《微波技术与天线》(09版)

1、綾林电彳科歿比学GUILINUNIVERSITYOFELECTRONICTECHNOLOGY微波技术与天线实验指导书廖欣编与通信学院电子科学与技术教研室2009年3月实验守则实验一、导行电磁波的观测和驻波比测量实验二、二端口微波网络散射参数的测量和阻抗匹配*11实验三、天线增益的测量14注：*为综合性实验 实验守则一、微波技术与天线的实验目的微波技术与天线实验是学习微波、天线理论与技术的重要环肖之一，通过实验，7习微波常用参量和天线基木参量的测量方法和技能；加深对微波和天线理论的理解，以培养分析、解决实际问题的能力；学会微波和天线测量中常用仪器和元件（如微波信号源、测量线、各种微波元件和天线）

2、及有关检波指示电路等调节与使用，进一步学习并提高基木实验技术（正确的操作和观察、数据处理、绘制曲线、实验报告的书写等）；培养科学的工作态度和严密、严格以及实事求是的工作作风。二、微波实验各个环节的要求1预习预习是实验的一个重要环肖，在每次实验之前，必须认真阅读实验实验指导书及教材中的有关内容，明确实验目的、要求、内容和原理；在此基础上做好实验前必要的准备工作，写好预习报告（即实验报告内容中、），做好实验前准备工作（如画好实验记录表格，计划好实验步骤等）。未预习者不得上机操作。实验实验开始时要注意正确连接线路，并经实验指导老师检查后方可开始实验。实验过程中要集中精力，要胆大心细。坚持科学态度，发

3、现数据不合理时，应及吋分析原因，必要吋重测，切不可損自修改数据。实验完毕，将原始数据交指导老师检查，经允许后方可拆除系统。实验报告实验报告的一般内容为：口的要求；原理简述、线路（或方框图），包含主要仪器的型号、规格等；数据处理，包括原始数据、运算结果与误差分析，数据应尽可能整理成表格形式；曲线图；问题讨论、心得体会及建议等。人身安全实验中有些电了仪器带有高压，因此必须注意下列事项：实验者双手要保持干燥，鞋了要有一定绝缘性能；不要用手（或身体其它部位）触及带电部分；不准擅自打开机壳或盖板；一旦发生事故，要立即切断电源，釆取应急措施并及时报告。仪器设备微波仪器设备和元器件价格昂贵，在使用中要多加爱

4、护。使用仪器前必须了解其规格、量程和操作规程，不熟悉其性能和使用方法时，不准使用。注意：不得随便玩弄和扳动仪表上的各种开关。挪动元器件时要轻拿轻放，不要用手接触其内表面。在调节可调元、部件（如波长计、测量线、可变衰减器等）和连接测试系统时，要平稳可靠，切不可强扭破拧。仪器工作时必须有人在场。实验中随时（尤其是开机时）要注意各种仪表上的指示器及其易损部分有无异常现象，一旦发现应立即切断电源，保持现场并迅速报告。凡由于违反操作规则损坏元器件者，该项实验成绩为不及格，并按规定赔偿经济损失。注意维护实验场地的清洁实验结束后，协同搞好卫生方可离开实验室。 2 实验一、导行电磁波的观测和驻波比测量一、实验

5、目的熟悉波导测量线的使用方法；观测矩形波导终端三种状态（短路、接任意负载、匹配）时，咎。波的电场分量沿轴向上的分布；掌握用直接法、等指示度法进行中、小驻波比的测量。二、实验原理传输线中的三种状态对于均匀无耗传输线，其工作状态分为三种：行波、驻波状态和行驻波状态。对于波导系统，其电场的基本解为Er=一勺一ejp=E”护r1（力/）切（1）当终端接短路负载时，导行波在终端全反射纯驻波状态。召=&+=Go久sin（6疋加aa在*纟处2Ey=Eg（严+严）=-2坊。sinpz其模值为:園=2础sin阴最大值和最小值分别为：弓h=2勾（2）当终端接任意负载时，导行波在终端部分被反射一行驻波状态。Ev=A

