实验 微波的传输特性和基本测量

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1、实验微波的传输特性和基本测量实验目的1、了解电磁波在矩形波导中传播的特点，学会用驻波测量线测量波的纵向分布。2、掌握一些微波基本量的测量基本技术，学会测量驻波比、波导波长、检测信号频率等。3、学会阻抗调配。实验仪器微波窄带扫频信号源、衰减器、频率计（波长计）、驻波测量线等。一、实验原理微波是指波长范围在，即频率范围在的电磁波。微波信号系统中最基本参数有频率、驻波比、功率等。1．矩形波导及其中的波：矩形波导是一个横截面为矩形的均匀、无损耗的波导管。如下图1。本实验室使用的是国际通用的标准波导，其内壁尺寸为：。波导中传播的电磁波被完全局限在波导管内。xyz

2、探针图1矩形波导结构图假设矩形波导管内壁为理想导体且波导沿z轴方向为无限长，由麦克斯韦电磁理论可求得矩形波导中波的各电磁场分量为：zx图2波的电场分量分布图波导中电磁场的电场强度分布如图2所示。电磁场的结构具有以下特性：⑴，电场在z方向无分量，为横电波；⑵电磁场沿x方向为一个驻立半波，沿y方向为均匀分布；⑶电磁场沿z方向为行波状态，在该方向，电磁场分量与的分布规律相同。微波窄带扫频信号源衰减器转换器频率计驻波测量线终端电流计2．实验装置标准短路片待测阻抗匹配负载阻抗调配器其它元件：3．传输线的特性参量与工作状态：在波导中常用相移常数、波导波长、驻波系数

3、等特性参量来描述波导中的传输特征，对于矩形波导中的波：自由空间波长：截止波长：波导波长：相移常量：反射系数：驻波比：由此可见，微波在波导中传输时，存在着一个截止波长，波导中只能传输的电磁波。波导波长大于自由空间波长。在实际应用中，传输线并非是无限长，此时传输线中的电磁波由入射波与反射波迭加而成，传输线中的工作状态主要决定于负载的情况。波导终端接上负载后，由于负载反射电磁波性质的不同，电磁波在终端产生不同程度的反射。微波技术中，常用驻波比来描述传输线阻抗匹配的情况。驻波比与反射系数之间的关系为：由于，则的值在之间。⑴波导终端接匹配负载时，微波功率全部被负

4、载吸收，无反射波，波导中呈现行波状态。此时有：；⑵波导终端接标准短路片（即理想导体板）时，形成全反射，波导中呈现出纯驻波状态，此时有：⑶波导终端接一般性负载时，形成部分反射，波导中呈现出驻波状态，此时。二、实验内容实验测量过程中，打开信号源的电源，调节与波导连接的衰减器，使在波导中传播的电磁波能量大小适中。调节方法：在波导终端接上标准短路片，将驻波测量线的探针移至使电流表示值为极大时对应的位置，此位置即为波导中驻波的波腹，调节衰减器使电流计示值达到最大，但不超出量程。1．微波频率的测量微波的频率是表征微波信号的一个重要物理量。本实验中采用吸收式频率计进

5、行测量。吸收式频率计的测量工作原理：当调节频率计，使其自身空腔的固有频率与微波信号频率相同时，则产生谐振，吸收式频率计对微波有最大的吸收，此时连接在微波通路上的电流计的示值有明显的减小，以减幅最大作为判断频率测量的依据。微波频率的测量过程：在波导终端接上标准短路片，将探针移至某一波腹位置处，此时作检测用的电流计的示值为最大，仔细调节频率计，当电流计示值减小到最小时，吸收式频率计对通过的微波达到谐振吸收状态，频率计对应的读数即为微波信号的频率。2．驻波比的测量驻波比，定义为波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场之比。即式中分别表示波导中驻波极大值点与驻波

6、极小值点的电场强度。实验中通常采用驻波测量线来测定波导波长和驻波比。驻波测量线的探针是用于探测波导中的电场分布，由探针探测，经检波晶体（微小二极管）转换成检波电流由电流计显示。实验前应注意驻波测量线的谐振，使其有最佳灵敏度。实验中微波信号比较弱，驻波测量线中的检波二极管符合在平方律检波，即。则驻波比测量依据公式为即使用驻波测量线测量驻波比，是通过移动测量线的探针分别处于驻波波腹及波节位置，由对应的和求得驻波比。①短路测量：在波导终端接上标准短路片，测量此时的驻波比；②观察行波状态：在波导终端接上匹配负载（又称为终端负载），测量此时的驻波比。3．波导波长

7、的测量波导波长在数值上为相邻两个驻波极值点（波腹或波节）距离的两倍。在波导终端接上不匹配的负载（例如：标准短路片）时，波导中形成驻波，使用测量线探针的移动，测出相邻两个波节点位置坐标和，即可由下式计算波导波长实际采用测定驻波极小点的位置来求出波导波长。考虑到驻波极小点附近变化平缓，因而测量值不够准确。为此，测量时通常不采取直接测量驻波极小点位置的方式，而是通过平均值法（也称为等电位法）间接测量，亦即测极小点附近两点（此两点检波显示电流计上的读数相等）的坐标，然后取这两点坐标的平均值，即得极小点坐标。如上图所示。两相邻极小点的距离为半个波导波长，测量计算

8、式由上式可改为由上面实验测得的波导波长，通过公式计算出待测微波信号在自由空间的波长，再由波长与