微波测量系统的使用和波导波长与晶体检波器的校准测量

1、北京邮电大学电磁场与电磁波测量实验 实验内容：微波测量系统的使用和波导波长 与晶体检波器的校准测量 学院： 电子工程学院 班级： 2014211202 执笔者： 组员： 2017年3月25日目录 实验一 微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量11.实验内容11.1实验目的11.2实验原理11.3实验设备21.4实验步骤42.实验数据与分析62.1实验测量数据62.2理论分析62.3实验分析62.4误差分析73.实验心得与体会7实验二 波导波长的测量81.实验内容81.1【方法一】两点法81.2【方法二】间接法102.实验步骤112.1晶体检波率公式计算152.2误差分析152.3间接法测量波

2、导波长163.思考题164.实验总结17实验一 微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量1.实验内容1.1实验目的1. 学习微波的基本知识；2. 了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术；3. 学习用微波作为观测手段来研究物理现象。1.2实验原理测量微波传输系统中电磁场分布情况，测量驻波比、阻抗、调匹配等，是微波测量的重要工作，实验系统主要的工作原理如下图：1.3实验设备1.晶体检波器微波测量中，为指示波导（或同轴线）中电磁场强度的大小，是将它经过晶体二极管检波变成低频信号或直流电流，用电流电表的电流1来读数的。从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调节其短路活

3、塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率。2.波导管本实验所使用的波导管型号为BJ100，其内腔尺寸为a=22.86mm，b=10.16mm。其主模频率范围为8.2012.50GHz，截止频率为6.557GHz。3.隔离器位于磁场中的某些铁氧化体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性，隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输的作用。4.衰减器把一片能吸微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，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从以及去耦合的作用。5.谐振式

4、频率计（波长表）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，它基本不影响波导中波的传输。当电磁波的频率计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。6.匹配负载波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。7.环形器它是使微波能量按一定顺序传输的铁氧体器件。主要结构为波导Y型接头，在接头中心放一铁氧体圆柱（或三角形铁氧体块），在接头外面有“U”形永磁铁，它提供恒定

5、磁场H0。8.单螺调配器插入矩形波导中的一个深度可以调节的螺钉，并沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝作纵向移动，通过调节探针的位置使负载与传输线达到匹配状态。调匹配过程的实质，就是使调配器产生一个反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射而达到匹配。9.微波信号源DH1121C型微波信号源由振荡器、可变衰减器、调制器、驱动电路、及电源电路组成。该信号源频率范围在8.6-9.6GHz内可调，可在等幅波、窄带扫频、内方波调制方式下工作，并具有外调制功能。在教学方式下，可实时显示体效应管的工作电压和电流的关系。仪器输出功率不大，以数字形式直接显示工作频率，

6、性能稳定可靠。 DH1121C型微波信号源10.选频放大器用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，经整流平滑后输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。11.测量线测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。在波导的宽边有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导。线开槽波导中的场由不调谐探头取样，探头的移动靠滑架上的传动装置，探头的输出送到显示装置，就可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息。由于探针与电场平行，电场的变化在探针上就感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。 DH364A00型3cm测量线 1.4实验步骤1.

7、 观察测量系统的微波仪器连接装置，衰减器，波长计，波导测量线的结构形式；2. 熟悉信号源的使用 将信号源的工作方式选择为：等幅位置，将衰减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出； 将信号源的工作方式选择为：方波位置，将衰减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出；3. 熟悉选频放大器的使用；4. 熟悉谐振腔波长计的使用方法。微波的频率测量是微波测量的基本内容之一。其测量方法有两种：（1）谐振腔法；（2） 频率比较法。本实验采用谐振腔法，由于波长和频率的直接关系，所以频率和波长的测量是等效的。调谐过程可以从能量传输线路接收端指示器读数的降低可以判断出来。如图2所示：检波指示器指示I谐振点波

