实验三微波波导波长与频率的测量

实验三微波波导波长与频率的测量、分析和计算一、实验目的(1)熟悉微波测量线的使用；(2)学会测量微波波导波长和信号源频率；(3)分析和计算波导波长及微波频率。二、实验原理测量线的基本测量原理是基于无耗均匀传输线理论，当终端负载与测量线匹配时测量线内是行波；当终端负载为短路或开路时，传输线上为纯驻波，能量全部反射。根据驻波分布的特性，在波导系统终端短路时，传输系统中会形成纯驻波分布状态，在这种情况下，两个驻波波节点之间的距离即为波导波长的1/2，所以只要测量出两个驻波波节点之间的距离，就可以得到信号源工作频率所对应的波导波长。方法一：通过测量线上的驻波比，然后换算出反射系数模值，再利用驻波最小点位置dmin便可得到反射系数的幅角以及微波信号特性、网络特性等。根据这一原理，在测得一组驻波最小点位置d1，d2，d3，d4…后，由于相邻波节点的距离是波导波长的1/2，这样便可通过下式算出波导波长。0min10min20min30min423421ddddddddg(3-1)方法二：交叉读数法测量波导波长，如图3-1所示。图3-1交叉读数法测量波节点位置为了使测量波导波长的精度较高(接近实际的波导波长)，采用交叉读数法测量波导波长。在测试系统调整良好状态下，通过测定一个驻波波节点两侧相等的电流指示值I0(可选取最大值的20%)所对应的两个位置d1、d2，则取d1、d2之和的平均值，得到对应驻波波节点的位置dmin1。用同样的方法测定另一个相邻波节点的位置dmin2，如图3-1所示，则dmin1、dmin2与系统中波导波长之间的关系为：)(21);(21432min211mindddddd(3-2)1min2min2ddg(3-3)在波导中，还可利用下面公式计算波导波长：ag2100(3-4)式中，λ0为真空中自由空间的波长。本实验中波导型号为BJ-100，其宽边为a=22.86mm，代入上式计算出波导波长。信号源工作频率f(对应工作波长λ)可由下式求得：(其中：22cgcg)8103f(3-5)信号源工作频率亦可用吸收式频率计测量。实验中采用的吸收式频率计连在信号源与检波器之间。当吸收式频率计失谐时，微波能量几乎全部通过频率计，此时选频放大器指示最大。使用时，缓慢旋转频率计套筒，即调节吸收式频率计，当调节频率计至谐振状态时，选频放大器指示表上观察到信号大小发生明显的变化，并达到最小处，此时一部分能量被频率计吸收，并可以确定此时读得吸收式频率计上指示的频率即为信号源工作频率。三、实验内容和步骤1.按图1-1所示连接微波测量系统，打开信号源、选频放大器的电源，将信号源设置在方波调制工作方式，将衰减器调整到合适位置，使选频放大器输出指示不超过满量程，即使系统工作在最佳状态。2.测量线终端接短路板，从负载端开始旋转旋钮，移动测量线上探头座，使选频放大器指示最小，此时即为测量线等效短路面，记录此时的探针初始位置，记作dmin0，并记录数据;3.继续旋转移动探头座位置，选择合适的驻波波节点，一般选在测量线的有效行程的中间位置，并选择一个合适的检波指示值(I0)，如图3-1中所示，然后按交叉读数法测量波导波长。测量三组数据，取算术平均值作为波导波长的测量值，记入表3-1；4.将数据代入式(3-1)、式(3-2)计算出波导波长。5.用频率计测量信号源工作频率：缓慢旋转频率计套筒，即调节吸收式频率计，当调节频率计至谐振状态时，选频放大器指示表上观察到信号大小发生明显的变化，并达到最小处，此时一部分能量被频率计吸收，并可以确定此时读得吸收式频率计上指示的频率即为信号源工作频率。读取频率值时，在频率计上两条水平红线之间读取竖向红线处的频率刻度值。反复测3次，取其平均值，记入表3-2。6.将频率计测量结果、波导波长测量结果及计算结果进行比较。注意事项：(1)频率计是用来测量频率的仪器，而不是用来调整频率的微波元器件。测完频率后应将频率计调至失谐。(2)波导波长的测量方法中要注意指示值不要太大，尽量不要在测量线的两端，而是放在测量线的中端进行测量，读数要仔细。(3)测量波长时，测量线探针座位置应该向一个方向移动，以免引入机械回差。四、实验结果及数据处理探针初始位置dmin0=79.72mm表3-1（a）方法一的测量波导波长数据记录表(单位：mm)位置读数测量次数1mind2mind3mind1103.04124.44147.162102.06125.10146.883103.76124.72146.28表3-1（b）方法二的测量波导波长数据记录表（单位：mm）位置读数测量次数1d2d3d4d1mind2mind199.12105.74121.18127.84102.06125.10299.10106.08120.70128.24103.76124.72399.12105.88120.90128.10103.04124.44注：上表中1mind和2mind为实际测量值。计算得：方法一：第1次测量：mmddddddg44.45]23[320min10min20min3第2次测量：mmddddddg94.44]23[320min10min20min3第3次测量：mmddddddg81.45]23[320min10min20min3mmg39.45mmac72.452mmcgcg21.3222GHzf313.91038方法二：第1次测量：mmdddmmddd51.124)(2143.102)(21432min211minmmddg16.4421min2min第2次测量：mmdddmmddd47.124)(2159.102)(21432min211minmmddg76.4321min2min第3次测量：mmdddmmddd50.124)(2150.102)(21432min211minmmdd4421min2mingmmg97.43mmac72.452mmcgcg69.3122GHzf466.91038表3-2频率测量数据记录表频率测量次数123f(GHz)9.3689.3669.368计算得：第1次测量：mf032.01038第2次测量：mf032.01038第3次测量：mf032.01038mm32GHzffff367.93321经比较分析可知：方法一测量计算得波导波长为mmg39.45，工作波长为mm21.32，工作频率为GHzf313.9；方法二测量计算得波导波长为mmg97.43，工作波长为mm69.31，工作频率为GHzf466.9；而频率计测量的工作频率为GHzf367.9，计算得工作波长为mm32。计算值和测量值近似相等。五、思考及体会：测量线为什么在波导中心线开槽？微波测量线是测量波导中微波电场分布的精密仪器，它的结构是一段在宽边中心线上开槽的波导管和可沿槽线滑动的探针，它在微波测量中用途很广，可测驻波，阻抗，相位，波长等，测量线通常由一段开槽的传输线，探头，传动装置三部分组成，由于耦合探针伸入传输线而引入不均匀性，其作用相当于在线上并联一个导纳，从而影响到系统的工作状态。矩形波导中的主模为TE10模,而由TE10的管壁电流分布可知,在波导宽边中线处只有纵向电流。因此沿波导宽边的中线开槽不会因切断管壁电流而影响波导内的场分布,也不会引起波导内电磁波由开槽口向外辐射能量。小结：通过本次实验，我进一步熟悉了微波测量线的使用方法，学会了测量微波波导波长和信号源频率，以及波导波长及微波频率的计算方法。