微波技术基础实验指导书

微波技术基础实验指导书电子信息工程学院微波技术基础实验课程组编2013.021实验一微波测量系统的认识与调试一、实验目的与要求应用所学微波技术的有关理论知识，理解微波测量系统的工作原理，掌握调整和使用微波信号源的方法，学会使用微波测量系统测量微波信号电场的振幅。了解有关微波仪器仪表，微波元器件的结构、原理和使用方法。二、实验内容1．掌握下列仪器仪表的工作原理和使用方法三厘米标准信号发生器（YM1123）、三厘米波导测量线（TC26）、选频放大器（YM3892）。2．了解下列微波元器件的原理、结构和使用方法波导同轴转换器（BD20-9）、E-H面阻抗双路调配器（BD20-8）、测量线（TC26）和可变短路器（BD20-6）等。三、实验原理本实验的微波测试系统的组成框图如图一所示图1它主要由微波信号源、波导同轴转换器、E-H面阻抗双路调配器、测量线和选频放大器主要部分组成。下面分别叙述各部分的功能和工作原理，其它一些微波元器件我们将在以后的实验中一一介绍。1．微波信号源（YM1123）1.1基本功能1.1.1提供频率在7.5～12.5GHz范围连续可调的微波信号。1.1.2该信号源可提供“等幅”的微波信号，也可工作在“脉冲”调制状态。本系统实验中指示器为选频放大器时，信号源工作在1KHz“”方波调制输出方式。信号源波导同轴转换器单螺钉调配器功率探头数字功率计微波频率计E-H面调配器魔T定向耦合器H面弯波导晶体检波器测量线选频放大器可变衰减器21.2工作原理1.2.1本信号源采用体效应振荡器作为微波振荡源。体效应振荡器采用砷化镓体效应二极管作为微波振荡管。振荡系统是一个同轴型的单回路谐振腔。微波振荡频率的范围变化是通过调谐S型非接触抗流式活塞的位置来实现的，是由电容耦合引出的功率输出。1.2.2本信号源采用截止式衰减器调节信号源输出功率的强弱。截止式衰减器用截止波导组成，其电场源沿轴线方向的幅度是按指数规律衰减。衰减量（用dB表示）与轴线距离L成线性关系，具有量程大的特点。1.2.3本信号源用微波铁氧体构成隔离器。在微波测量系统中，一方面信号源需要向负载提供一个稳定的输出功率；另一方面负载的不匹配状态引起的反射破坏信号源工作的稳定性，使幅、频发生改变、跳模等。为了解决这个问题，往往在信号源的输出端接一“单向传输”的微波器件。它允许信号源的功率传向负载，而负载引起的反射却不能传向信号源。这种微波器件称之“隔离器”。这类隔离器在3cm波段可以做到正向衰减小于0.5dB，反向衰减25dB。驻波比可达1.1左右。隔离器上箭头指示方向即为微波功率的正向传输方向。1.2.4本信号源采用PIN管作控制元件，对微波信号进行方波、脉冲波的调制。1.2.5本信号源功率输出端接有带通滤波器。它滤去7.5～12.5GHz频率范围的谐波，使信号源输出信号频谱更纯净。注1：打开信号源的上盖板，即可看到信号源的同轴谐振腔、截止式衰减器、PIN调制器和带通滤波器等结构。注2：有些单位采用本公司生产的YM1124信号发生器。它是9.37GHz点频信号源，采用介质振荡技术。频率稳定度高、输出功率大、有“等幅”和“1KHz”方波两种工作状态。输出为BJ100波导口。2．波导同轴转换器（BD20-9）2.1基本功能提供从同轴输入到波导输出的转换。2.2工作原理波导同轴转换器是将信号由同轴转换成波导传输。耦合元件是一插入波导内的探针，等效于一电偶极子。由于它的辐射在波导中建立起微波能量。探针是由波导宽边中线伸入，激励是对称的。选择探针与短路面的位置，使短路面的反射与探针的反射相互抵消，达到较佳的匹配。3．E-H面阻抗双路调配器（BD20-8）3.1基本功能微波传输（测量）系统中，经常引入不同形式的不连续性，来构成元件或达到匹配的目的。E-H面阻抗调配器是双支节调配器。在主传输波导固定的位置上的E面（宽边）和H面（窄边）并接两个支节。通过调节二个支节的长度以达到系统调配。