微波技术基础实验指导书

1、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2013.02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

2、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可变衰减器选频放大器晶体检波器微波频率计数字功率计功率探头魔TE-H面调配器信号源波导同轴转换器测量线单螺钉调配器H面弯波导定向耦合器图 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7.512.5GHz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

3、大器时，信号源工作在1KHz “”方波调制输出方式。1.2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

4、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7.512.5GHz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

5、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

6、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）。4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

7、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22.86mm，窄边尺寸为10.16mm，频率范围为8.212.5GHz。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

8、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。1、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412356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： 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（Y

9、M3892）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。5.1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

10、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13，下为3.210。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

11、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

12、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。6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

13、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“4060dB”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：1YM1123信号源是由哪些微波元器件组

14、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？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

15、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

16、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、

17、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。2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”、“增益”使指示在表头的位置左右。4重复2、3步骤。5缓慢旋转频率计转盘，并观察选频放大器的表头指针的变化。当表头指针突然跌落，细调指针到最小点。读取频率计二横红尺间与竖红线的交叉点的刻度值。此值即为信号源的工作频率。例：信号源的工作频率置于10.00GHz，则可在频率计10.00G

18、Hz附近寻找吸收峰。此时频率计刻度若为10.05GHz，则信号源的实际工作频率为10.05GHz。6.将测得数据填入下表，并计算出平均测量功率及相对误差。序数1234理论频率（GHZ）测量频率（GHZ）方法二：1在测量线的输出端接上短路板。2 信号源置于“”方波状态，并记下此时信号源工作频率。例10.00GHz。3由于测量线终端接短路片，波导内形成驻波状态。移动测量线到波节点附近，记下1号波节点的位置读数，继续旋转测量线，记下2号波节点的位置读数。两个读数之差就是半个波导波长g。4将测得数据填入下表。1号波节点Z1左Z1右Z1节2号波节点Z2左Z2右Z2节g（测量值）5.根据 ，其中a=2.2

19、86cm，计算出三个数值，填入下表后求平均值。（计算值）=再根据，即可求得所求频率。思考题：1吸收式频率计使用哪些微波工作原理？2本实验中晶体检波器起什么作用？实验三 波导波长（导内波长）的测量和驻波测量一、实验目的和要求应用所学理论知识，理解和掌握单模矩形波导短路情况下内部电场沿轴线的分布规律。学会利用微波测量系统测量波导内部导行波的相波长（波导波长或称导内波长g）。驻波系数的测量是微波测量中最基本的测量。本实验要求学会利用测量线进行驻波测量。二、实验内容1利用微波测量系统测量波导内部的波导波长g。2用直接法测量电容性、电感性膜片和匹配负载（BD20-7）等的驻波系数。3用等指示度法测量短路

20、情况下（接上短路板）的大驻波系数。三、实验原理当矩形波导（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3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3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）。YbZ0aX图 3终端短路面1 测量波导波长（g）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Z1节和Z2节），就可求得波导波长为：由于在电压波节点附

21、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（I0）时小探针所处的两个不同位置（Z1左及Z1右）（电流值越小越精确），则其平均值即为理论节点位置：用相同的方法测得相邻电压波节点（Z2节）处的Z2左及Z2右最后可得（参见图4）Z2右

22、Z2节Z1节I00图 4Z腹Z2左Z1右Z1左IZ注意： 测出一个电压波节点位置之后，将小探针向相邻波节点移动时，要随时加大选频放大器的衰减量，以防选频放大器电流表过载损坏！ 为检验测量的准确性，可以应用理论公式进行验算：其中：，2 测量电压驻波比（）驻波系数测量是微波测量中最基本的测量。通过驻波测量，不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、波长、相位移、衰减、Q值等其它参量，传输线上存在驻波时，能量不能有效地传到负载，这就增加了损耗；大功率传输时，由于驻波的存在，驻波电场的最大点处可能产生击穿打火，因而驻波的测量以及调配是十分重要的。根据驻波系数定义，可知的取值范围为1，通常按的大小