8、长表测微头刻度具体做法：旋转波长表的微测头，当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰，反映在检波指示器上的指示是一跌落点，此时，读出波长表测微头的读数，再从波长表频率与刻度曲线上查出对应的频率。5. 按图一所示的框图连接微波实验系统。6. 微调单螺调配器，使腔偏离区配状态，检波电流计上有一定示数；7. 调节波长计使检波电流计再次出现最小值的时刻，读出此处波长计的刻度值；8. 按照波长计的刻度值去查找“波长计-频率刻度对照表”，就可以得到相应的信号源频率值；9. 改变信号频率，从8.6G开始测到9.6G，0.1G测一次，记录在数据表格中。2.实验数据与分析2.1实验测量数据信号源频率值波长表读数查

9、表得到频率信号源误差相对误差%8.611.7928.6360.0360.4198.710.8608.7160.0160.1848.89.6168.8040.0040.0458.98.4768.9060.0060.0679.07.3099.0220.0220.2449.16.5579.1030.0030.0339.25.6829.2050.0050.0549.34.8479.3110.0110.1189.44.1489.4070.0070.0749.53.2979.5340.0340.3589.62.8359.6080.0080.0832.2理论分析由v=f可知波长与频率之间存在一一对应的关系，

10、所以频率和波长的测量是等效的。所以用波长计测量信号波长可以找到谐振频率。2.3实验分析 相对误差范围在0.033%0.419%，平均误差：0.153GHz，误差很小，在可控范围内可认为与理论一致。2.4误差分析产生误差的原因：(1) 微波信号源预热时间不够长，稳定度不够高。(2) 百分表止挡螺钉和百分表插孔无法精准对齐。(3) 游标读数和百分表读数存在仪器误差和随机误差。(4) 因为是人为旋转手柄，看到检波指示器瞬间大幅度变到极小值时可能不能精准地停止，导致误差。(5) 按照波长计的刻度值去查找“波长计-频率刻度对照表”，刻度值存在误差导致对应的频率也有误差。 3.实验心得与体会这次实验是第三

11、次实验，明显感觉比上两次实验要难。难点在于既要学习新仪器的使用方法，又要兼顾回忆起以前学习过的知识基础，并且在实验过程中，需要极大的耐心，转动手柄的时候必须要非常缓慢，如果太快了的话，会很难找到波节点。还有发现同学们的学习热情都很高，大家遇到问题不仅组内积极讨论组与组之间也积极讨论，表示自己的疑惑或者提出自己的建议、解决问题的办法，我想这才是实验最有益的地方，让我们主动去积极思考，主动去互相讨论。我们组这次实验有一个步骤做错了，所以又得重做，但是大家都没有怨言，老师也很和蔼的让我们接着做，我想当我们真正做对的时候，这种收获是比第一次做对要更加深刻，也更好的理解了实验的初衷。实验二 波导波长的测

12、量1.实验内容1.1【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。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）。1.2两点法确定波节点位置精确地确定驻波节点的位置，不仅在波长的测量、而且在阻抗测量中是非常重要的。为了做到准确测量通常用两点法来确定波节点的位置，即测量波节点附近两边指示电表读数相等的两点T1和T2，如图2所示

13、。 图2 两点法确定波节点位置示意图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T1和T2），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

14、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：  （1a）由图2可知，波导波长 （1b）同样，可以由波导波长，利用（3）计算出信号波长。1.2【方法二】间接法理论上，自由波长和频率的换算方法： c为自由空间波传播速度，约为矩形波导中的波，自由波长和波导波长满足公式： 其中：a=22.86mm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，利用公式确定出，再计算出波导波长。利用波长表进行波导波长测量要注意，测量信号波长完成后要将波长计从谐振点调开，以免信号衰减后影响后面的测量。1.4校准晶体二极管检波器的检波特性由于微波晶体检

15、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

16、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。1.5本实验中采用如下定标方法检波电压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,