6、osiii（-x）+几sin（-T）aa在.2纟处Ey=乞严+=厲严-&巧+严+才討旌）=（%-玉）比+2cos0z由此可见，与同轴系统一样，行驻波由一行波与一驻波合成而得。其模值为:补J低o+Eo）2cos0z+（Z；o,Jsin0z其最大值和最小值分别为：=弓。+oE、min*max（3）当终端接匹配负载时，导行波仅有入射波而无反射波一行波状态。 2 #其模值为：Ey=E.由上述理论分析可知，在测量线的终端分别接上短路器、任意负载和匹配负载时，移动探针位置，都可以观测到测量线中不同位置的电场强度（复振幅大小）对应的电流指示读数。测量线的原理和使用（1）测量线的工作原理测量线由探针、谐振活塞

7、、开槽波导（或开槽传输线段）和读数装置等几部分组成（见图l-l）o探针在开槽线中与电场耦合，吸收电磁波的功率，并由检波二极管将吸收的功率转为直流电流；调节谐振活塞主要是为了消除探针的反射影响，避免系统在匹配的条件下，驻波波腹点的位置发生偏移。图1-1波导测就线的结构示意由于测量线中的检波二极管将探针吸收的电磁波功率变为了直流电流，电流表读数/是探针所在处01对应的检波电流。任i位置处园与/的对应关系由检波晶体二极管的检波特性而定，一般，这种关系可通过对二极管的定标来确定。在我们实验中所使用的功率电平范围内（小信号时），一般可近似地认为是平方律检波，即:式（1-1）中，C为比例系数。釆用归一化表

8、示为：|=V7（1-2）（2）测量线的调整使用测量线以前，必须进行调整，其方法如下：开启信号源，测量系统应短路，将探针移至波腹点上，调节探针的调谐活寒，直至输111指示（电流表）读数最大，此时兮已达到最小。调节探针插入深度，同时调整调谐活塞，使指示器读数最大，且达到电流表满刻度的2/3量程以上。调整时应注意，在信号源有足够输111和检波指示器有足够灵敏度的条件下,应尽量取较小的探针插入深度；同时，还应注意，当信号源的频率或探针插入深度改变时，必须重新对探针进行调整。3电压驻波比的概念和测量一个微波元件插入传输线后，会产生反射波，不同性能的元件引起反射波的大小和相位都不相同，它与入射波合成后产生

9、的驻波状态也不相同。在驻波分布图形上有驻波波腹和驻波波节，波腹点的电场最大值为俎纣波节点的电场最小值为绻才电压驻波比定义为传输线上相邻的波腹点和波节点电压振幅之比：釆用归一化场强表示为：卩隘|电压驻波比等于1、8分别表示行波和驻波状态，当驻波比介于1和8之间时为行驻波状态。电压驻波比是微波测量中最基本、最重要的内容之一。通过驻波比测量不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、波导波长、相位移、衰减、0值等其他参量。驻波系数的测量方法很多，主要有测量线法、反射计法、谐振腔法等。这里主要介绍测量线法测驻波系数的原理。（1）直接法测量驻波比时，通过测两检波二极管输出的电流表指示器的最大值（对应

10、于波腹点）和最小值（对应于波节点），求出归一化电流心和心，可以利用晶体定标曲线査出相对应的|和|磕|，并计算驻波比Q值。在实验室的功率电平范围内，取门=2吋，即在平方检波律的情况下，有： 2 #（2）等指示度法等指示度法是通过测量驻波在最小点附近处场强的分布规律，计算出电压驻波比的测量方法。（3）功率衰减法功率衰减法是利用标准可变衰减器改变入射波振幅（或功率），使检波指示不变来测量驻波波腹点与波肖点的电平差，由电平值（分贝值）来计算驻波比。在驻波最小点处记下指示器示数厶111和可变衰减器相应的衰减量乙込（初）；在最大点处调整可变衰减器，使指示器示数仍为厶记下可变衰减器相应的衰减量（苗），计算出