23、可分三类： 3为小驻波比 ； 310为中驻波比 ； 10为大驻波比。驻波系数的测量方法很多，有测量线法、反射计法、电桥法和谐振法等，用测量线进行驻波系数测量的主要方法及应用条件由表1列出：表1 用测量线测驻波系数的方法及应用条件测试方法应用条件直接法中小驻波比10等指示度法大驻波比10功率衰减法适用任意驻波比节点偏移法适用源驻波比移动终端法适用测量线剩余驻波比这里我们将介绍用测量线测量驻波比的直接法和等指示度法。（1）直接法：测试方框如图1。在测量线的端口连接待测的微波元器件。将测量线探头沿线移动，测出相应各点的驻波场强分布，找到驻波电场的最大点与最小点，直接代入如下公式就可以得到其驻波比。如

24、测量线上的晶体检波律为n，则： 为输出电表指示。通常在实验室条件下检波功率电平较小，可以认为基本特性为平方律，即n2，有为提高测量精度，必须尽量使电表指针偏在满刻度以上。当驻波系数在1.051.5时，由于驻波场的最大与最小值相差不大，且变化不尖锐，不易测准。为提高测量准确度，可移动探针到几个波腹与波节点，记录数据，然后取其平均值。直接法的测试范围受限于晶体的噪声电平及平方律检波范围。本实验中使用的选频放大器已近似按平方律检波的规律，直接标出驻波比小于10的刻度，可读出驻波比值。方法是：测量线滑座调到波腹点，调节选频放大器的衰减旋钮，使表头指示值到满刻度。然后调节测量线滑座至波节点（即指示最小值

25、）。此时选频放大器驻波比刻度的值即为负载的驻波比。如驻波比4，则“分贝”开关增加10dB，读下刻度3.210的刻度值。（2）等指示度法（二倍最小法）：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

26、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”。3BD20-7匹配负载 1.05BD20-7匹配负载在一个终端短路的波导

27、中沿电场方向，即波导的轴线位置有一劈形的镀镍铬的玻璃吸收片。吸收片相对于法兰的距离是固定的。四、实验步骤1用直接法测量驻波比小于10的负载的驻波比。在测量线的输出端分别接上 容性膜片匹配负载 1.3 感性膜片匹配负载 1.9 N8探头（功率计附件） 1.6 匹配负载 1.051.1按实验一连接微波测试系统。在测量线的输出端接上容性膜片+匹配负载。1.2接通信号源电源，工作状态置“”方波工作方式。选频放大器的输入电缆接测量线Q9插座，接通选频放大器电源。按实验一要求调整微波测试系统。1.3调节测量线调谐活塞，使选频放大器指示最大。调节“衰减”旋钮，使指针位于满度（1000）处。移动测量线滑座，找

28、到波节点。在选频放大器的第二根曲线上直读出电容膜片插入的驻波比。例：1.35。实验者可移动测量滑座找不同的波腹点、波节点，并读出驻波比。1.4用上述方法分别测出感性膜片、N8探头和匹配负载等的驻波比，填入下表。次数感性膜片N8探头匹配负载11=1=1=22=2=2=33=3=3=平均=平均=平均=注：在拆负载前，请将信号源工作状态置于“外整步”，装好后再置“”方波状态。2波导波长（g）的测量2.1在测量线的输出端接上短路板。2.2信号源置于“”方波状态，并记下此时信号源工作频率。例10.00GHz。2.3由于测量线终端接短路片，波导内形成驻波状态。移动测量线到波节点附近。注意：再按实验原理中的

29、有关讲解，用“平均值法“测得有关数据（或经计算）填入下表：1号波节点Z1左Z1右Z1节2号波节点Z2左Z2右Z2节g（测量值）g（理论值）3大驻波比的测量（等指示度法）3.1在测量线输出端，接上短路板，移动位置，顶上千分表。3.2再按实验原理中的有关介绍。通过千分表，用交叉读数法，求得W值。根据上步实验得出的g。通过公式：可算求大驻波比。例：波节点时选频放大器指示为100，则。测得W。提示：可通过增大选频放大器的灵敏度（减小衰减量），同时可适当增大信号源的输出功率（“衰减调节“旋钮逆时针转动），使波节点指示增大。注：先从一个方向移动测量线滑座到选频放大器指示在200，记下千分表刻度，例千分表外

