微波实验-123

1第一部分微波技术与天线实验实验一微波功率与频率的测量一、实验目的1．了解微波测量系统的组成、测试仪器的工作原理及测试方法。2．学会用波长计谐振吸收法测频率，掌握吸收式波长计测取频率值的原理和方法。3．学会用微瓦功率计测功率。二、实验要求1．充分作好实验前的预习和准备工作，写出预习报告。2．实验应严格按照仪器使用说明、测量方法和实验步骤进行操作。三、预习报告要求1．画出实验仪器和器件连接框图。2．简述实验目的、实验原理和方法。3．写出实验步骤，画出数据表格。四、实验注意事项1．开机前必须将信号源的衰减器置于较大衰减量，否则易烧坏器件。（注意：面板标注“功率”，则向左旋，衰减增大；面板标注“衰减”，则向右旋，衰减增大。）2．拆接器件时，将信号源工作方式置“外调制”，不要随意关电源。3．连接器件时，注意波导口方向。五、实验原理微波信号发生器是由高频部分、调制部分、功率指示器部分、频率显示及衰减显示部分组成。高频部分是由体效应振荡器、截止式衰减器二个单元组成。体效应振荡器采用砷化镓体效应二极管作为振荡管，在外加直流偏压的瞬时，所产生的尖峰脉冲电流能量，被不断用来激发谐振腔。当高频电源送来高频电压加到体效应管上，在谐振腔产生相应射频电压，腔体的输出耦合孔直接耦合输出，经过环流器送到调制器与脉冲形成电路进行调制，从而完成对微波信号的脉冲调幅，工作状态选择电路控制输2出状态。当工作状态选择按键置“等幅”时，信号源输出微波信号，输出功率可直接用微瓦功率计测得，输出信号频率可用外接的波长计测得，也可校对信号源频率显示是否准确。当工作状态选择按键置“方波”或“脉冲”时，则输出微波调幅信号。仪器采用PIN调制器来实现微波信号的脉冲幅度调制，整个调制部分是由一套脉冲形成电路及一个PIN调制器构成，由脉冲形成电路产生一系列的脉冲信号，驱动PIN调制器，从而完成对微波信号的脉冲调制。六、实验系统简介一般常用的微波测量系统如图1－1所示。各部分作用如下：1．信号源：包括体效应振荡器、截止式衰减器、调制器、功率指示器及频率和衰减显示器等。体效应振荡器用于产生测量用微波信号，调制器可产生方波调制信号，对微波信号进行方波调制。“衰减调节”可控制输出功率的大小，当面板标注为“衰减”时，顺时针调节，信号输出减小，衰减显示增大；反时针调节，衰减减小。2．阻抗调配器：使信号源的能量最大地传输到负载上。即调节阻抗调配器，使输出到功率计的指示值最大。3．衰减器：用来吸收部分微波功率。调节衰减器衰减量的大小，可改变信号源输出到功率计的功率大小。开机前衰减器调到较大衰减量，以免烧坏晶体或功率探头。4．波长计：分为吸收式或通过式波长计。若为吸收式波长计，当波长计调谐在输入信号频率上时，信号则被腔体吸收一部分，此时传输到表头的信号变小。因此，调谐波长计，当观察到表头指示下降到最小时，波长计的刻度数即为信号的频率值。5．小功率计：用来测取信号源输出的功率值。配有三个功率探头，分别为×1、×10、×100，当接不同倍乘档的功率探头时，其信号源输出的实际功率值为功率计表头指示值乘上不同的倍乘数，还应考虑外接衰减器的衰减量。微波信号发生器阻抗调配器波长计小功率探头小功率计衰减器Ⅰ同轴波导转换图1－1简单的微波测量系统框图3七、实验步骤1．准备工作：①按下信号源开关之前，必须将信号源的衰减器置于较大衰减量。（注意：面板标注“功率”，则向左旋，衰减增大；面板标注“衰减”，则向右旋，衰减增大。）②按照测量系统连接框图检查是否连接正确。③接通小功率计电源开关，调好“零点”，小功率计的量程开关置1mw位置，表示表头满刻度为1mw。④将信号源工作方式置“等幅”。调节信号源的“衰减”，使小功率计有指示值。⑤缓慢调节阻抗调配器两个分支的短路活塞，使小功率计表头指示值为最大。2．频率与功率的测量：①调信号源的“调谐”旋钮至某一频率上，记下频率值f，调“衰减调节”旋钮使小功率计表头的指示值接近满刻度，记下此时的功率值P。