电磁场微波实验指导书(电子专业)

1、电磁场、微波测量实验指导书(电子专业适用)实验一 电磁波参量的测量一、实验目的（1）在学习均匀平面电磁波特性的基础上，观察电磁波传播特性如E、 H和 S 互相垂直。（2）熟悉并利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长，并确定电磁波的相位常数 和波速。（3）了解电磁波的其他参量，如波阻抗等。二、实验仪器（1） DH1211型3cm固态源1台（2） DH926A型电磁 波综合测试仪1套（3） XF-01选频放大器1台（4） PX-16型频率计三、实验原理两束等幅、同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内从相同（或相反）方向传播时，由于初始相位不同，它们相互干涉的结果，在传播路径上形成驻波分布。通过测定

2、驻波场节点的分布，求得波长的值，由、得到电磁波的主要参数：、。设入射波为：当入射波以入射角向介质板斜投射时，在分界面上产生反射波和折射波。设入射波为垂直极化波，用表示介质板的反射系数，用和表示由空气进入介质板和由介质板进入空气的折射系数。可动板和固定板都是金属板，其电场反射系数为-1，则处的相干波分别为： 其中，因为是固定值，则随可动板位移而变化。当移动值时，使具有最大输出指示时，则有和为同相叠加；当移动值，使具有零值输出指示时，必有和反相。故可采用改变的位置，使输出最大或零指示重复出现。在处的相干波合成 或写成 式中为测准入值，一般采用 零指示办法 ，即或 n=0.1.2. n表示相干波合成

3、驻波场的波节点（）处。除n=0以外的n值，表示相干波合成驻波的半波长数。将n=0时的驻波节点作为参考位置: 故四、实验内容（1）了解并熟悉电磁波综合测试仪的工作特点，使用方法，特别要熟悉与掌握利用相干波原理测试电磁波波长的方法（2）了解3cm固态源的使用方法和正确操作。（3）电磁波E、H和S三者符合右手螺旋规则，向传播的波应有：E=,H=-S=EH=（4）测量值 移动可动板，测值，根据测得值，计算、的值。（单位：mm）数字频率计指示 MHz mm微安表零指示4可移动板总位移 mm自由空间波长= mm波的相位常数= 自由空间波速= m/s实验二 微波测试系统的认识与调试一、实验目的1. 了解微波

4、测试系统。2. 三厘米波导系统的安装与调试。二、实验原理1. 微波测试系统微波测试系统常用的有同轴和波导两种系统。同轴系统频带宽，一般用在较低的微波频段（二厘米波段以下）；波导系统（常用矩形波导）损耗低、功率容量大，一般用在较高频段（厘米波段直至毫米波段）。微波测试系统通常由三部分组成，如图21（a）所示。图21 微波测试系统（1） 等效电源部分（即发送端）这部分包括微波信号源，隔离器，功率、频率监视单元。信号源是微波测试系统的心脏。测量技术要求具有足够功率电平和一定频率的微波信号，同时要求一定的功率和频率稳定度。功率和频率监视单元是由定向耦合器取出一小部分微波能量，经过检测指示来观察源的稳定

5、情况，以便及时调整。为了减小负载对信号源的影响，电路中采用了隔离器。（2） 测量装置部分（即测量电路）包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等），以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率计探头等）。（3） 指示器部分（即测量接收器）指示器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、功率计、示波器、数字频率计等。当对微波信号的功率和频率稳定度要求不太高时，测量系统可简化如图21（b）所示，微波信号源直接与测量装置连接，其工作频率可由波长计测得。2. 微波信号源通常，微波信号源有电真空和固态的两种。3. 测量指示器常用指示器有指示等幅波的直流微安表、光点检流计、微瓦功率

