微波技术与天线实验报告

实 验 报 告

实验课程：学生姓名：学 号：专业班级：

微波技术与天线

2011年 6月3日

目 录

实验一 微波测量系统的认识及功率测量

实验二 微波波导波长、频率的测量、分析和计算

实验三 微波驻波比、反射系数及阻抗特性测量、分析和计算

实验四 微波网络参数的测量、分析和计算

实验一 微波测量系统的认识及功率测量

一、实验目的 ：

（1） 熟悉基本微波测量仪器； （2） 了解各种常用微波元器件； （3） 学会功率的测量。 二、实验内容：

1、基本微波测量仪器

微波测量技术是通信系统测试的重要分支，也是射频工程中必备的测试技术。它主要包括

微波信号特性测量和微波网络参数测量。

微波信号特性参量主要包括：微波信号的频率与波长、电平与功率、波形与频谱等。微波网络参数包括反射参量（如反射系数、驻波比）和传输参量（如[S]参数）。

测量的方法有：点频测量、扫频测量和时域测量三大类。所谓点频测量是信号只能工作在单一频点逐一进行测量；扫频测量是在较宽的频带内测得被测量的频响特性，如加上自动网络

分析仪，则可实现微波参数的自动测量与分析；时域测量是利用超高速脉冲发生器、采样示波器、时域自动网络分析仪等在时域进行测量，从而得到瞬态电磁特性。

图 1-1 是典型的微波测量系统。它由微波信号源、调配器/ 衰减器/隔离器、波长/频率计、测量线、终端负载、选频放大器及小功率计等组成。

图 1-1 微波测量系统

2、常用微波元器件简介

微波元器件的种类很多，下面主要介绍实验室里常见的几种元器件： （1）检波器 （2）E-T 接头 （3）H-T 接头 （4）双T 接头

（5）波导弯曲 （6）波导开关 （7）可变短路器 （8）匹配负载

（9）吸收式衰减器 （10）定向耦合器 （11）隔离器 3、功率测量

按图 1-1 所示连接微波测量系统，在终端处接上微波小功率计探头，接通电源开关，调整衰减器，观察微波功率计指示并作相应记录。

三、实验数据及处理

1、实验数据如下表： 衰减器位置(mm) 功率计读数11.5 11.3 10.8 9.4 (μw) 0 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 7.5 6.0 4.1 2.6 1.8 1.0 2、衰减器指示与功率指示的关系曲线

四、思考题

简述微波小功率计探头的工作原理。

微波小功率计功率探头的主体是一个铋、锑热电堆，这是将金属铋和锑用 真空喷镀法镀在介质片上（介质基片可用云母、涤纶、聚烯亚胺等材料）形成热 电堆后， 放在波导或同轴电场最强处， 它即是终端吸收负载， 又是热电转换元件。 所以作为终端负载，它的阻值必须与传输线的等效阻抗相匹配。当微波功率输出 时，热电耦吸收微波功率使热电堆的热节点温度升高，这就与冷节点产生温差而 形成温差电动势，它产生的直流电动势与输入微波功率是成正比的。热电堆输出 的直流讯号是很薄弱的，指示器经直流放大后再作功率指示。

实验二 微波波导波长、频率的测量、分析和计算

一、实验目的

（1） 学会微波测量线的使用；

（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

进行微波测量，首先必须正确连接与调整微波测量系统。图1-1 示出了实验室常用的微波测试系统。系统调整主要指信号源和测量线的调整，以及晶体检波器的校准。信号源的调整包括振荡频率、功率电平及调制方式等。本实验主要讨论微波测量线的调整和晶体检波器的校准。

1． 测量线的调整

测量线是微波系统的一种常用测量仪器，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传输线、探头（耦合探针、探针的调谐腔体和输出指示）、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，从而影响系统的工作状态。为了减少其影响，测试前必须仔细调整测量线。实验中测量线的调整一般包括的探针深度调整和耦合输出匹配（即调谐探头）。