3.2结构和工作原理E-H面阻抗调配器是由一个双T波导和两只调节活塞组成。调节活塞是簧片式的接触活塞。调节E面活塞，等于串联电抗变化，调节H面活塞等于并联电纳的变化（两者配合使用）。34．微波测量线（TC26）4.1基本功能微波测量线是用来测量微波传输线中合成电场（沿轴线）分布状态（含最大值、最小值和其相对应的位置）的设备。利用微波测量线（系统）可以测得微波传输中合成波波腹（节）点的位置和对应的场幅、波导波长（相波长）和驻波比等参数。微波测量线有同轴测量线和波导测量线。本实验采用波导测量线。4.2结构和工作原理本实验中的测量线采用BJ-100型矩型波导，其宽边尺寸为ａ＝22.86mm，窄边尺寸为ｂ＝10.16mm，频率范围为8.2～12.5GHz。测量线一般包括开槽线、探针耦合指示机构及位置移动装置三部分。当测量线接入测试系统时，在它的波导中就建立起驻波电磁场。众所周知，驻波电场在波导宽边正中央最大，沿轴向成周期函数分布。在矩形波导的宽边中央于它轴的方向开一条狭槽，并且伸入一根金属探针2，则探针与传输波导1电力线平行耦合的结果，必然得到感应电压，它的大小正比于该处的场强，交流电流在同轴腔3组成的探针电路内，由微波二极管4检波后把信号加到外接指示器，回到同轴腔外导体成一闭合回路。因此指示器的读数可以间接表示场强的大小。图2波导测量线工作原理示意图当探针沿槽移动时，指示器就会出现电场强度Emax和Emin。从而求得：minmaxEES＝由标尺指出探针位置可以测出极小点至不连续面的距离dmin，从而可以测量阻抗。调谐活塞5在检波头中使晶体处于驻波的腹点以得到最大指示。检波滑座6用来支持检波头，并可沿轴向移动。在移动时保证探针与波导的相对位置不变。5．选频放大器（YM3892）本实验采用选频放大器对微波二极管的检波电流进行（线性）放大。5316241、传输波导2、探针3、同轴腔4、微波二极管5、调谐活塞6、检波滑座45.1基本功能本选频放大器由四级低噪声运算放大器组成的高增益音频放大和选频网络组成。可使放大电路在“窄带内”对微弱音频信号进行放大，以减小噪声和微波信号源中寄生调频的影响，保证测量的精度。5.2结构和工作原理在信号源内用1KHz的方波对微波信号（如10GHz）进行调幅后输出。此调幅波在测量线内仍保持其微波特征。测量线输出端所接负载的特性决定其分布状态。由小探针检测经微波二极管检波所得的1KHz方波包络表征其微波性能指标。选频放大器则对此1KHz方波进行有效放大。YM3892选频放大器是一个增益60dB，可调带宽40Hz，中心频率1KHz的放大器，满足不同输入幅度的可调。表头指示弧线2条，第一条上标值为线性指示，下为相应的对数（dB）指示。第二条为驻波比指示，上为驻波比1～3，下为3.2～10。6．可变短路器（BD20-6）可变短路器由短路活塞与一套传动读数装置构成。活塞为两节抗流形式，传动丝杆带动活塞作相对于波导轴线移动，并由读数装置上读得其相对行程。改变短路面的位置，也就改变参考面的电抗和电纳，使节点的位置发生偏移。四、实验步骤1．按图1连接微波仪器仪表和微波元器件。将选频放大器的输入端和测量线同轴腔用Q9电缆线相连。接通选频放大器电源开关。2．微波信号源开机后，工作状态的指示灯在最右边位置，此工作状态下没有微波功率输出。由于本实验中指示器为选频放大器，故信号源“重复频率”量程置于“×10”，园盘刻度置于“100”处（在信号源的左中、下角）（调好将不再变动）。信号源面板有“衰减”和“频率”显示值。输出功率由“衰减”调节旋钮调节，顺时针输出减小，逆时针输出变大。本实验只调节“衰减”调节旋钮来获得适合的功率（两旁的旋钮即“调零”和“衰减调零”是在接上附件“电平探头”时才起作用）。3．“调谐”旋钮调节使信号源的工作频率发生改变，顺时针频率升高，逆时针频率降低。置工作频率在自己所需的频率点，如10.00GHz（从数字显示上直读）。4．接可变短路器在测量线的输出端，移动可变短路器刻度到0.00。5．