30、环指针指在49。同一方向移动测量线滑座到选频放大器指示减小到100，再同方向移动测量线滑座到选频放大器指示又在200时，记下千分表刻度。例千分表外环指针指在56，则。工作频率10.00GHz，测得g39.8mm，计算思考题：1驻波比的定义是什么？2表达反射系数、驻波比和行波系数三者之间的关系。3反射系数、驻波比和行波系数反映负载与传输线的什么关系？实验四 阻抗测量（归一化阻抗测试实例）一、实验目的和要求应用所学的理论知识，学会并掌握利用微波测量线系统测量微波负载阻抗（或导纳）的方法，熟悉阻抗园图应用。二、实验内容利用微波测量线系统测量电容性膜片和电感性膜片的阻抗。其中需先测量出驻波比和电压波节

31、点到终端开口处的距离，然后利用阻抗园图求出它们阻抗的归一化值。三、实验原理在微波波段内，测量阻抗的方法很多。最常用的方法就是本实验所采用的利用微波测量线系统测量阻抗的方法，基本原理如下：首先利用微波测量线系统测量（在给定终端负载条件下）沿线驻波比（）及第一电压波节点到终端的距离（）。然后利用阻抗园图求出归一化负载阻抗（）。1 测量驻波比在实验过程中，可按如下方法估算驻波比。使晶体检波器工作于小信号状态（加大信号源输出的衰减量），测出沿线电压波腹点处对应的选频放大器电流表表头指示的最大值（Imax）及电压波节点处对应的选频放大器电流表表头指示的最小值（Imin），沿线驻波比可按下式估算：另外本实

32、验使用的YM3892选频放大器，已近似按平方律基本的规律刻度了驻波比，由此也可估算驻波比。具体方法是：先在电压波腹点调选频放大器的衰减旋钮，使其电流表表头指示值达满刻度，然后调节测量线小探针位置旋钮至电压波节点，此时对应的选频放大器电流表指针所指的驻波比刻度值即为晶体按平方律基本时的驻波比的近似值。应该指出，此方法为视检波晶体按平方律检波时而给出的驻波比的近似值。2 测量第一电压波节点到终端的距离由于受到测量线所开缝隙的限制，小探针无法移到接负载的位置，也即不能直接测量第一电压波节点到终端的距离（），可以采用间接测量法如下。首先将短路片与测量线终端连接。此时，沿线为驻波状态。终端为电压波节点，

33、并且，由终端向信号源方向沿线每移动半个相波长（）的距离就会出现一个电压波节点。因此，总会有几个电压波节点落在测量线刻度区之内，取测量线中间部分的一个电压波节点作为测量的起点（测量线开缝边缘部分泄漏误差较大），记该点位置（由游标卡尺读出）为Zoa，该点可视为终端负载的（参考）位置。 参见图6（a）图 6dE00ZobZoaZZZ0Zoa（a）EZ0（b）然后，将被测负载加匹配负载与测量线终端连接。此时，沿线呈行驻波状态。电压波节点在图6（a）的基础上依次向右（负载方向）平移长度 参见图6（b）。测出在负载一侧离Zoa位置最近的一个（新）电压波节点的位置（记为Zob），则被测负载加匹配负载时，第一

34、电压波节点到终端的距离求为：由驻波比和d的值，在阻抗园图上即可求出被测负载的归一化阻抗。本实验在微波传输系统中插入电感性膜片和电容性膜片。用上述方法测出电感性膜片加匹配负载和电容性膜片加匹配负载的归一化阻抗和阻抗。（a）电感性膜片jBYobb（b）电容性膜片图7波导中金属膜片及其等效导纳本实验所用膜片中 =22.86 =15.6 单位：毫米（mm）=10.16 =6由于波导中插入了金属膜片，破坏波导原来的边界条件。电感性膜片等效为一感纳，电容性膜片等效为一容纳。由于上述的不连续性而引入的电纳值可以测量出其反射系数，并在归一化阻抗圆图上得到它的感纳和容纳值（根据给出的尺寸，实验者可将测量测量结果