2． 晶体检波器的工作原理

在微波测量系统中，送至指示器的微波能量通常是经过晶体二极管检波后的直流或低频电流，指示器的读数是检波电流的有效值。在测量线中，晶体检波电流与高频电压之间关系是非线性的，因此要准确测出驻波（行波）系数必须知道晶体检波器的检波特性曲线。

晶体二极管的电流I 与检波电压U 的一般关系为

I=CU

式中，C 为常数，n 为检波律，U为检波电压。

检波电压U 与探针的耦合电场成正比。晶体管的检波律n 随检波电压U 改变。在弱信号工作（检波电流不大于10 μA）情况下，

n

近似为平方律检波，即n=2；在大信号范围，n 近似等于1，即直线律。

测量晶体检波器校准曲线最简便的方法是将测量线输出端短路，此时测量线上载纯驻波，其相对电压按正弦律分布，即：

UUmax?2?d?sin????g?? ??式中 ，d 为离波节点的距离，Umax为波腹点电压，λg 为传输线上波长。

因此，传输线上晶体检波电流的表达式为

??2?dI?C?sin??????g????????n

根据上式就可以用实验的方法得到图所示的晶体检波器的校准曲线。

3． 波导波长的测量原理

测量线的基本测量原理是基于无耗均匀传输线理论，当负载与测量线匹配时测量线内是

行波；当负载为短路或开路时，传输线上为纯驻波，能量全部反射。因此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zmin 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z1，z2，z3，z4 … 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。

?g?z3?zmin0z2?zmin01?z4?zmin0????z?z1min0?2?432??

由教材内容（见习题2-5） ，工作波长与波导波长有如下关系：

???g?c?g??c22

式中，λc 为截止波长。一般波导工作在主模状态，其λc =2a 。本实验中波导型号为BJ-100，其宽边为a =22.86 mm ，代入上式计算出工作波长。

于是信号源工作频率由下式求得：

f?3?108?

另外，信号源工作频率亦可用吸收式频率计测量。 三、实验步骤

1． 开通测试系统

① 按图1-1所示连接微波测量系统，终端接上短路负载。 ② 打开信号源、选频放大器的电源，将信号源设置在内调制（方波）状态，将衰减器调整到合适位置。

③ 在开槽测量线终端接短路负载后，调节整个探头（旋动测量线上的大旋钮）使内部探针耦合匹配，直到选频放大器输出指示最大。

④ 反复调整输出衰减器、探头活塞位置等，通过选频放大器指示，确定测量线工作在比较灵敏的最佳状态。

2． 波导波长测量

从负载端开始旋转测量线上整个探头位置（内含探针），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zmin0 ，并记录数据;

② 继续旋转探头（由负载向信号源方向）位置，可得到一组指示最小点位置z1，z2，z3，z4 ，反复测3次，记入表1；

③ 将数据代入式（2-4），计算出波导波长，并换算成频率。 ④ 用频率计测量信号源工作频率：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。慢慢调节吸收式频率计，当调至频率计谐振状态时，一部分能量被频率计吸收，使选频放大器指示出现明显减小并达最小处，此时读得吸收式频率计上指示的频率（频率计上两红线之间的刻度读数）即为信号源工作频率，反复测3次，记入表2 。可将测量结果（取其平均值）与用波导波长换算的结果进行比较。

四、数据记录及分析 探针初始位置 zmin0 =89.82mm 位置读数 Z1(mm) Z2(mm) Z3(mm) 测量次数 1 2 3 Z1= 112.10mm

112.10 112.08 112.12

Z2134.80 134.76 134.86 Z3157.20 157.18 157.28 =157.22mm

=134.80mm

根据式

?g?z2?zmin02?z3?zmin0???z?z1min0?

