 以及最靠近短路器的第一个驻波g波节点的位置 ，如图4-1所示。TD（3）取下短路器，接上被测负载，用测量线测出最靠近 点的驻波波节点的位置 或TDminD，如图4-1所示。则终端负载输入端到第一个驻波波节点
45、的距离为：min或 iminTdDinmiTdD（4）用测量线测出驻波比 。（5）将测量得到的 、 、 用smith圆图计算负载阻抗归一化值 。gin LZ2.阻抗匹配在测量线路的测量线与被测负载之间加入调配器，如图4-3所示。用最小点跟踪法进行调配（在调节过程中始终跟踪最小点的变化） ，使驻波比 。1.被测负载短路器测量线指示器信号源 隔离器 吸收式波长计可变衰减器- 25 -图 4-2 阻抗测量框图图4-3 阻抗调配框图五、数据处理与表格1.阻抗测量gTD或mini或mindiLZ2.阻抗匹配匹配前驻波比=匹配后驻波比=测量线被测负载指示器信号源 隔离器 吸收式波长计可变衰减器 调配器-
46、26 -实验五 微波功率的测量一、实验目的1.掌握电源方向驻波系数的测量方法。2.学会用微瓦功率计测量微波功率。3. 讨论失配对功率测量的影响，学会误差分析方法。二、实验原理1.电源方向驻波系数 的测量源前面讨论的是负载方向的驻波系数的测量，在微波精密测量中，必须对电源方向的驻波系数进行测量与调配，其测量方法有两种：（1）另取一微波源作为系统的信号源，而将原来的信号源作为负载，按照负载方向驻波系数的测量方法可直接测出电源方向驻波系数。这种方法步骤简单，调配方便，但要求一个辅助信号源，其工作频率须与被测信号源的工作频率严格一致，系统装置比较麻烦。（2）用“可移动短路活塞法”测量，即在测量线后端接
47、可移动短路器，具体步骤为：逐点移动短路器活塞，并随时将测量线探针置于波腹位置，使电表指示a始终为驻波最大值，并记下活塞在不同位置处的电表值 。如果波源方向无反射，即 =1，则在活塞移动时，驻波波a波 腹 源腹的数值不变；如果波源方向有反射，则当活塞移动时，由于源与活塞之间的距离的变化引起入射波与反射波之间的相位变化，所以波腹的场强大小有变化，则电表指示a也会出现周期性的起伏变化。找出波腹最大时的指示 和波腹最小时的指示 ，则有：max波 腹（ ） mina波 腹（ ）（5-maxin波 腹源 波 腹（ ）（ ）1）这是一种简便易行的方法，但须注意，信号源输出端必须使用隔离器或去耦衰减器，以免短
48、路活塞移动时对信号源产生频率牵引。2. 功率测量微波范围内，功率是重要的基本数据，微波功率测量一般可分为两种：（1）绝对功率测量，本实验系统采用GX2C 数显小功率计（配N8 波导功率探头量程“10”即“0.1mW100mW” 范围）及 TS7波导精密衰减器直接给出功率的绝对值。（2）相对功率测量，本实验系统采用微波晶体二极管检波器和选频放大器测出微波功率的相对变化量，即衰减测量。本实验系统采用的功率计可直接测量低于 100mW 的小功率，对于大功率的测量，可采用扩大小功率表量程的方法。常用的有衰减器法，即在功率探头前加接一个功率衰减器，使被测功率降低到规定的电平后再进入功率探头。设 x 为量程扩大倍数，则扩大量程时所需的衰减量- 27 -为：A=10lgx；另外也可采用定向耦合器法来测量。三、实验内容及步骤测试框图如下：图5-1 测试框图分析失配对功率测量的影响：（1）按实验方框图接好系统，将功率计探头直接接在测量线后，仔细调节调配器（）使功率计输出最大；取下功率探头，换接可移动短路器，测出此时的电源方向驻波系数 ，若源1.1，可用跟踪波腹最小点的方法调节调配