35、值与理论公式计算值进行比较）。利用金属膜片可以构成谐振腔、移相器等。四、实验步骤短路板匹配负载R+jXL膜片测量线匹配负载R-jXC膜片1测量线输出端接上短路板。2测出波导波长g。（两节点间矩为半波长）例：信号源工作频率10.00GHz，测到某波节点在测量线滑座标尺为167.4mm。调节测量线至下一个波节点。此时应一边调节测量线滑座，一边调整选频放大器“分贝”档，不要打表针。找到波节点时，再放大选频放大器指示。记下此时测量线滑座标尺为147.5mm。反复几次，记下各次数值，求其平均值。此时：3确定参考面在测量线的刻度值3.1测量线滑座移到中间位置。3.2测量线输出端仍接短路板。3.3找出波节点

36、。由于接短路板，使系统处于全反射状态，波节点信号很小。因此尽可能开大选频放大器增益在60dB处。记下标尺位置为起始值d1，例167.4mm。4测电感性膜片连接匹配负载时的归一化阻抗4.1信号源工作状态置“外整步”。拆下短路板，接上感性片和匹配负载。信号源工作状态置“”。4.2调节测量线滑座，向信号源方向移动。找出波节点（指示最小处），读出标尺的刻度值，并作记录。例：162.8mm。4.3测出感性片+匹配负载的驻波比。例1.57。4.4按原理，此时波节点从参考面向负载方向移动值。节点移位值。例：4.5将阻抗园图的标尺顺时针对最外圈的0.116（即0.116），在标尺（）刻度线上找到1.57处的交

37、集点。读等电园图实轴值0.85，等电抗图虚轴值0.4，可得出。 负载阻抗。0.1160.41.57X0.4图 85测量电容性膜片+匹配负载的归一化阻抗。5.1信号源工作状态置于“外整步”。拆下短路板，连接上电容性膜片+匹配负载。信号源工作状态置“方波”。5.2调节测量线滑座向负载方向移动，找出波节点（指示最小处）。读出标尺刻度，记下此读数，例151.6mm。5.3测出电容膜片+匹配负载时的驻波比，例1.33。5.4按原理，此时波节点从参考面向负载方向移动值。节点移位值：例：5.5将阻抗园图的标尺顺时针对最外圈0.40（即0.40）处，在标尺刻度线上找到1.33处的交集点，找出等电阻园实轴值（例

38、0.88），等电抗图虚轴值（例0.2），可得出归一化阻抗为：负载阻抗1.33r0.880.40标尺X0.2 图 86.将测量结果填入下列表格6.1请将g的测量值填入下面表格中。次数12345gg平均=6.2请将的测量值填入下面表格中。次数12345平均=6.3终端接短路板时，通过测量线测得的d1= ，终端接电容性膜片+匹配负载时通过测量线测得的d2= ，dmin1= 。6.4已知系统特性阻抗为50欧姆，结合阻抗圆图读出电容性膜片+匹配负载的阻抗。 ZL=五、思考题如果检测的负载不知道它是呈容抗或感抗时，任意方向移动小探针，是否也能得到正确的结果？为什么？实验五 阻抗调配一、实验目的和要求微波测

39、量（传输）系统中，经常引入不同形式的不连续性，以构成元件或达到匹配的目的。前面实验中已对E-H面阻抗调配器和晶体检波器进行了描述和实验。本实验要求熟悉单分支阻抗匹配器的工作原理。掌握利用单螺钉阻抗调配器调匹配的方法。二、实验内容利用波导单螺钉阻抗调配器对原来未达到匹配状态（短路）的负载阻抗进行调匹配（使驻波比达到1.05时，即可认为基本上达到了匹配状态）。三、实验原理1阻抗匹配的基本概念1.1阻抗匹配的定义对均匀无耗长线，当沿线电压反射系数等于零（0）时，即处于阻抗匹配状态。1.2满足阻抗匹配状态的几个等价条件归一化负载阻抗等于1（）Û 归一化负载导纳等于1（）Û 沿线输入

40、阻抗处处等于特性阻抗 Û 沿线驻波比等于1（1）。1.3阻抗匹配的物理特征当系统处于阻抗匹配状态时，信号源馈入传输线的功率无反射，全部被负载吸收，信号的传输效率达到100（是微波传输的理想状态）。2波导单螺钉阻抗调配器的工作原理和结构2.1单螺钉调配器当一销钉从波导宽壁插入但并不对穿时，销钉中将有电流流过，销钉端部将集中一些电荷，因而将在波导中引入一定的电纳，其电纳性质与其插入波导深度有关。当时，在端部集中的电荷是主要的，因而电纳为容性；随着销钉插入深度h变大，其磁场能迅速增加，当时，销钉附近的电、磁能平衡，销钉的电纳性质消失，这时可等效为一电容、电感串联谐振回路，波导被短路；当时，

