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1、微波基本参数的测量一、实验目的1、了解各种微波器件；2、了解微波工作状态及传输特性；3、了解微波传输线场型特性；4、熟悉驻波、衰减、波长（频率）和功率的测量；5、学会测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。二、实验原理微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。要对这些参数进行测量，首先要了解电磁波在规则波导内传播的特点，各种常用元器件及仪器的结构原理和使用方法，其次是要掌握一些微波测量的基本技术。、导行波的概念： 由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。导行波的电场E 或磁场H 都是x、y、z 三个方向的函数。导行波可分成以下三种类型：(A) 横电磁波（TEM 波）：
2、TEM 波的特征是：电场E 和磁场H 均无纵向分量，亦即： ,。电场E 和磁场H，都是纯横向的。TEM 波沿传输方向的分量为零。所以，这种波是无法在波导中传播的。(B) 横电波（TE 波）：TE 波即是横电波或称为“磁波”（H波），其特征是 ,而。亦即：电场E 是纯横向的，而磁场H则具有纵向分量。(C) 横磁波（TM 波）：TM 波即是横磁波或称为“电波”(E 波)，其特征是，而。亦即：磁场H 是纯横向的，而电场E 则具有纵向分量。TE 波和TM 波均为“色散波”。矩形波导中，既能传输波，又能传输波（其中m代表电场或磁场在x 方向半周变化的次数，n 代表电场或磁场在y 方向半周变化的次数)。、
3、波导管：波导管是引导微波电磁波能量沿一定方向传播的微波传输系统，有同轴线波导管和微带等，波导的功率容量大，损耗小。常见的波导管有矩形波导和圆波导，本实验用矩形波导。 矩形波导的宽边定为x 方向，内尺寸用a 表示。窄边定为y方向，内尺寸用b 表示。波以圆频率自波导管开口沿着z 方向传播。在忽略损耗，且管内充满均匀介质（空气）下，波导管内电磁场的各分量可由麦克斯韦方程组以及边界条件得到：， ， ，其中，位相常数，波导波长。3、波导管中的微波参数：(1) 临界波长：矩形波导中传播的色散波，都有一定的“临界波长”。只有当自由空间的波长小于临界波长c 时，电磁波才能在矩形波导中得到传播。波或波的临界波长
4、公式为： 。 (2)波导波长和相速V、群速Vc：图1 平面波的传播色散波在波导中的波长用表示。波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速度称为相速V。群速Vc是表示能量沿波导纵向传播的速度，其关系为。因为，波导中电磁波是成“之”字形并以光速传播的。所以，波导波长将大于自由空间的波长。同时，相速V也大于光速C。它们之间的相互关系为： ， 图1 示出了电磁波在波导中传播的方向。(3) 反射系数和驻波比：波导终端接入负载后，由于负载性质的不同，电磁波就将在终端产生不同程度的反射。如用Zc表示传输线的特性阻抗，用ZL 表示负载阻抗。则反射系数为： 可见，反射系数是个复数。当特性阻抗与负载
5、阻抗相等（即接入匹配负载）时： = 0 ,入射波全部被负载吸收而无反射。当终端短路（微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即）时：=1，入射波被负载全部反射。微波技术中，还经常使用驻波比来描述传输线阻抗匹配的情况。波导中驻波比被定义为：波导中驻波电场最大值和电场最小值之比，即: ，驻波比与反射系数之间的关系应为： 。由此，从图2中(a)、(b)、(c)可看出电场在波导中的分布情况。(a) 在负载匹配情况下有： = 0及= 1；波导中传播的是“行波”，其幅值为；(b) 在负载短路情况下有： = 1及；波导中传播的是“纯驻波”，其幅度值为；(c) 在其它任意负载下有：0 1及1 ；波导中传播
6、的是“行驻波”，其幅度 (1+)。传输线的目的是要无损的传输功率，故常希望工作在负载阻抗匹配的情况下。图2 不同负载情况下电场在波导中的分布图(4) 反射系数和驻波比波在无限长的波导管中沿z方向传播，构成行波，现只考虑某时刻t的传输状态，略去因子，则，。若波导不是无限长的均匀导体，则存在反射波，电场由入射波和反射波叠加而成，和分别表示入射波和反射波的振幅，将距离L的原点取在终端负载的反射面上，则上式变为。定义反射系数为波导中某横截面处的电场反射波与入射波之比，即：，其中，R（0）为终端的反射系数，表示在终端反射波与入射波的相位差，。当时，驻波电场达最大值，形成波腹，即：当时，驻波电场大最小值，
7、形成波节，即：驻波比定义为波导中驻波最大值与最小值之比，即：4、波的特点：a 电场仅有分量，表明电场矢量总是垂直于波导宽边a，而表明磁场矢量在平行于波导宽边的平面内。b 电磁场沿y方向是均匀的，而在x方向形成驻波通常以脚标m,n分别表示在波导宽边和窄边的驻波的个数。c 电磁场在波导的纵向z上形成行波。沿z方向和分布规律相同，即最大处 亦最大，处，场的这种结构是行波的特点，两者相差为。5、波： 由公式可知，矩形波导中临界波长的最大值应出现在m1，n0的情况下（此时：=2a）。这就是波。波被称为矩形波导中的“主波”，也是最简单、最有用的波形。一般矩形波导所激励的都是波。下面将讨论， 波中电磁场的简
8、单结构。(a)电场结构： 波中电场E 只有Ey 分量。其电力线将与x-z 平面处处正交。如图6-2-3所示。在x-y平面内，说明电场强度只与x 有关，且按正弦规律变化。在x0及xa 处（即：波导中的两个窄边上）。在x = a/2 处（即：波导宽边中央），。由于，能量是沿z方向传播的。因此，将沿z方向呈行波状态，并在x = a/2 的纵剖面内， 沿z 轴也是按正弦分布。(b)磁场结构： 波中磁场H 只有及分量。其磁力线将分布在x-z 平面内。由于，和H x 决定着电磁波沿z 方向传播的能量，就必然要求与同相，即沿z 方向在最大处， 也最大，在x 方向上, 是呈正弦分布（与同相）。所以在横截面和纵