6、计，有指示调制波的测量放大器、选频放大器。此外，还可用示波器、数字电压表等作指示器。实验室常用测量放大器和选频放大器作指示器，因为这类仪表灵敏度高，能对微弱信号进行宽带或选频放大，接在测量线、晶体检波器、热敏电阻架及其它测试设备的输出端可进行各类测量。三、实验内容和步骤了解微波测试系统：1. 观看按图21（a）装置的微波测试系统。2. 观看常用微波元件的形状、结构，并了解其作用、主要性能及使用方法。常用元件如：铁氧体隔离器、衰减器、频率计（或称为波长表）、定向耦合器、晶体检波器、全匹配负载、波导同轴转换器等。四、注意事项测试过程中，若指示电表偏转超过满刻度或无指示，可调整可变衰减器衰减量或指示

7、器灵敏度。五、实验报告要求写出所用设备及仪器名称，画出测试装置图。六、思考题开启电源前，为何将衰减器衰减量置于最大，而将指示器灵敏度置于最小位置？实验三 微波工作波长的测量 一、实验目的1. 熟悉测量线的使用方法。2. 掌握工作波长测量的方法。二、实验原理1测量系统的连接与调整进行微波测量，首先必须正确连接与调整微波测试系统。图31示出实验室常用的微波测试系统，信号源通常位于左侧，待测元件接在右侧，以便于操作。连接系统平稳，各元件接头对准。晶体检波器输出引线应远离电源和输入线路，以免干扰。如果系统连接不当，将会影响测量精度，产生误差。图31 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

8、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。本实验讨论驻波测量线的调整和晶体检波器的校准。2测量线的调整及波长测量（1）驻波测量线的调整驻波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，如测驻波、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。为了减小其影响，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选择合适的探针穿伸度、调谐探头和测定晶体检波特性。探针电路的调谐方法：先使探针的穿伸度适当，通常

9、取1.01.5mm。然后测量线终端接匹配负载，移动探针至测量线中间部位，调节探头活塞，直到输出指示最大。（2）波长测量测量波长常见的方法有谐振法和驻波分布法。a. 用谐振式波长计测量。调谐波长计，使得指示器指针达到最大值，记录此时的波长计刻度，查表，确定波长计谐振频率，再根据，计算出信号源工作波长。b. 用驻波测量线测量，当测量线终端短路时，传输线上形成纯驻波，移动测量线探针，测出两个相邻驻波最小点之间的距离，即可求得波导波长，再根据公式（32）计算出工作波长。c. 将精密可调短路器接在测量线的输出端，置测量线探针于某一波节点位置不变，移动可调短路器活塞，则探针检测值随之由最小逐渐增至最大，然

10、后又减至最小值，即为相邻的另一个驻波节点，短路器活塞移动的距离等于半个波导波长。在传输横电磁波的同轴系统中，按上述方法测出的波导波长就是工作波长，即，而在波导系统中，测量线测出的是波导波长，根据波导波长和工作波长之间的关系式： （31）便可算出工作波长 （32）式中，波导宽边尺寸，本系统矩形波导型号为BJ-100 (mm2)，为了提高测量精度，通常采用交叉读数法确定波节点位置，并测出几个波长，求其平均值。所谓交叉读数法是指在波节点附近两旁找出电表指示数相等的两个对应位置 ，然后分别取其平均值作为波节点位置，如图32所示。 （33） （34） （35）图32 交叉读数法测量驻波节点位置3晶体检波

11、器特性的测定检波电流与加在晶体二极管上的电压关系为： （36）式中n是晶体二极管检波律；如，称线性检波；当，称平方律检波。图33 二极管检波特性二极管检波特性随其端电压大小而变化，当其端电压较小时，呈现出平方律；端电压较大时，呈现出线性规律，如图33所示。由图可见，在范围内近似线性；时呈平方律；处在范围内，检波律n不是整数。因此加在晶体管两端电压变化幅度较大时，n就不是常数，所以在精密测量中必须对晶体检波律进行标定。测量线探针在波导中感应的电动势（即晶体二极管两端电压U）与探针所在处的电场E成正比，因而，检波电流和波导中的场强同样满足关系式： （37）故要从检波电流读数值决定电场强度的相对值，