②用波长计读取频率的方法如下：缓慢转动波长计，观察小功率计表头指示会在某一点上突然下降，这就是吸收式波长计的谐振点。左右微调波长计使表头指示最小，读下此时波长计上的刻度数0f（如果读数是0，则要查波长频率转换表）。读完数后将波长计失谐，使之不影响输出功率。③重复前面步骤（注意“衰减调节”不能再动），共测出8组数据填入下表。序号12345678信号源f（GHz）波长计0（mm）波长计0f（GHz）功率P（mw）八、实验报告要求所有的实验报告均按下述要求撰写：1．叙述实验仪器和器件各部分作用和实验测量方法。2．填写测量数据表格，如有计算值，需列出计算公式，计算出所测量值。3．如需绘图，则绘出测试曲线。4．最后应讨论实验结果，分析实验误差。5．必须用正式报告纸，曲线用绘图纸。注意：预习报告与实验报告应分开写。4实验二驻波比与波导波长的测量一、实验目的1．学会用等偏移法测驻波的波节点，掌握波导波长的测量方法。2．加深理解测量线终端负载的改变对驻波系数的影响，掌握测量大、小驻波比的原理和方法。二、实验要求1．充分作好实验前的预习和准备工作，写出预习报告。2．实验应严格按照仪器使用说明、测量方法和实验步骤进行操作。三、实验原理一个微波传输系统，当其中仅有主模传输时，在信号源和负载之间的任何地方，如果有任何阻抗不连续，则在不连续处将产生与入射波频率相同、传播方向相反的反射波。该反射波与入射波在传输系统中叠加，合成一位置固定而周期分布的电场和磁场图形，这就是驻波。图２－１所示为一驻波振幅图形。其中振幅最大处为波腹，振幅最小处为波节。相邻两波腹或相邻两波节点之间的距离为二分之一波导波长。驻波系数定义为传输通道内驻波电场(或驻波电压)最大值与最小值之比。minmaxminmaxUUEE＝(２－１)EEmaxEmin2g2gd连不处续图2－1驻波振幅图形5根据定义，如果我们能用驻波测量线测出沿线驻波分布情况，就可由（２－１）式求出驻波系数。驻波系数还可由反射系数得出，如式（２－２）：PP11＋＝(２－２)其中P为反射系数。由公式可见，驻波比的大小与反射波的大小有关，测量线终端接不同的负载器件，则产生的反射波的大小不同，因而驻波比的大小是随负载不同而变化的。若测量线终端接固定电抗器件，则所测驻波比只能是一固定值。在实验当中，还可以根据测定出的波腹或波节位置，计算出波导波长g。四、测量方法1．波节位置测量当驻波比较小时，用探针找到波节位置是很困难的，因为极值附近经二极管平方律检波后电波变化平缓，难以找到一个准确的波节位置，因此采用“等偏移法”。具体方法是：先将测量线探针移至波节点处，然后在靠近波节点的两侧左移一个位置1X(如图２－２)，此时测量放大器表头指示为0，再右移探针使放大器表头指示仍为0，读出此时测量线探针位置2X，则极小值位置是：221minXXX(２－３)2．中小驻波比的测量所谓中小驻波比是指驻波比≤３的情况，根据驻波比的定义有：minmaxUU＝即＝(２－４)0X1X2XminX0图2－2波节位置测量6其中为测量放大器表头所指示的最大值，为表头所指示的最小值。由于经过二极管平方律检波，表头指示的最大值与最小值的比值开根号后，才是实际所测驻波系数。且由于测量误差和仪器工作不稳定，只测一组、进行计算误差很大，为此可利用取算术平均值的方法来减小误差。即，连续测量几个极小值指示1、2、3……和同样个数的极大值指示1、2、3……，如图２－３所示。则驻波比为：＋＋＋＋＋＋＝321321(２－５)3．大驻波比测量所谓大驻波比测量是指＞3的情况，这时，在测量放大器的同一量程上显示驻波的极大值和极小值是极不准确的，或者是不可能的。比如，当10＝时，在平方律情况下，极大值的电表指示是100，最小值指示则为１，这个“１”小格很可能是放大器的零点漂移，极不可靠，如果提高放大器的增益，使最小值有比较明显的指示，那么极大值已经大大超出表头量程之外，可能损坏表头，亦不可能直接测得驻波比，必须采用二倍功率法(或称二倍最小值法、功率倍增法、三分贝宽度法)。