41、这时通过销钉的电流的作用是主要的，因而电纳为感性。销钉越粗容纳越大，电感量越小。它常用来构成阻抗调配器，因而销钉常做成螺钉，便于调节。为了避免螺钉插入深度过深，造成元件功率容量降低或短路，一般限制。图9 给出了单螺钉调配器的示意图（图）及原理图（图）。螺钉调配器的原理与支节匹配的原理是相同的。而且单螺钉、双螺钉、三螺钉调配器的原理与单、双、三支节调配器都有对应的优缺点，不同的是螺钉调配器的螺钉一般引入的是正电纳，螺钉调配器用起来更方便。dYLjBhd（） （）图9 螺钉调配器原理图2.2波导单螺钉阻抗调配器由宽面中间开纵缝的（BJ-100型）矩形波导与一个位置和深度均可调节的金属螺钉构成，它属

42、于单分支阻抗调配器。调节单螺钉调配器的滑座是用来改变支节点的位置（d）；调节螺钉的上下深浅位置（h）来进行导纳补偿，达到匹配的目的。四、实验步骤1在测量线输出端连接单螺钉调配器，单螺钉调配器后接短路片。2信号源置于“”方波工作状态。3将可变衰减器顶端衰减旋钮顺时针转动到指示值大于15dB。增大回路衰减，起到源和负载系统的隔离作用。4调节单螺钉调配器的滑座，找到波腹点。选择选频放大器的“分贝”开关和调节“增益”电位器，使表针指示在满度的的位置。5实验者可以右手调节单螺钉调配器的滑座，左手移动测量线的滑座。单螺钉调配器的改变应使测量线获得的波腹点值不断下降。6实验者右手调节螺钉位置旋钮，调节螺钉的

43、深浅，右手移动测量线的滑座。目的同样是使波腹点在选频放大器的指示值不断下降。7重复步骤5、6。调谐的过程中驻波比应不断地下降，直至驻波比1.05。此时可认为利用单螺钉调配器的调配，使系统的反射变小，达到匹配。即选频放大器表头指示值的最大值与最小值十分接近。注：也可调波节点不断增大，使波腹点和波节点的指示值接近。五、思考题螺钉插入的位置到单螺终端的距离或（为正整数）均可以，为什么？实验六 微波功率测量和衰减测量一、实验目的和要求熟悉微波功率测量的原理，掌握利用微波功率计测量微波功率的方法。熟悉可变衰减器的工作原理，掌握可变衰减器的使用方法及其应用。二、实验内容利用可变衰减器衰减量的改变使微波功率

44、计获得的功率发生变化，掌握微波功率测量的方法。了解信号源工作状态“等幅”、“方波”时微波功率的变化。三、实验原理在微波范围内，功率和衰减是重要的基本量数据。1 GX2C微波功率计微波波段功率的测量方法不同于低频功率的测量方法。低频功率的测量是通过电压、电流和阻抗的测量来实现的。微波功率测量一般是通过各种换能元件（或检测元件）把微波功率变换为易于直接测量的其它能量形式（如热能、低频电能等）再进行测量。微波功率计按灵敏度和测量范围可分为大功率计、中功率计和小功率计。按用途微波功率计又有真有效值和峰值功率计等。微波小功率计是由微波功率探头和指示器两部分组成。指示器进行功率分档，而功率探头主要是拾取功

45、率，也就是将微波功率借助于能量转换器转换成易于测量的低频或直流的参数来实现微波功率的测量。GX2C微瓦小功率计是一种热电耦功率计。它的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。2 BD