12、就必须确定晶体检波律n。当n2时，该检波电流读数即为相对功率指示值。实验中，大多数微波测试系统属于小信号工作状态，因此，晶体检波律基本为平方律，如果不是精密测量，可取n2。三、实验仪器及装置图图34 测试装置图四、实验内容及步骤1调整测量线1.1 参照图34连接各微波元件。1.2 测量线终端接晶体检波架，调整微波信号源使获得最佳方波调制输出功率。1.3 调整测量线：（1）测量线终端接匹配负载，并将探头晶体检波输出端接选频放大器。（2）转动探头上部的调节螺母来调整探针插入深度，其读数由顶部标尺刻度指示（单位为mm）。插入深度取11.5mm。调谐探针回路（调银白色活塞），使指示器读数最大，再调谐检

13、波回路（黑色活塞），使指示器读数最大。2. 工作波长的测量2.1 用波长计测量工作频率，记录数据，随即失谐频率计。表31 波长计测量工作波长信号源工作频率波长计刻度查表对应工作频率工作波长2.2 测量线终端换接短路板，移动探针至驻波节点，然后在此波节点两边以一个适当的读数为参考，记下相应探针的位置 ，将探针移动相邻的波节点上，用同样的方法读取，并计算波导波长，由式(32)计算工作波长，将上述测量和计算数据填入表32。 表32 计算和 单位：mm2.3 将精密可调短路器接在测量线的输出端，置测量线探针于某一波节点位置不变，移动可调短路器活塞，在波节点两边以一个适当的读数为参考，记下相应探针的位置

14、 ，将探针移动相邻的波节点上，用同样的方法读取，并计算波导波长，由式(22)计算工作波长，将数据填入表33。表33 计算和 单位：mm五、思考题1阅读实验指导书，了解测量线的调整方法。六、注意事项1测量波导波长或其它微波参量时，测量线探针位置及短路活塞位置必须朝一个方向移动，以免引起回差。2. 当微波信号源工作频率改变时，测量线必须重新调整。实验四 电压驻波比的测量一、实验目的掌握测量大、中电压驻波比的方法。二、实验原理电压驻波比（简称驻波比）是传输线中电场最大值与最小值之比，表示为： （41）测量驻波比的方法及仪器很多，本实验讨论用驻波测量线，根据直接法，等指示度法测量大、中电压驻波比。1.

15、 直接法直接测量沿线驻波的最大和最小场强（参见图41），根据式（41）直接求出电压驻波比的方法称直接法。该方法适用于测量中、小驻波比。图41 无耗线上的驻波图如果驻波腹点和节点处指示电表读数分别为和，晶体二极管为平方律检波，则式（41）成为： （42）当驻波比时，驻波的最大值和最小值相差不大，且波腹，波节平坦，难以准确测定。为了提高测量精度，可移动探针测出几个波腹和波节点的数据，然后取其平均值。 （43a）或) （43b）当驻波比时，可直接测量场强最大值和最小值。2. 等指示度法等指示度法测量适用于大、中电压驻波比（）。如果被测件驻波比较大，驻波腹点和节点电平相差悬殊，因而测量最大点和最小点电

16、平时，使晶体工作在不同的检波律，故若仍按直接法测量驻波比误差较大。等指示度法是测量驻波图形节点两旁附近的驻波分布规律，从而求得驻波比的方法，因此能克服直接法测量的缺点。图42 等指示度法如图42，设为驻波节点指示值，为驻波节点相邻两旁的等指示值，W为等指示度之间的距离，终端反射系数为，则： （44a）根据，及式，可得： （44b）当探头为晶体平方律检波，时，驻波比按式（34c）计算，这种方法也称为“二倍最小值法”或“三分贝法”。 （44c）当时，很小，则式（34c）可简化为： （45）3. 功率衰减法功率衰减法适用于任意驻波比的测量，它用精密可变衰减器测量驻波腹点和节点两个位置上的电平差，从而

