物理实验教程一近代物理失检 调整波导测量线主要是选择合适的探针穿入深度和调谐探头。其基本方法为:在图 2-1-5所示的微波测量系统中,波导测量线输出端直接连接匹配负载,先调节探针的穿入 深度适当(通常取1.0~2.0mm),再移动探针至波导测量线中间部位,调节探头活塞,直 到输出指示值最大。 (3)调节微波测量系统匹配 调节微波测量系统匹配是微波测量中必不可少的工作内容。采用波导测量线调节微 波测量系统法到匹配状态的基本方法是,调大肆波极小点的E有到其最大,或调小非波 极大点的E直到其最小。例如,调大驻波极小点的E的方法是:将波导测量线的探针 放在驻波极小点处,调节接在波导测量线输出端的调配元件,使探针的输出指示值稍微增 大(注意不要增大太多,否则会发生波形移动假象,这时极小点处电场可能并未增大),通 过左右移动探针查看极小点的E是否真正增大。这样反复调节调配元件,使极小点的 E一逐步增大直到其最大,则微波测量系统达到最佳匹配状态。 采用波导测量线来调节微波测量系统匹配状态的实验装置如图2-1-8所示,反复调节 单螺钉调配器,直到到微波测是系统达到最佳匹配状态,记录调节时程中的相关数据,如螺 钉插入深度、沿槽位置与驻波极值点的指示值等,并分析它们之间的变化规律。 微波倍号源 达频放大器 隔离器一屠振整波长表可变煮诚器波导测量线单螺钉调配器匹配负载 图2-1-8调节微波测量系统匹配的实验装置 2.观测波导中微波的电场分布 在如图2-1-8所示的微波测量系统中,改变波导测量线终端的负载状态,使矩形波导 中传播的微波分别为行波状态、行驻波状态和纯驻波状态时,观测TE。波的电场分量在 轴向方向上的分布。 ()在最佳匹配状态下,测出整段波导测量线中微波电场分量的分布。为保证电场 分布曲线(检波电流或电压与探针位置关系曲线)的测量精度,需要合理选择探针位置的 步长 2)调节单螺钉调配器,使波导测量线终端处于一般负载状态,测出整段波导测量线 中微波电场分量的分布。 (3)波导测量线终端接短路片、开路或接纯电抗性负载时,测出整段波导测量线中微 波电场分量的分布。 (4)分析波导在三种工作状态下的电场分布规律。 3.测量微波频率 (1)在如图2-1-8所示的微波测量系统中,微波信号源选择“调幅”工作方式,探针位 于波导测量线中的任一个位置上,调节单螺钉调配器,使选频放大器的示数在满刻度的 2/3以上。 (2)旋转谐振腔波长表的螺旋测微头,记录谐振腔波长表的示数和对应的选频放大 器的示数,测出如图2-1-6(b)所示的谐振曲线,确定谐振频率对应的谐振腔波长表的示 数,再从谐振腔波长表的频率与刻度曲线上查出对应的待测微波频率。 54
— 54 — 调整波导测量线主要是选择合适的探针穿入深度和调谐探头.其基本方法为:在图 2G1G5所示的微波测量系统中,波导测量线输出端直接连接匹配负载,先调节探针的穿入 深度适当(通常取1.0~2.0mm),再移动探针至波导测量线中间部位,调节探头活塞,直 到输出指示值最大. (3)调节微波测量系统匹配. 调节微波测量系统匹配是微波测量中必不可少的工作内容.采用波导测量线调节微 波测量系统达到匹配状态的基本方法是:调大驻波极小点的Emin直到其最大,或调小驻波 极大点的Emax直到其最小.例如,调大驻波极小点的Emin的方法是:将波导测量线的探针 放在驻波极小点处,调节接在波导测量线输出端的调配元件,使探针的输出指示值稍微增 大(注意不要增大太多,否则会发生波形移动假象,这时极小点处电场可能并未增大),通 过左右移动探针查看极小点的Emin是否真正增大.这样反复调节调配元件,使极小点的 Emin逐步增大直到其最大,则微波测量系统达到最佳匹配状态. 采用波导测量线来调节微波测量系统匹配状态的实验装置如图2G1G8所示,反复调节 单螺钉调配器,直到微波测量系统达到最佳匹配状态,记录调节过程中的相关数据,如螺 钉插入深度、沿槽位置与驻波极值点的指示值等,并分析它们之间的变化规律. 