3?32??算出波导波长

?g=44.83mm

?再由式??g?c?g??c22(?c=2a=45.72mm)和

f?3?108?算出

工作波长?=32.0084mm 工作频率f?9.3725?109Hz=9.3725GHz

吸收式频率计上指示的频率见下表： 测量频率 (GHz) f1 f2 f3 9.368 9.366 9.365 f?f1?f2?f33=9.3663GHz

由此可见吸收式频率计上指示的频率与计算出的工作频率近似相等。

五、思考题

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，从而影响系统的工作状态。为了减少其影响，测试前必须仔细调整测量线。所以只有在波导中心线开槽，才能保证驻波、阻抗、相位、波长等参数的测量准确性，否则会引起误差。

实验三 微波驻波比、反射系数及阻抗特性测量、分析和计算

一、实验目的

（1） 学会驻波比的测量、分析和计算； （2） 学会反射系数的测量、分析和计算； （3） 学会输入阻抗的测量、分析和计算。 二、实验原理

在任何的微波传输系统中，为了保证传输效率，减少传输损耗和避免大功率击穿，必须实现阻抗的匹配。描述系统匹配程度的参数有电压驻波比和复反射系数。

1、驻波比及反射系数的测量

由教材第一章微波传输线理论，传输线上的驻波比与波节点、波腹点的关系为

??UUmaxmin?ImaxImin

一般实际测量为多个数据，则 在平方律检波，即n = 2时

??UUmaxmin?Imax1?Imax2?.?ImaxnImin1?Imin2??Iminn

在n≠2时

??UUmaxmin?1??n??Imax1Imin1?Imax2Imin2???Imaxn?? Iminn??而终端复反射系数的模值|Γl| 与驻波比有如下关系：

?l???1??1

终端反射系数的相位φl与节点位置zminn 有以下关系：

zminn??g4??l??2n?1??g4

根据波导主模特性阻抗ZTE10 及测得的驻波比ρ和第一波节点位置zmin1 可得终端负载阻抗为（参见教材中习题1.3）

Zl?ZTE101?j?tan?zmin1??jtan?zmin1?120?

其中，ZTE101???2a?2 ??2??g

根据以上公式就可以利用测量线测得驻波比、复反射系数，进而算出输入阻抗和负载阻抗。 三、实验步骤

1． 等效参考面的选取与波导波长的测量 （1）同实验二 ，将测量线调至最佳工作状态；

（2）同实验二 ，终端接短路片，从负载开始，旋转测量线上的探针位置，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 zmin0 ，并记录数据 ；

（3）同实验二的方法测出波导波长。相应测量数据记入表1 。 2． 驻波比测量

终端接上待测负载，探针从zmin0 开始向信号源方向旋转，依次得到指示最大值和最小值三次，记录相应的读数，即得相应的Umin (或Imin) 和Umax(或Imax) ，数据记入表2 （若指示表的刻度是电流，则可通过检波器的校准曲线查得电压值）。

3． 反射系数的测量

终端接上待测负载，探针从zmin0 开始向信号源方向旋转，记录波节点的位置zminn ，数据记入表3 。

四、实验数据及分析

探针初始位置 zmin0 =89.82mm 位置读数 Z1(mm) Z2(mm) Z3(mm) 测量次数 1 2 3 表读数 112.10 112.08 112.12 g134.80 134.76 134.86 157.20 157.18 157.28 同实验二算出波导波长?=44.83mm

Imin(mA) Imax(mA) 测量次数 1 2 3 Imin80 82 85 =82.33mA

ImaxImin565 567 570 Imax=567.33mA

驻波比? ?=

567.3382.33=2.6251

Zmin2(mm) Zmin3(mm) 位置读数 Zmin1(mm) 测量次数 1 2 Zmin195.00 95.06 Zmin2117.62 117.68 Zmin3140.10 140.18 =140.14mm

=95.03mm =117.65mm

??1??1?终端复反射系数的模值?l由式zminn??=0.4483

?2?g4??l??2n?1??g4得?l?24??gzminn??2n?1???1?1.5053?ZTE10??2 ?2?1.5711? ?3?1.5838???2??g