17、测出驻波比。改变测量系统中精密可变衰减器的衰减量，使探针位于驻波腹点和节点时指示电表的读数相同，则驻波比可用下式计算： （46）式中，分别为探针位于波腹和波节点时精密衰减器衰减量。三、实验仪器及装置图如图43所示。四、实验内容及步骤1. 微波测试系统的调整1.1 按图33检查测试系统，测量线终端接检波架，开启电源，预热各仪器。1.2 按操作规程使信号源工作在方波调制状态，并获得最佳输出。1.3 调整测量线，调整探针电路，检波电路，使测量线工作在最佳状态。调整输入功率电平，使晶体工作在平方律检波范围内。图43 测试装置图1.4 用直读式频率计测量工作频率，记录数据。1.5 测量线终端接短路板，用

18、交叉读数法测量两个相邻波节点位置，计算波导波长，重复五次，将数据记于表41中，取平均值作为。 表41 波导波长 单位：mm次数n1232 用直接法测量开口波导及单螺钉的电压驻波比。2.1 测量线终端开口，移动探针至驻波腹点，调整指示器灵敏度，使指示电表读数达满度（或近满度，“100”或“90”）。2.2 分别测定驻波腹点和节点的幅值和 ，列表4-2记录数据并计算。表42 驻波腹点和节点的幅值指示计读数12342.3 测量线终端接单螺钉（旋入4mm）和匹配负载，重复步骤2.1，2.2，并测量两次，列表记录数据并计算 。3. 用等指示度法测量单螺钉的电压驻波比。3.1 调节单螺钉穿伸度约7mm，测

19、量线探针移至驻波节点。调整可变衰减器，指示度灵敏度，必要时可调整测量线探针穿伸度（一般不调），使指示电表读数接近“40”或“50”，读取驻波节点幅值。3.2 缓慢移动探针，在驻波节点两旁找到电表指示读数为的两个等指示度点，应用测量线标尺刻度读取二个等指示度点对应的探针位置读数值和，重复五次，将数据记于表43。3.3 根据公式计算驻波比。表43 等指示度法测驻波比次数n对应的探针位置（mm）（mm）12344. 功率衰减法 表44 可变衰减器读数五、思考题1. 用等指示度法测量W时，移动测量线探针位置应注意什么？2. 推导公式（44a），(44b)和（44c）。 3. 开口波导的驻波比，为什么？

20、如何在波导终端获得一个真正的开口面，应采用什么方法？六、实验报告要求1. 画出实验装置图。2. 整理实验数据。实验五 定向耦合器特性的测量一、实验目的研究定向耦合器的特性。二、实验原理定向耦合器是一种有方向性的微波功率分配器件，通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型。定向耦合器包含主线和副线两部分，在主线中传输的微波功率经过小孔或间隙等耦合元件，将一部分功率耦合到副线中去，由于波的干涉和叠加，使功率仅沿副线中的一个方向传输（称“正方向”），而在另一方向几乎没有（或极少）功率传输（称“反方向”）。图51 定向耦合器原理图 定向耦合器的特性参量主要是：（1）耦合度，（2）方向性，（3）输入驻波比，（4）带宽范围。1. 耦合度及其测量输入至主线的功率与副线中正向传输的功率之比称为定向耦合器的耦合度C。 （51）式中，、分别为主线输入端的功率及电压；、分别为副线正方向传输功率及电压。本实验测定某定向耦合器的耦合度。首先测量主波导输入端的功率电平，然后将耦合器正向接入测量系统，参见图52，测出副波导正向输出端的功率电压，在耦合度C可根据公式（51）计算。也可以改变精密可变衰减器衰减量，使两种情况的检测指示器读数相等，则衰减器的读数差即为耦合度C。图52 测量定向耦合器耦合度装置图2. 方向性及其测量副线中正方向传输功率与反向传输的功率之比称为定向耦合器的方向性D。 （52）式中，、分