9、剖面的分布情况也与相同。图3 矩形波导中H10波的电磁场分布图 在讨论分布时，必须注意到，在z0 的截面上， 沿x 方向是呈余弦变化，即在x=0 及xa 处， 有最大值，而在x = a/2处，则有0。 波场的特点可以归结为： a. 只存在， x ，三个分量； b. 和均按正弦规律分布，按余弦规律分布。因而和同相，并与反相。 图3显示了H10波电磁场在矩形波导中的分布。应当注意到，这些电力线和磁力线的分布情况将随着时间的顺延，而以一定的速度沿z方向在波导中向前移动着。三、实验仪器图4 DH364A00型3cm测量线外形 本实验是使用厘米波中的X波段，其标称波长为3.2cm，中心频率为9375MH
10、z。其它主要设备有： 1、测量线：三厘米驻波测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。其内腔尺寸为a22.86mm，b10.16mm。其主模频率范围为8.609.6GHz，对于TE10波而言，截止波长45.72mm，截止频率为6.557GHz。开槽直波导位于波导宽边的正中央，平行于波导轴线，不切割高频电流，因此对波导内的电磁场分布影响很小，开槽波导中的场由不调谐探针取样，探针感应出的电动势经过晶体检波器变成电信号输出，可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息。实验中就是通过探测测量线中电磁场的分布达到测量微波的各种参数目的。2、直波导管：型号为BJ100，其内腔尺寸为a22.86mm，b10.16mm
11、。其主模频率范围为8.2012.50GHz，对于TE10波而言，截止波长45.72mm，截止频率为6.557GHz，实验中作为连接件使用。3、隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性。实验中隔离器用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。4、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，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。5、波长表：电磁波通过耦合孔从波导进入波长表的空腔中，当波长表的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微
12、弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，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，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振波长。6、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。7、单螺调配器：插入矩形波导中的一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，通过调节探针的位置使负载与传输线达到匹配状态。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
13、在系统中引起的反射而达到匹配。8、功率计：本实验使用DH4861B型微瓦功率计来测量微波功率。当功率计探头接入系统终端时，就构成了微波系统的负载。探头内装有铋锑热电偶，可将微波产生的热能转换成电能，并直接由功率计表头上的读数得知被测功率值。 功率计由功率探头和指示器两部分组成，功率探头是一个依据能量守恒定律，将微波功率线性地装换成直流电压的换能器。指示器是一台高增益、低噪音的直流电压放大器，放大功率探头提供的微弱信号，用数字电压显示功率值。功率探头是利用热电效应将射频功率线性地装换成热电势输出。其中的射频直流转换部分：主要是由热元件及匹配的散元件组成，热电元件采用真空镀膜技术，在介质薄膜上形成
14、热电偶堆，在同轴结构的电磁场中，它既是终端的吸收负载，又是热电转换元件，电磁波从同轴传输线部分输出，消耗在热元件上使热电堆上两个热点节的温度上升，产生与所加射频能量成正比的热电动势，该电势送入指示器进行放大，做读数指示。 9、可变短路器：可变短路器是由短路活塞与传动读数装置构成的，是一个可变电抗。10、环形器：环形器是一种具有非互易性的分支传输系统。Y型环形器是常用的一种，在其中心“截区”置有一块横向磁化的铁氧体，保证功率的单向循环流通。 11、固态信号源：固态信号源产生微波信号输出，实现内方波周制，由体效应管振荡器、可变衰成器、PIN调制器等元件构成。在使用过程中注意体效应管电压。 12、选
15、频放大器：主要用于放大微弱低频交流信号，配合微波测量线用于交流信号驻波比测量。四、实验内容1、驻波比测量产生驻波的原因是由于负载阻抗与波导特性阻抗不匹配。因此，通过对驻波比的测量，就能检查系统的匹配情况，进而明确负载的性质。使用测量线测试驻波比，可直接由测量线探针分别处于驻波波腹及波节位置时的电流表读数 及,求出驻波比。但是为了提高检测灵敏度，最好还是将微波信号源加以1KC的方波信号进行调制。此信号由选频放大器放大。在其指示电表上就能读出有关的电流值、分贝值或是直接读出驻波比值。本实验一般都是在小信号状态下进行测试，为此检波晶体二极管都是工作在平方律检波区域（检波电流），故应有：本实验是在小信号状态下进行测试的，这时驻波测量线中的检波晶体二极管工作在平方律检波区域，检波电流，可设：，因此：通过测量测量线开槽波导中微波驻波波腹处和波节处的最大电压值及最小电压值，就可以计算出波导中微波驻波的驻波比。步骤：（1）按图5所示的框图连接成微波实验系统。（2）开启微波信号源（DH1121C），工作方式选择“方波”，点频方式，频率99.5GH