通过信号源工作状态键，置工作状态在“”方波状态。此时信号源输出的是1KHz方波调制下的（10GHz）微波功率。注意：为防止在拆装微波元器件时，微波功率从波导中辐射，请将工作状态通过选择在最右边位置“外整步”后再拆装。测试时置于“”方波状态。56．选频放大器输入阻抗置于“200K”，“正常5dB”开关置于“正常”状态，（5dB为使输入信号减小5dB）。右上部“通带”放在“40Hz”（带宽越窄，通带Q值越高，增益越高）。7．此时整个系统已工作。依次调节E-H调配器、E面和H面罗盘，改变信号源功率输出。调节选频放大器“频率微调”，使信号发生器1KHz方波调制信号与选频中的频率相一致。一般开机时调准，开机半小时后再微调一下。本实验中根据输入信号的大小，调节“分贝”档位开关及“增益”电位器来满足波腹节的读数需求。实际使用中尽量把增益开关置于“40～60dB”三档中使用。使信号源基本满足测量线检波器的平方律检波段。8．移动TC26测量线的检波滑座和调谐活塞（指探头侧面的园螺盘）的位置，使探针位于波腹点，即选频放大器指示值最大，并按步骤7、8反复调节。9．记下测量线标尺值L1，移动可变短路器一定距离，如5mm。转动测量线检波滑座重新找到最大值，记下测量线标尺值L2。此时12LL应有5mm左右。重复上述步骤，熟悉短路面的位置改变，会改变参考面的电抗和电纳，使腹节点的位置发生偏移。思考题：1．YM1123信号源是由哪些微波元器件组成，各部分起什么作用？2．测量线由哪几个部分组成，它们的作用是什么？6实验二频率测量一、实验的目的和要求应用所学过的微波技术有关理论知识，理解和掌握微波频率的测量方法，了解晶体检波器的工作原理，掌握晶体检波器在微波测量中的应用。二、实验内容1．掌握微波频率计（PX16）和晶体检波器（BD20-4）的工作原理和使用方法。2．了解定向耦合器（BD20-5）、H面弯波导（BD20-14）等微波元器件的结构、原理和使用方法。三、实验原理在微波测量中，测量频率的方法很多，本实验所采用的是利用圆柱形谐振腔通过耦合吸收传输波导中的能量而使传输波导能量减少的方法。本实验的微波测量系统的组成如图一所示下面叙述有关部分的功能和工作原理1．定向耦合器（BD20-5）定向耦合器的外形成十字形，它的耦合元件是主副波导相对宽边之间的一对十字槽，能量通过这一对十字槽耦合到副波导中。当主波导的能量沿正方向传输时，副波导耦合所得能量在它的传输方向是迭加，而与此相反的方向则互相抵消。副波导中的这一端装有一匹配负载，以吸收未抵消尽的能量。本实验是利用副线中传输的能量进行频率测量。2．H面弯波导（BD20-14）H面弯波导采用平缓弧形转弯，改变波导宽边的轴线。由于波导之间的连接是硬连接，因此根据传输方向的改变和微波元器件所放位置的需要，衔生出E面、H面的各种弯波导、扭波导等器件以供测量传输中选用。3．微波频率计（PX16）微波频率计是由传输波导与圆柱形谐振腔和直读显示机构构成。它利用长方形孔磁耦合来激励，谐振腔的活塞为抗流形式。此频率计是吸收直读式频率计。当频率计的腔体谐振频率与被测频率一致时，由指示器可明显看出传输功率有一个明显的跌落4．晶体检波器（BD20-4）微波测量中常用经晶体检波器的感应电压来反映微波功率的大小。晶体检波器由前置三螺钉调配器、晶体管座和调节活塞组成。螺钉调配器的原理与支节匹配的原理相同。晶体管座是一节可以插入晶体管的波导。当晶体插入时，相当于在波导中引入一个电的探针，感应电压经过晶体检波，它的输出接到指示器上，可以得到微波功率的相对指示。调节活塞用来使晶体处于驻波的腹点以得到最大指示。四、实验步骤方法一：1．将测量线上Q9电线接头拔下，接头连接到晶体检波器Q9插座上。本实验选频放大器将指示晶体检波器输出的大小。72．调节晶体检波器的短路活塞圆盘，使晶体检波管的位置处于波腹点，选频放大器指示最大。3．分别仔细调节晶体检波器的三个螺钉。（上面二个，下面一个），使其匹配，获得最大指示。可通过调节选频放大器“分贝