46、20-2可变衰减器它的吸收片是呈刀形，从矩形波导宽壁中央的无辐射槽插入到波导中。吸收片是一片镀有镍铬的玻璃吸收片。它的插入深度可以由调节装置改变，并由读数圆筒读出。插入越深，进入波导中的吸收片面积越大，衰减量也大。四、实验步骤1按图1连接测试系统，将N8探头电线连接微瓦功率计输入端，N8功率探头连接在测量线输出端。合上GX2C电源开关，机器预热半小时。2将YM1123微波信号源工作状态置于“外整步” （即无功率输出）。把GX2C功率范围开关置最大处，调节调零粗细旋钮，使其指示为0，功率范围开关从大到小，反复调节调零粗细旋钮，使其指示为0。3置GX2C功率范围在1mW档，检查并零点调节。4根据可

47、变衰减器曲线表，置可变衰减器3dB时工作频率点时的刻度位置。例：工作频率为10GHz，从横坐标衰减（dB）找到3dB对应红线的竖坐标为可变衰减器的刻度4.7。5调节信号源“衰减”旋钮，使GX2C功率指示为1mW（注：N8探头为×10，此时实际微波功率为10mW）。6从可变衰减器曲线表中查到实际6dB时的刻度值。例：从横坐标6dB向上找到红线交点，在竖坐标刻度为5.6，将可变衰减器刻度旋到5.6，记下功率计指示。实际衰减器衰减量增加为（6-3）dB3dB。此时功率计指示应在中间即50（0.5mW）的位置。同理可变衰减器置于9dB刻度时，功率计指示应为25（0.25mW）左右。再衰减3d

48、B时，指示值应为12.5（0.125mW）左右。同理，调节可变衰减器使功率计指示值增加或减小，也可从可变衰减器曲线表上查相对应的衰减量。7记下YM1123微波信号源“等幅”状态下GX2C小功率计某功率指示值，将YM1123微波信号源置于“方波”状态，指示值应下降一半。如等幅为满度10，方波即指示为5。思考题：1为什么说微瓦小功率计是由一个微波功率传感器和一个灵敏度为V的电压放大器组成？2衰减器有几种形式？它们各自的特点是什么？分别应用在什么场合？实验七 定向耦合器的性能测量一、实验目的和要求应用所学的有关理论知识，理解定向耦合器的工作原理。学会对波导定向耦合器主、副线的耦合度（C），方向性（D

49、）的测量。二、实验内容利用微波测量系统测试波导定向耦合器主、副线的耦合度，方向性。三、实验原理1定向耦合器在微波工程中有着广泛的应用，如可用来监视功率、频率和频谱，测量传输系统和元器件的反射系数、插入损耗，还可以用作衰减器、功率分配器等。2波导定向耦合器（主、副线皆为矩形波导的定向耦合器）大都通过主、副波导公共壁上的耦合孔（或槽、缝）进行耦合。主波导中的场通过耦合孔（或槽、缝）进行耦合，并在副波导中激励起主模场。波导定向耦合器一般可按耦合孔的规格分为单孔、双孔、多孔定向耦合器、十字形孔耦合器以及裂缝电桥等。3BD20-5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，

50、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。4定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，分别对应图十所示的、和端口。5定向耦合器的主要技术指标有耦合度、定向性、输入驻波比和工作带宽。输入图10 定向耦合器的四个端口5.1 耦合度C耦合度C（dB）定义为输入端口的输入功率P1和耦合端口的输出功率P3之比的分贝数，即：由于定向耦合器是个可逆四端口网络，因此耦合度（dB）又可表示为：由C的定义可见耦合度的分贝数愈大耦合愈弱。通常

51、把耦合度为010dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器；把耦合度为1020dB的定向耦合器称为中耦合定向耦合器；把大于20dB耦合度的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。5.2 定向性D在理想情况下，隔离端口应没有输出功率，但由于受设计公式和制造精度的限制，使隔离端口尚有一些功率输出。通常采用耦合端口和隔离端口的输出功率之比的分贝数来表示定向耦合器的定向传输性能，称为定向性D（dB），即：上式表明，D愈大隔离端口输出愈小，定向性能愈好。在理想情况下，P40，D。实用中常提出一个最低要求Dmin。5.3 输入驻波比将定向耦合器除输入端口外，其余各端口均接上匹配负载时，输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。此时，网络输入端的反射系数即为网络的散射参量S11，故有：5.4 工作频带宽度满足定向耦合器以上