17、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。2.实验步骤（1） 观察衰减器、空腔波长计、驻波测量线的结构形式、读数方法。（2） 按图一检查系统的连接装置及连接电缆和电缆头。（3） 开启信号源，预热仪器，并按操作规程调整信号工作频率及幅度，并调整调 制频率。注意：输出信号功率不能过大，以免信号过大烧坏检测器件及仪器，开启选频放大器电源，预热按说明书操作。注意：分贝开关尽量不要放在60db位置，以免工作时因信号过大损坏表头。（4） 利用两点法进行测量，将波导测量线终端短路（同轴测量线终端开路），调 测量放大器的衰减量和可变衰减器使探针位于波腹时，放大器指示电表接近 满格，用公式

18、1a，1b两点法测量波导波长。（5） 将驻波测量线探针插入适当深度（约1.0mm），将探针转移至两个波节点的 中点位置，然后调节其调谐回路，使测量放大器指示最大。（6） 利用间接法来测量波导波长g，首先，用波长计测量信号波长。测三次取平均值，再按照公式二计算g，测量完成后要将波长计从谐振点调开，以免信号衰减影响后面的测量。校准晶体二极管检波器的检波特性（7） 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沿线的分布图形。（8） 设计表格，用驻波测量线校准晶体的检波特性。（9） 作出晶体检波器校准曲线图。令d作为测量点与波节点的距离；do是波节点的

19、实际位置，d0+d就是测量点的实际位置。（10） 再移动探针到驻波的波腹点，记录数据，分别找到波腹点相邻两边指示电表读数为波腹点50%对应的值，记录此刻探针位置d1和d2，根据公式求得晶体检波率n，和（8）所得的数值进行比较。3.实验结果分析两点法测波长T1(mm)139.7112.5T2(mm)129.6 102.5Tmin(mm)134.7107.5由公式（1b）可求得g=54.2mm所测量的波导波长：54.2mm 波节点d0的位置：134.7mm相对电场强度00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0d(理论值)0测量值d00.8611.7332.6333.5454.5

20、25.5456.6967.9769.68613.56实际位置d+d0(mm)135.561136.433137.333138.245139.22140.245141.396142.676144.386148.26134.7U002.99.116.227.036.050.165.183.2100U/Umax000.0290.0910.1620.2700.3600.5100.6510.8321根据U和d的大小，画出U,d的关系曲线，如下图所示：蓝色×- -：原始数据红色曲线：理论数据 将和的值输入到Matlab里，通过线性回归函数polyfit计算出一元线性回归函数的系数，即直线部分的斜

21、率；部分代码如下：E = 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1;U=0.029 0.091 0.162 0.27 0.36 0.501 0.651 0.832 1;E_log=log10(E);U_log=log10(U);c=polyfit(E_log, U_log,1);x=-0.8:0.1:0;y=c(1)*x+c(2);plot(E_log, U_log,'x');hold on;plot(x,y,'r');作出测量线探针在不同位置下的读数分布曲线理论数据原始数据蓝色×- -：原始数据红色曲线：理论数据其中斜率c(

22、1)=2.1426；所以得到晶体检波率n=2.1426；2.1晶体检波率公式计算 d1(mm)d2(mm)W(mm)141.410127.96213.448根据公式可以算得到n=2.038。2.2误差分析通过两点法和间接法算得的波导波长相差不大，约为2.66%，处于合理误差范围内通过曲线法和计算法测得的n相差不大，约为4.88%，处于合理误差范围内；主要误差因素可能有：1.读数误差；2.微波信号源信号不稳定，频率在测量前后有改变。2.3间接法测量波导波长 =8.678GHz,a=22.86mm=52.83mm 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。3.思考题1. 在波导系统终端短路的情况下，插入具有导纳的探针后，波导中真正驻波图形如何改变？答：由于导纳的分流作用，驻波腹点和节点的电场强度都要比真实值小，使位置波节点和波腹点发生偏移。探针呈容性电纳将使驻波腹点向负载方向偏移。如图所示：2. 用波长表测量自由空间信号震荡频率后，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，