图2G1G8 调节微波测量系统匹配的实验装置 2.观测波导中微波的电场分布 在如图2G1G8所示的微波测量系统中,改变波导测量线终端的负载状态,使矩形波导 中传播的微波分别为行波状态、行驻波状态和纯驻波状态时,观测 TE10波的电场分量在 轴向方向上的分布. (1)在最佳匹配状态下,测出整段波导测量线中微波电场分量的分布.为保证电场 分布曲线(检波电流或电压与探针位置关系曲线)的测量精度,需要合理选择探针位置的 步长. (2)调节单螺钉调配器,使波导测量线终端处于一般负载状态,测出整段波导测量线 中微波电场分量的分布. (3)波导测量线终端接短路片、开路或接纯电抗性负载时,测出整段波导测量线中微 波电场分量的分布. (4)分析波导在三种工作状态下的电场分布规律. 3.测量微波频率 (1)在如图2G1G8所示的微波测量系统中,微波信号源选择“调幅”工作方式,探针位 于波导测量线中的任一个位置上,调节单螺钉调配器,使选频放大器的示数在满刻度的 2/3以上. (2)旋转谐振腔波长表的螺旋测微头,记录谐振腔波长表的示数和对应的选频放大 器的示数,测出如图2G1G6(b)所示的谐振曲线,确定谐振频率对应的谐振腔波长表的示 数,再从谐振腔波长表的频率与刻度曲线上查出对应的待测微波频率
微波测量技术实验第2章 (3)在微波信号源工作频率范围内合理选择5个以上频率点,用谐振腔波长表测量 出对应的频率:绘制微波信号源显示频率与谐振腔波长表所测频率的关系曲线,并进行 分析。 4.测量波导波长 (1)在如图2-1-8所示的微波测量系统中,波导测量线的输出端直接连接可变短路 器,使用波导测量线采用“交又读数法“测量波导波长。 (2)使用可变短路器采用“交叉读数法”直接测量波导波长。 (3)比较分析上述两种方法测出的波导波长的差别,并解释产生差别的原因 (4)根据测出的波导波长计算顺率、相速度和群速度。 二、设计性实验内容 根据现有实验条件,设计实验方案利用微波测量光速。 实验要求为:阐述实验基本原理和方法,说明测量系统组成和基本实验步骤,进行实 际实验测量,选择合理方法处理实验数据,分析与讨论实验结果】 【注意事项】 (1)在一般测量情况下,微波信号源开机就能工作,但若要做精确测量,需预热30 min后使用。 (2)开启微波信号源前,可变衰减器应有较大的衰减量(20~30B);测量过程中,若 指示仪器电表超过满刻度或无指示,则可调整可变衰减器的衰诚量或指示仪器的灵敏度。 (3)在保证一定灵敏度的前提下,波导测量线耦合探针的穿入深度应尽可能小,以减 少探针分流电导引起的测量误差。 (4)选频放大器读数电表的机械调零应在电源关闭时进行。 (⑤)移动波导测量线探针和可变短路器调谐短路活塞的位置进行测量时,应注意避 免回程误差。 ()整个微波测量系统中所有议器的接地端需接在同一公共接地端上,并保证接触 良好。 【思考与讨论】 (1)微波信号源有哪几种工作状态?应分别选用什么仪表作指示仪器? (2)为什么有时品体检波器在微波信号源和检波二极管都完好的情况下会出现输出 信号很小的现象?如何调节? (3)微波测量系统匹配调节的实质是什么? (4)在微波测量系统中用吸收式谐振腔波长表测量频率后,为什么要使谐振腔波长 表失谐? (⑤)测量波导波长的主要误差来源有哪些?为什么要选择波节点来测量? 【参考文献】 [1]顾继慧.微波技术,北京:科学出版社,2014. [2]赵春晖.微波技术一测量与仿真.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2013. [3]彭沛夫.微波技术与实验.北京:清华大学出版社,2007. -55
