电磁场与微波实验报告波导波长的测量.docx

电磁场与微波测量实验报告 学院：班级： 组员： 撰写人： 学号：序号：实验二 波导波长的测量一、 实验内容波导波长的测量【方法一】两点法实验原理如下图所示： 按上图连接测量系统，可变电抗可以采用短路片。选 频放 大 器可变电抗 波长表隔离器微 波信 号 源测量线可变衰减器当矩形波导（单模传输TE10模）终端（Z0）短路时，将形成驻波状态。波导内部电场强度（参见图三之坐标系）表达式为：在波导宽面中线沿轴线方向开缝的剖面上，电场强度的幅度分布如图三所示。将探针由缝中插入波导并沿轴向移动，即可检测电场强度的幅度沿轴线方向的分布状态（如波节点和波腹点的位置等）。终端短路面0图 三ZXaYb两点法确定波节点位置将测量线终端短路后，波导内形成驻波状态。调探针位置旋钮至电压波节点处，选频放大器电流表表头指示值为零，测得两个相邻的电压波节点位置（读得对应的游标卡尺上的刻度值和），就可求得波导波长为：由于在电压波节点附近，电场（及对应的晶体检波电流）非常小，导致测量线探针移动“足够长”的距离，选频放大器表头指针都在零处“不动”（实际上是眼睛未察觉出指针有微小移动或指针因惰性未移动），因而很难准确确定电压波节点位置，具体测法如下：把小探针位置调至电压波节点附近，尽量加大选频放大器的灵敏度（减小衰减量），使波节点附近电流变化对位置非常敏感（即小探针位置稍有变化，选频放大器表头指示值就有明显变化）。记取同一电压波节点两侧电流值相同时小探针所处的两个不同位置，则其平均值即为理论节点位置：最后可得（参见图四）I00图 四I【方法二】间接法矩形波导中的H10波，自由波长0和波导波长满足公式：其中：，通过实验测出波长，然后利用仪器提供的对照表确定波的频率，利用公式0=cf 确定出0，再计算出波导波长。校准晶体二极管检波器的检波特性由于微波晶体检波二极管的非线性, 在不同信号幅度时具有不同的检波律。在一般测量精度要求的场合, 可认为在小信号时为平方律检波,大信号时为直线律检波, 或在系统信号幅度范围内做平均检波律定标。晶体检波二极管的定标准确与否, 直接影响微波相关参数的测量精度。微波频率很高, 通常用检波晶体(微波晶体二极管)将微波信号转换成直流信号检测出来。微波晶体二极管是一种非线性元件, 检波电流I 同微波场强E 之间不是线性关系,在一定范围内, 两者关系为: 晶体检波二极管的检波电流随其微波电场而变化, 当微波场强较大时近似为线性检波律, 当微波场强较小时近似为平方检波律。因此, 当微波功率变化较大时a 和k 就不是常数, 且和外界条件有关, 所以在精密测量中必须对晶体检波器进行定标。本实验中采用两种定标方法第一种定标方法检波电压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 A）情况下，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：式中 ，d 为离波节点的距离，Umax为波腹点电压，g 为传输线上波长。因此，传输线上晶体检波电流的表达式为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。将上两式联立, 并取对数得到：作出曲线, 若呈现为近似一条直线, 则直线的斜率即是微波晶体检波器的检波律。第二种定标方法测量线终端短路，测出半峰值读数间的距离W，晶体检波率可以根据下式计算：n=log0.5logcos(Wg)二、 实验步骤（1）、按照图示连接好测量系统（2）、利用两点法测量，将波导测量线终端短路，调测量放大器的衰减量和可变衰减器使当探针位于波腹时，放大器指示电表接近满格，用公式两点法测量波导波长（3）、利用间接法测量波导波长。（4）、将探针沿测量线由左向右移动，按测量放大器指示每改变最大值刻度的10%，记录一次探针位置，给出U沿线分布的图形（5）、设计表格，用驻波测量线校准晶体的检波特性三、 实验结果分析所测量的波导波长：43波节点d0的位置：153相对电场强度00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0d（理论值）0g63g31.3g20.6g15.3g12g9.8g8.1g6.8g5.6g4测量值d108.8876.25.854.23.220d0+d143144.2145146146.8147.2148148.8149.8151153U0.2370.3130.3890.4660.5420.6180.6950.7710.8470.9241（1）、作出测量线探针在不同位置下的读数分布曲线上图横轴表示位置，纵轴表示相对场强。