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1、实验一 三厘米波导测量系统一、系统结构框图三厘米信号源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 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：
2、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7.5GHz12.4GHz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
3、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（外输入脉冲信号，具有极性变换功能）及外整步。（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
4、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，
5、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，40Hz400Hz；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. 注意事项：1.仪器在一般情况下，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
6、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
7、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。(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
8、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
9、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
10、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：（c为常数） （1-1）用相对值表示：，则由得晶体检波律n为： （1-2）因此只要以实际测出的读数与按理论计算出的值相比较就可以得到晶体检波器的校准曲线（具体的绘制过程见实验一）。在小信号情况下，一般取n=2。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
11、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反射波场的矢量迭加，即 （1-3）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，为波导波长。驻波系数定义为，则，其中为负载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，为归一化阻抗。从上述式子可知，只要测知传输线上的驻波场分布，就可
12、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
13、调谐。（三）小功率计本实验系统采用GX2C数显小功率计（配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
14、产生温差而形成与输入微波功率成正比的直流电动势。热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
15、，灯亮者为工作显示；（8） 校准因子开关： 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。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