— 55 — (3)在微波信号源工作频率范围内合理选择5个以上频率点,用谐振腔波长表测量 出对应的频率;绘制微波信号源显示频率与谐振腔波长表所测频率的关系曲线,并进行 分析. 4.测量波导波长 (1)在如图2G1G8所示的微波测量系统中,波导测量线的输出端直接连接可变短路 器,使用波导测量线采用“交叉读数法”测量波导波长. (2)使用可变短路器采用“交叉读数法”直接测量波导波长. (3)比较分析上述两种方法测出的波导波长的差别,并解释产生差别的原因. (4)根据测出的波导波长计算频率、相速度和群速度. 二、设计性实验内容 根据现有实验条件,设计实验方案利用微波测量光速. 实验要求为:阐述实验基本原理和方法,说明测量系统组成和基本实验步骤,进行实 际实验测量,选择合理方法处理实验数据,分析与讨论实验结果. 【注意事项】 (1)在一般测量情况下,微波信号源开机就能工作,但若要做精确测量,需预热30 min后使用. (2)开启微波信号源前,可变衰减器应有较大的衰减量(20~30dB);测量过程中,若 指示仪器电表超过满刻度或无指示,则可调整可变衰减器的衰减量或指示仪器的灵敏度. (3)在保证一定灵敏度的前提下,波导测量线耦合探针的穿入深度应尽可能小,以减 少探针分流电导引起的测量误差. (4)选频放大器读数电表的机械调零应在电源关闭时进行. (5)移动波导测量线探针和可变短路器调谐短路活塞的位置进行测量时,应注意避 免回程误差. (6)整个微波测量系统中所有仪器的接地端需接在同一公共接地端上,并保证接触 良好. 【思考与讨论】 (1)微波信号源有哪几种工作状态? 应分别选用什么仪表作指示仪器? (2)为什么有时晶体检波器在微波信号源和检波二极管都完好的情况下会出现输出 信号很小的现象? 如何调节? (3)微波测量系统匹配调节的实质是什么? (4)在微波测量系统中用吸收式谐振腔波长表测量频率后,为什么要使谐振腔波长 表失谐? (5)测量波导波长的主要误差来源有哪些? 为什么要选择波节点来测量? 【参考文献】 [1] 顾继慧.微波技术.北京:科学出版社,2014. [2] 赵春晖.微波技术———测量与仿真.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2013. [3] 彭沛夫.微波技术与实验.北京:清华大学出版社,2007.
物理实验教程一近代物理实检O [4]王琦.电磁场与微波技术实验教程,北京:北京邮电大学出版社,2013. [5]赵东风,黎鹏.微波系统实验教程.昆明:云南大学出版社,2010. [6]Pozar David M.微波工程.张肇仪,周乐柱,吴德明,等译.北京:电子工业出版 社.2006. [7]袁广字,李光源.用微波实验测定光速.准北煤炭师范学院学报,2005,26(2): 88-89. [8]李明标,张健,赵梦遥.应用微波驻波法测光速.渤海大学学报(自然科学版), 2010,31(1):70-72. 实验2-2微波品体检波律测定与驻波比测量 在微波传播过程中因负载阻抗与波导特性阻抗不匹配而产生驻波,驻波比是描述驻 波特性和表征系统匹配程度的基本参量。通过驻波测量,不仅可以了解微波传输线上的 场分布,而且可以测量波长,阻抗、相移量、衰诚量、Q值等其他参量。因此,微波驻波的测 量是微波测量中最基本、最重要的内容之一。在微波测量系统中,品体检波器是微波测量 的基本器件,需要测量的微波信号通过品体检波器中的品体二极管检波后,转换为直流或 低频电流信号送至指示仪器,指示仪器的示数是检波电流的有效值。一般晶体检波器的 检波电流与所测的微波高频电压之间的关系是非线性的,因此要准确测出驻波比等参量 必须知道晶体检波器的检波特性,通过测量驻波来确定晶体检波特性是一种常用的方法 本实验重点学习通过测量驻波来测定品体检波律的原理与技术,以及测量驻波比的3种 常用方法一直接法、等指示度法和功率衰减法。 【实验目的】 (1)了解晶体检波器的基本结构和工作原理,学会测定晶体检波律的基本方法和 技术。 (2)理解波导中的驻波特性,掌握直接法、等指示度法和功率衰减法测量驻波比的基 本原理和方法。 【预习要求】 (1)在微波测量系统中品体检波器的作用是什么? (2)什么是晶体检波律?在微波测量中为什么要测定品体检波律?有哪些基本测量 方法? (3)波导在什么工作状态下会传播驻波?用哪些物理量来描述驻波特性?怎样调整 微波测量系统来产生不同特性的驻波? (4)什么是驻波比?测量驻波比有哪些基本方法? 56-
