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1、实验二、 3cm 波导测试系统硬件实验 班级： 学号： 姓名： 报告日期： 一、 实验目的：1. 学习波导理论，掌握矩形波导 TE10 基本设计方法及波导内的电磁波传播特性；2. 理解行波，纯驻波，驻波的工作状态；以及纯驻波的 波腹波节变化，及 波/4g/2g长阻抗不变性。二、 实验原理（略）2.1 矩形波导中主模 TE10传输模式及其场分布由于矩形波导的四壁都是导体,根据边界条件波导中不可能传输 TEM 模,只能传输 TE或 TM 模。这里只分析 TE 模(Ez=0 ，Hz)，对于 TE 模只要解 Hz 的波动方程。即222000zzczHkxy式 3对于 TE10 模，根据式 2 可得：图
2、 1 矩形波导场结构图由图 1 可见, 场的各个分量沿宽边 a 只变化一次,即有一个半驻波分布 ,是沿窄边 b 均匀分布,这是因为 m=1 及 n=0 的缘故,故 m 表示场分布沿波导宽边方向的半驻波个数,n 表示场分布沿波导窄边方向的半驻波个数。对于 3cm 波导，在尺寸为 的22.8610.mab矩形波导中，传输 TE10 模，工作频率 10GHz。主要参数如下：截止波长： ；cTE102.86()a截止频率： 108930106.510(Hz)2.cf波导波长： 1022023103.9710(m)()(6.5)gTEcf波阻抗： 10TE274.()cZf三、实验内容：如图 2，连接实
3、验器件，构成 3cm 波导测试系统。图 2 波导测试系统测量实验连接图波导测试系统的终端负载，依次采用开口，反射板，喇叭天线，以及匹配负载四种情况进行测试。自由空间波长和波导波长的测量，实验主要过程如下：1. 给 Gunn 振荡器加电，工作频率在 10GHz，给 PIN 调制器送 1 KHz、2Vp-p 的方波。2. 调节可调衰减器到 10dB，调节 SWR 表使其指示在中间刻度位置。3. 调节方波发生器的频率，从而使 SWR 的指示最大。4. 当反射板放在波导的开口前方，反射板垂直于波导。移动反射板时，驻波图形将由于反射板的变化而发生变化。驻波的变化是通过开槽测量线的探头检测的。移动反射板，
4、寻找两个相邻的最小检测值的点，此两点的距离对应自由空间的半波长。5. 将开槽测量线的出口用短路板盖住，调节开槽测量线并定位出输出电压最低的点，从此点开始寻找相邻的另一个电压最低的点。6. 终端为开口情况，以及接喇叭天线情况，测量波导波长情况同步骤 4，5.反射板电 源耿氏振荡器 PIN 调制器可变衰减器方波发生器选频放大器 (SWR)测量线频率计 直波导表 1 波导波长的测量值和计算值的比较终端 开口 短路板 喇叭天线位置 1（mm） （第一波腹值） 0 0 0位置 2（mm） （第一波谷值） 11.40 11.65 11.79位置 3（mm） （第二波腹值） 20.81 22.08 22.7
5、8位置 4（mm） （第二波谷值） 29.93 30.15 32.00输出电压最大值（mV） 230 650 425计算的 g 45.23 50.60 53.287. 波导测量线终端为开口情况，通过选频放大器)观测输出电压最大值 等参数，有无变化，给出解释。并和终端接喇叭天线，终端接短路负载的测量进行比较，给出分析。答：终端为开口情况时，输出电压地最大值比短路情况时小很多，移动 SWR，基本上没有变化；接上喇叭天线时这个电压就要变大，主要时因为喇叭是回收的信号变化多，所以电压最大值变大。8. 终端接匹配负载，通过选频放大器(SWR)观测驻波比等参数，有无变化，给出解释。答：通过实验可以观测出驻
6、波比等参数有微弱的变化，引起变化的原因应该是仪器本身的误差和我们操作的一些错误习惯引起的。四、 实验报告要求1、 写清学号、姓名、班级及实验名称。2、 简略写出实验原理，实验步骤，给出实验数据及必要的计算，并给出必要的分析。3、 回答出五、实验中主要问题。4、 写出实验体会。五、 实验中主要问题：1、 试定性解释为什么空心金属波导中不能传输 TEM 波。 答：从求解导波场的方程可以看出，TEM 波对应 KC=0 的情况，TEM 导波场满足二维拉氏方程，又因为，可以看做二维静电场问题的解，所以 TEM 导波场与静态场相似，可以在导体之间传输（如传输线等） ，空心金属波导属单一导体因而不能传输TE
7、M 波。另一方面，若金属波导内有 TEM 波，磁场线为横截面内的闭合线，产生轴向电流（传导电流或位移电流）而金属波导中不可能有传导电流而位移电流也为0（电场在横截面内） ，所以产生矛盾，故空心金属波导不能传输 TEM 波。2、 解释波导测量线开槽为什么选择在宽边的中央？答：因为矩形波导中的主模为 TE10 模,而由 TE10 的管壁电流分布可知,在波导宽边中 线处只有纵向电流.因此沿波导宽边的中线开槽不会因切断管壁电流而影响波导内的场分 布,也不会引起波导内电磁波由开槽口向外辐射能量。3、 波导测试系统工作的主模是什么？工作频率是多少？主要几何尺寸 a、b 是多少，波导波长是多少？波导阻抗是多
8、少？答：主模是 TE10 模，工作频率是 6.56GHz, a=22.86mm、b=10.16mm ，波导波长是3.97mm ，R=499.3ohm 。4、 波导测量线终端接匹配负载，通过选频放大器观测输出电压最大值等参数，有无变化，给出解释。答：理论上应该是没有变化的，但是通过实验可以观测出驻波比等参数有微弱的变化，引起变化的原因应该是仪器本身的误差和我们操作的一些错误习惯引起的。5、 波导测量线终端接短路负载，通过选频放大器观测输出电压最大值等参数，有无变化，并给出波导波长的测量值，测量结果与理论结果比较，并给出解释。答: 理论上应该是没有变化的，但是因为实际操作存在系统误差及随机误差等原
9、因，以至于测量结果比理论值略小。6、 波导测量线终端分别为开口情况，喇叭天线，通过选频放大器观测输出电压最大值等参数，有无变化，给出解释。测量线终端开口和终端接喇叭天线，以及终端接短路负载的测量进行比较，给出分析。答：在终端接开口和喇叭时，电压最大值等参数有一些微小的变化，其中喇叭天线的变化又要比开口的变化略大，这是因为喇叭天线回收的信号要比开口多的缘故，但是变化最大的是终端接短路负载的时候，这主要是因为短路负载将所有的信号反射了回去，所以电压最大值变化最大。六、 实验体会经过一学期对电磁场与电磁波的学习，今天是我们第一次通过实验来学习电磁场与电磁波，通过这次实验，我对电磁场的认识又加深了。事实上，实验课的操作其实不是很难。但是都是建立在对理论知识的熟悉上的，实验课只是在为了加强对理论知识上的认识。所以对理论还是要认真学习，才能在实验课上收获最大。