120?1???2a?2=527.98 =0.14

终端负载阻抗：

Zl?ZTE101?j?tan?zmin1??jtan?zmin1=334.91-j374.99

五、思考题

实验步骤1对后续测量有何意义？

实验步骤1是对等效参考面的选取及波导波长的测量，用实验2的方法测出波导波长，这样就等于是验证了波导波长，用测量出的参数与实验2比较，以防相差太大，造成误差。保证实验的准确性。

实验四 微波网络参数的测量、分析和计算

一、实验目的

（1） 理解可变短路器实现开路的原理；

（2） 学会不同负载下的反射系数的测量、分析和计算； （3） 学会利用三点法测量、分析和计算微波网络的[S]参数。 二、实验原理

[S] 参数是微波网络中重要的物理量，其中[S]参数的三点测量法是基本测量方法，其测量原理如下：对于互易双口网络有S12=S21 ，故只要测量求得S11 、S12及S21 三个量就可以了 。被测网络连接如图所示。

设终端接负载阻抗Zl ，令终端反射系数为Γl ， 则有: a2 = Γlb2, 代入[S]参数定义式得：

b1?S11a1?S12?lb2

b2?S12a1?S22?lb2

于是输入端（参考面T1）处的反射系数为

?in?b1a1?S11?S12?l1?S22?l2

令终端短路、开路和接匹配负载时，测得的输入端反射系数分别为Γs、Γo和Γm ，代入式（4-1）

并解出：

S11??m S122?2??m??s???o??m??0??s S22??o?2?m??s?o??s

由此得到[S]参数，这就是三点测量法原理。

在实际测量中，由于波导开口并不是真正的开路，故一般用精密可移动短路器实现终端等

效开路（或用波导开口近视等效为开路），如图所示。

三、实验步骤

1. 用波导开口近视等效为开路负载测量[S]参数 （1）先连接待测负载（可用单螺钉调配器）；

（2）在待测负载的终端再接上匹配负载，按照实验三的方法测得此时的反射系数Γm ；

（3）在待测负载的终端换接短路负载，测得此时的反射系数Γs ； （4）使待测负载的终端开路，测得此时的反射系数Γo ； （5）再根据式（4-3）计算得到[S]参数。 2. 用可变短路测量[S]参数

（1） 将匹配负载接在测量线终端，并将测量线调整到最佳工作状态； （2） 将短路片接在测量线终端，从测量线终端向信源方向旋转探针位置，使选频放大器指示为零，此时的位置即为等效短路面，记作zmin0 ；

（3） 接上可变短路器，在探针位置zmin0处，调节可变短路器使选频放大器指示为零，记下可变短路器的位置l1 ；

（4） 继续调节可变短路器，使选频放大器指示再变为零，再记下可变短路器的位置l2 ；

（5）

接上待测网络，终端再接上匹配负载，按照实验三的方法测得

此时的反射系数Γm ；

（6） 终端换上可变短路器，并将其调到位置l1 ，测得此时的反射系数Γs ；

（7） 将可变短路器调到等效开路位置l0=(l1+l2)/2 ，测得此时的反射系数Γo ；

（8） 再根据（4-3）式计算得到[S]参数。 四、实验数据及处理

按照实验步骤1测得数据如下表： 匹配 短路 开路 根据式

??UUmaxminImin(mA) 62 62 80 Imax(mA) 622 562 565 ?ImaxImin

算出3种情况下的驻波比：

?m?3.1674 ?s?3.0107 ?o?2.6575

根据式

?l???1??1

算出3种情况下的反射系数：

?m?0.5201 ?s?0.5013 ?o?0.4532 S11??m?0.5201

S12?S21?2??m??s???o??m?o??s?1.7785

??0.2282

S22??o?2?m??s?o??s?S11?S????S21S12??0.5201???S22??0.22820.2282??

1.7785?五、思考题

实验步骤(1)的作用是什么？

将匹配负载接在测量线终端时，反射波的幅度很小，基本上无反射波，传输线内呈行波状态。这三种情况下，主要计算误差为时域有限差分法本身所带来的误差和微带模型近似所引入的误差。这样就能进一步的避免误差，从而使测量结果准确。

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