— 56 — [4] 王琦.电磁场与微波技术实验教程.北京:北京邮电大学出版社,2013. [5] 赵东风,黎鹏.微波系统实验教程.昆明:云南大学出版社,2010. [6] PozarDavidM.微波工程.张肇仪,周乐柱,吴德明,等译.北京:电子工业出版 社,2006. [7] 袁广宇,李光源.用微波实验测定光速.淮北煤炭师范学院学报,2005,26(2): 88G89. [8] 李明标,张健,赵梦遥.应用微波驻波法测光速.渤海大学学报(自然科学版), 2010,31(1):70G72. 实验2G2 微波晶体检波律测定与驻波比测量 在微波传播过程中因负载阻抗与波导特性阻抗不匹配而产生驻波,驻波比是描述驻 波特性和表征系统匹配程度的基本参量.通过驻波测量,不仅可以了解微波传输线上的 场分布,而且可以测量波长、阻抗、相移量、衰减量、Q 值等其他参量.因此,微波驻波的测 量是微波测量中最基本、最重要的内容之一.在微波测量系统中,晶体检波器是微波测量 的基本器件,需要测量的微波信号通过晶体检波器中的晶体二极管检波后,转换为直流或 低频电流信号送至指示仪器,指示仪器的示数是检波电流的有效值.一般晶体检波器的 检波电流与所测的微波高频电压之间的关系是非线性的,因此要准确测出驻波比等参量 必须知道晶体检波器的检波特性,通过测量驻波来确定晶体检波特性是一种常用的方法. 本实验重点学习通过测量驻波来测定晶体检波律的原理与技术,以及测量驻波比的3种 常用方法———直接法、等指示度法和功率衰减法. 【实验目的】 (1)了解晶体检波器的基本结构和工作原理,学会测定晶体检波律的基本方法和 技术. (2)理解波导中的驻波特性,掌握直接法、等指示度法和功率衰减法测量驻波比的基 本原理和方法. 【预习要求】 (1)在微波测量系统中晶体检波器的作用是什么? (2)什么是晶体检波律? 在微波测量中为什么要测定晶体检波律? 有哪些基本测量 方法? (3)波导在什么工作状态下会传播驻波? 用哪些物理量来描述驻波特性? 怎样调整 微波测量系统来产生不同特性的驻波? (4)什么是驻波比? 测量驻波比有哪些基本方法?
微波测量技术实验第2章 【实验原理】 一、晶体检波律的测定 在微波测量系统中,微波信号通常是经过品体二极管检波后送至指示仪器的,所以从 指示仪器上读到的是检波电流的有效值而不是微波高频电压。品体二极管(crystal diode)是一种非线性元件,检波电流I与微波高频电压U的关系一般是非线性的,即 I=CI (2-2-1) 式中,C是比例常数:n是晶体检波律,n=1称为直线律,n=2称为平方律,一般n不是 整数。 检波律与品体检波器的特性及工作状态有关,一般在小信号时近似平方律,大信号时 近似直线律。它也会随工作温度、湿度、时间等条件的变化而发生变化。因此,在精密测 量驻被比等微波参量中必须先测定检波律对品体检波器讲行定标(校准)。酒过测量驻 波来测定晶体检波律是常用的晶体检波器定标的方法,简称为驻波法。驻波法一般又可 分为测量相对检波电流与相对场强关系曲线法和测量半高点法。 1,测量相对检波电流与相对场强关系曲线法 一般波导损耗很小,若忽略波导损耗和探针负载的影响,则当终端短路时波导中驻波 的电场强度大小E(复数的模)的分布可表示为: E=E.sin(2) (2-2-2) 式中,E。为波腹处的电场强度:d为与驻波波节之间的距离:入:为波导波长。