该方法的原理见附录一。具体测法见测试步骤。五、实验仪器描述我们所用仪器基本分两种类型，一种为波导型，如图２－４所示，信号源输出接到波导测量线上，测量线输入端接衰减器Ⅰ(或利用信号源本身的衰减器)，其输出端接衰减器Ⅱ，终端接短路器，二极管检波输出接至测量放大器。另一种为同轴型，基本与上类似，信号源采用XB7标准信号发生器或XB9A标准信号发生器，输出接同轴型测量线和同轴型衰减器，信号源与测量线之间采用50软电缆连接，为防止电缆与轴线之间的失配，中间用可变衰减器隔离，终端接同轴短路器。驻波测量线是一段精心加工的、宽边正中开槽的波导，或开槽同轴线。槽内插入0X12312图2－3中小驻波比的测量7一根很小的探针，探针插入深度为１～２mm（已调好，不要随便调）。它能拾取波导内很小一部分微小能量而又不严重影响线内的驻波。拾取的能量送到可调谐检波器，检出的电流送入测量放大器，放大器的表头则指示驻波的大小。一般信号源产生的微波是用1000Hz方波来调制的，所以晶体二极管检出的是1000Hz的方波。测量放大器是交流选频放大器，可对1000Hz信号进行窄带放大，可以避免过大的噪声干扰。二极管检波器是在小信号下工作的，所以是平方律检波，放大器表头的指示与波导中探针所在点的电场的平方成正比，信号源馈入功率的大小和探针插入深度的大小，要保证二极管确实在平方律的状态下工作，所以首先要检查二极管是否是平方律检波。检查方法如下：打开信号源，测量线终端接匹配负载，探针插入１～２mm，调谐，使检波器输出最大，读出放大器的指示。然后把信号源衰减器的衰减量增加3db，放大器指示应减少一半；衰减量减小3db，放大器指示应增大一倍，符合这种情况就可以认为是平方律检波了。如果偏离平方律，则要降低馈入功率。这一过程因时间关系已预先作好。六、实验步骤1．按图２－４连好仪器，将信号源的衰减器置于较大衰减量，然后打开电源开关。2．打开选频放大器电源开关，调好放大器表头零点，将工作方式置于相应位置。将衰减器Ⅱ置0db。3．按下信号源的“内方波”调制按键，缓慢减小信号源衰减器的衰减量，使选频放大器表头有指示值。4．将测量线探针移至驻波波腹位置，调信号源衰减器，使选频放大器表头指示接近满刻度。5．用前述测波节的方法（等偏移法）连续测出几个相邻波节位置，填入表格：选频放大器微波信号源衰减器I衰减器II波导测量线短路器图2－4波导型测量仪器8序号1231X（mm）2X（mm）minX（mm）每两个相邻波节位置之差为2g，算出几个波导波长，取其平均值。公式如下：221minXXXiigiXXmin1min2nggg21＝(２－６)6．调衰减器Ⅱ，观察选频放大器表头指示，分别测出大、小驻波比。①小驻波比的测量（≤3）调衰减器Ⅱ，移动测量线观察选频放大器表头指示，若确定≤3，按照前述测试中小驻波比的方法，测出选频放大器指示的最大、最小值，填入下表：序号123根据式(２－５)计算出小驻波系数。②大驻波比的测量（＞3）调衰减器Ⅱ，移动测量线观察选频放大器表头指示，若确定＞3，则采用二倍功率法测出大驻波系数。其测法如下：移动测量线，在选频放大器上找出准确的波节点，调信号源的衰减器使波节点min值有明显指示值（接近二分之一满度值），再检查是否为准确的波节点，记下此时9的min值。然后在波节点两侧左移测量线探针使放大器指示为2min，读出此时探针位置左X，再右移测量线探针使放大器指示仍为2min，读出此时的探针位置X右，填入下表：min2min左X（mm）右X（mm）d（mm）则二倍功率点的宽度为：左右－XXd若g已知，则驻波比为：gd2sin11(２－7)当gd＜0.12时，可近似计算为：dg＝(２－８)6．根据所测内容，写出实验报告，分析