分析：由于此时波导中存在的是驻波，并且测量的位置是从波节到相邻的波腹，所以画出来的波形应该是正弦曲线的四分之一，由上图可以看出，实验结果基本符合，误差在允许范围内。（2）、给出检波晶体的校准曲线，求出晶体检波率。上图为对数坐标，横轴表示logE，纵轴表示logU分析：根据理论分析，上图应该是一条斜率为n的直线，而实际确实在前半段有所弯曲，笔者决定采用理论拟合法拟合出一条直线。拟合后直线的斜率为1.60，所以晶体检波率为1.60（3）、第二种定标法n=log0.5logcos(Wg)=log0.5logcos11.3*43.12=1.80（4）、两点法测量波导波长 =130.655+127.42=129.027 =106.37+108.52=107.43 =43.19mm（5）、间接法测量波导波长=43.12mm 比较两种方法测量出的波导波长，可以看出相差不大，说明实验结果比较准确，实验操作规范正确。四、 思考题（1）、用波长表测量自由空间中的信号振荡频率后，为什么还要失谐频率计答：电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。如果不失谐频率计，波导中传播的电磁波会十分微弱（2）、在测试过程中需要采取哪些措施来实现小信号答：使用衰减器：衰减器是把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率的作用。（3）、为什么要测量晶体检波率，指示电表读数和微波场强E之间成什么关系答：当微波功率变化较大时a 和k 就不是常数, 且和外界条件有关, 所以在精密测量中必须对晶体检波器进行定标。电表读数和场强的成指数关系。实验三 微波驻波比的测量一、实验目的1、了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用。2、掌握驻波测量线的正确使用和用驻波测量线校准晶体检波器特性的方法。3、掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法。二、实验原理1、直接法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、波腹点的关系为一般实际测量为多个数据，则 在平方律检波，即n = 2时 2、等指示度法：当被测器件的驻波系数大于10时，由于驻波最大与最小处的电压相差很大，若在驻波最小点处使晶体输出的指示电表上得到明显的偏转，那么在驻波最大点时由于电压较大，往往使晶体的检波特性偏离平方律，这样用直接法测量就会引入很大的误差。等指示度法是通过测量驻波图形在最小点附近场强的分布规律，从而计算出驻波系数，如图五所示。若最小点处的电表指示为Z，在最小点两边取等指示点，两等指示度点之间的距离为W，有，设晶体检波律为n，由驻波场的分布公式可以推出： （1）通常取K2（二倍最小法），且设n2，有 （2） W Z1节 Zmin Z2节 D 图五 最小点附近场分布当10时，上式可简化为 （3）只要测出波导波长及相应于两倍最小点读数的两点Z1节、Z2节之间的距离W，代入（3）式，即可求出驻波比。可以看到，驻波系数越大，的值就愈小，因而，宽度W和波导波长的测量精度对测量结果的影响很大，特别是在大驻波比时，须要用高精度的位置指示装置如千分表，测量线探针移动时应尽可能朝一个方向，不要来回晃动，以免测量线齿轮间隙的“回差”影响精度，在测量驻波最小点位置时，为减小误差，亦必须采用“交叉读数法”。三、实验内容及数据处理（1）、直接法测量驻波系数实验框图： =27+26.8+26.915+15+15.2=1.336 （2）、等指示度法测量驻波系数 根据老师的要求，这部分实验只做了第（5）个（5）、将测量线终端接短路片，用两点法测量三个相邻波节点位置，计算波导波长，并与理论值比较；三组数据T1T2Tmin170.5163166.75149141.1145.05127.2119.3123.25波导波长：=43.4mm=43.6mm取平均值：43.5mm