因为检波品 体二极管的电压U正比于探针所在位置的电场强度E,根据式(2-21)和式(2-2-2)检波电 流的相对值【可表示为: 1-()-[m(] (2-2-3) 式中,1m为波腹处的检波电流。将式(2-2-3)取对数,则有: in(] (2-2-4) 式(224)表明相对检波电流1与相对场强m)在双对数坐标中是线性关系,斜车 就是晶体检波律。因此,在从波节到波腹的入/4范围内,移动波导测量线探针并逐点 测出距离:与相应的检波电流1:,绘制相对检波电流与相对场强的关系曲线即晶体检波 特性曲线,即可计算出n。 2.测量半高点法 通过测量半高点之间的距离来测定品体检波律也是品 体检波器定标的常用方法。如图2-21所示,在波导测量线 终端接短路片,测量驻波极大值,然后在极大值两边测量半 高点(即驻波极大值的一半)之间的距离,由此可计算出晶 体检波律为: 图2-2-1测量半高点法 -57
— 57 — 【实验原理】 一、晶体检波律的测定 在微波测量系统中,微波信号通常是经过晶体二极管检波后送至指示仪器的,所以从 指示仪器 上 读 到 的 是 检 波 电 流 的 有 效 值 而 不 是 微 波 高 频 电 压.晶 体 二 极 管 (crystal diode)是一种非线性元件,检波电流I 与微波高频电压U 的关系一般是非线性的,即 I=CUn (2G2G1) 式中,C 是比例常数;n 是晶体检波律,n=1称为直线律,n=2称为平方律,一般n 不是 整数. 检波律与晶体检波器的特性及工作状态有关,一般在小信号时近似平方律,大信号时 近似直线律.它也会随工作温度、湿度、时间等条件的变化而发生变化.因此,在精密测 量驻波比等微波参量中必须先测定检波律,对晶体检波器进行定标(校准).通过测量驻 波来测定晶体检波律是常用的晶体检波器定标的方法,简称为驻波法.驻波法一般又可 分为测量相对检波电流与相对场强关系曲线法和测量半高点法. 1.测量相对检波电流与相对场强关系曲线法 一般波导损耗很小,若忽略波导损耗和探针负载的影响,则当终端短路时波导中驻波 的电场强度大小E(复数的模)的分布可表示为: E =Emsin( 2πd λg ) (2G2G2) 式中,Em 为波腹处的电场强度;d 为与驻波波节之间的距离;λg为波导波长.因为检波晶 体二极管的电压U 正比于探针所在位置的电场强度E,根据式(2G2G1)和式(2G2G2)检波电 流的相对值Irel可表示为: Irel= I Im = ( E Em ) n = sin( 2πd λg ) é ë ê ê ù û ú ú n (2G2G3) 式中,Im 为波腹处的检波电流.将式(2G2G3)取对数,则有: lgIrel=nlgsin( 2πd λg ) é ë ê ê ù û ú ú (2G2G4) 式(2G2G4)表明相对检波电流Irel与相对场强sin( 2πd λg ) 在双对数坐标中是线性关系,斜率 就是晶体检波律n.因此,在从波节到波腹的λg/4范围内,移动波导测量线探针并逐点 测出距离di与相应的检波电流Ii,绘制相对检波电流与相对场强的关系曲线即晶体检波 特性曲线,即可计算出n. 图2G2G1 测量半高点法 2.测量半高点法 通过测量半高点之间的距离来测定晶体检波律也是晶 体检波器定标的常用方法.如图2G2G1所示,在波导测量线 终端接短路片,测量驻波极大值,然后在极大值两边测量半 高点(即驻波极大值的一半)之间的距离,由此可计算出晶 体检波律为:
物理实验教程一近代物理实检. arO lg0.5 0.3010 (2-2-5) 式中,△d为驻波曲线上1=1./2的两点间的距离。 需要特别指出的是,上述方法测得的品体检波特性实际上还含着指示仪器的非线性 在内。在精密测量中,当更换检测仪表时必须重新测定晶体检波特性。另外,晶体检波特 性随时间变化较大,应经常校准晶体检波器。 二、驻波比的测量 驻波比(standing-wave radio,SwR)是微波测量中的一个基本参量。驻波比p是指 在传输线中所形成驻波的电场极大值E与极小值E之比,即 -t (2-2-6) 驻波比可通过测量驻波直接测出,也可通过阻抗衰诚量、相移量、谐振腔的品质因数 介质的介电常数以及微波器件的网络参数等间接测出。实验中通常采用波导测量线进行 驻波比的测量。用波导测量线测量驻波比有多种方法,表2-2-1列出了常用的测量方法和 应用范围。在精确测量驻波比之前,应先根据驻波的极大值和极小值粗略估计驻波比的 大小,再选择合适的方法进一步精确测量。这里只介绍最基本的直接法、等指示度法和功 率哀减法。 表2-21用波导测量线测量驻波比的常用方法 序号 测量方法 应用范围 1 直接法 小、中驻波比p<6 2 等指示度法 中,大驻波比p>6 3 功率减法 任意驻玻比(与品体检被律无关) 4 节点偏移法 任意驻波比(无耗四端网络) 5 滑动小反射负载法 小驻波比 】直接法测受驻波比 直接法适用于测量<6的小、中驻波比。在微波测量系统实际调试中要测量的驻波 比大多在ρ<6的范同内,因此直接法测量驻波比是一种常用的基本方法。 直接法测量驻波比就是直接测出波导测量线上驻波相邻波腹场强极大值E和波节 场强极小值E,实际测出的是相对应的检波电流I和I,由此计算出驻波比。若晶 体检波律为,则驻波比为 (2-2-7) 当晶体检波律为平方律时,n一2。为测量准确起见,可多测几个驻波极大值和极小 值,则驻波比为: (2-2-8) 58
— 58 — n= lg0.5 lgcos( πΔd λg ) é ë ê ê ù û ú ú =- 0.3010 lgcos( πΔd λg ) é ë ê ê ù û ú ú (2G2G5) 式中,Δd 为驻波曲线上I=Im/2的两点间的距离. 需要特别指出的是,上述方法测得的晶体检波特性实际上还含着指示仪器的非线性 在内.在精密测量中,当更换检测仪表时必须重新测定晶体检波特性.另外,晶体检波特 性随时间变化较大,应经常校准晶体检波器. 二、驻波比的测量 驻波比(standingGwaveradio,SWR)是微波测量中的一个基本参量.驻波比ρ 是指 在传输线中所形成驻波的电场极大值Emax与极小值Emin之比,即 ρ= Emax Emin (2G2G6) 驻波比可通过测量驻波直接测出,也可通过阻抗衰减量、相移量、谐振腔的品质因数、 介质的介电常数以及微波器件的网络参数等间接测出.实验中通常采用波导测量线进行 驻波比的测量.用波导测量线测量驻波比有多种方法,表2G2G1列出了常用的测量方法和 应用范围.在精确测量驻波比之前,应先根据驻波的极大值和极小值粗略估计驻波比的 大小,再选择合适的方法进一步精确测量.这里只介绍最基本的直接法、等指示度法和功 率衰减法. 表2G2G1 用波导测量线测量驻波比的常用方法 序 号 测量方法 应用范围 1 直接法 小、中驻波比,ρ<6 2 等指示度法 中、大驻波比,ρ>6 3 功率衰减法 任意驻波比(与晶体检波律无关) 4 节点偏移法 任意驻波比(无耗四端网络) 5 滑动小反射负载法 小驻波比 1.直接法测量驻波比 直接法适用于测量ρ<6的小、中驻波比.在微波测量系统实际调试中要测量的驻波 比大多在ρ<6的范围内,因此直接法测量驻波比是一种常用的基本方法. 直接法测量驻波比就是直接测出波导测量线上驻波相邻波腹场强极大值Emax和波节 场强极小值Emin,实际测出的是相对应的检波电流Imax 和Imin,由此计算出驻波比.若晶 体检波律为n,则驻波比为: ρ= ( Imax Imin ) 1/n (2G2G7) 当晶体检波律为平方律时,n=2.为测量准确起见,可多测几个驻波极大值和极小 值,则驻波比为: ρ= ( I - max I - min ) 1/n = ( Imax1 +Imax2 +Imax3 + Imin1 +Imin2 +Imin3 + ) 1/n (2G2G8)