11、电压驻波比。三、实验仪器及线路图实验仪器和线路连接如图1-2所示。微波信号源隔离器等效信号源任意负载图1-2导行波观测实验线路连接匹配负我四、实验内容与步骤调整测量线开启信号源。注意对同轴系统的XB7信号源操作时，应先开“低压”开关,使信号源预热约20分钟后，才能打开“高压”开关；对波导系统的XB9A信号源操作时，直接打开电源开关即可，经过20分钟左右信号输出稳定。按图12连接实验线路图（测量线接短路器）。调节探针位置，使指示器读数为最大（此时探针位于波腹点）。调肖探针插入深度，同时调整调谐活塞，使指示器读数最大，且达到满刻度的2/3量程以上。测量波长3测绘终端三种负载时|E|的分布测量线终端

12、接短路器：在大约1.5个波长范围内，每半个波长范围取大约10个点，依次将探针移到这些位置上并读取测量线标尺刻度0与相应的指示器读数测量线终端接任意负载，重复步骤；测量线终端接匹配负载，重复步骤。驻波比测量直接法测量电压驻波比测量线终端接待测任意负载；移动探针位置，分别测出电流表指示器读数最大値厶逖和最小值厶a等指示度法测量电压驻波比测量线终端接待测任意负载；移动探针至波节点处，测得心n；在波节点两侧左2仏处测得表示刻度蓟和必；五、数据处理与表格波导波长4的计算（1）数据记录表格实验中的测试数据和计算结果记录可以参考表l-lo表1-1交叉读数法测量波导波长数据记录表格波节点1的位置波节点2的位置

13、波节点3的位置入El入Z2Qmml2?inin2Qmin3mn2Qmm3（2）波导波长人g的计算=也；_；盂2%2=|（醞+心）-（醞丄+込心）|；_tf_“=益孑圖_盂3冷3x2=%+氐J-（隘3+隘3）|；2测绘国分布（1）数据记录表格将实验中在1.5个波长内测得的厶和对应的0进行记录，由式（1-2）分别计算出对应的風值。数据和计算结果记录可以参考表12。表1-2传输线三种状态场强分布数据表格终端接测量点123.2930标尺读数4电流表指示z归一化场强広|（2）绘制传输线三种状态的広|分布曲线根据计算结果，以为横坐标、归-化场强片|为纵坐标，在坐标纸上分别绘制传输线三种状态的円分布曲线。六

14、、思考题传输线终端分别接何种负载时，会形成驻波、行驻波和行波？它们各有什么特点？当传输线分别为波导或同轴线时，其电场分布各有什么不同？为什么？ 2 #实验二二端口微波网络散射参数的测量和阻抗匹配孩、实验目的掌握任意无源二端口可逆网络阻抗参数的测量方)一三点法；掌握利用阻抗调配器进行阻抗匹配的方法和技巧。二、实验原理二端口微波网络的散射参数在各种微波网络中，二端口微波网络是最基本的。例如：衰减器、移相器、阻抗变换器和滤波器等均属于二端口微波网络，这些网络的特点是输出功率比输入功率小，所以称为无源网络。表征二端口微波网络特性的参量可以分为两大类：一为反映网络参考面上电压与电流之间关系的参量(如图2

15、1(a)所示)；一为反映网络参考面上入射波与反射波电间关系的参量(如图31(b)所示)。U二端口微波网络 #2 # 2 #(a)(b)图2-1微波无源网络的网络参量网络方法是处理微波问题的重要手段，网络参量虽然在原则上可以计算出来，但一般比较复杂和困难。工程设计上往往釆用测量的方法来确定网络的参量。测量无源网络的参量，有很多的方法，并且有多种表达形式，如阻抗Z参量、导纳Y参量、散射S参量等。微波频段通常釆用S参量，它可以比较容易用实验方法测量出来，并且可以通过相关的公式换算成其它的参量。在图21(b)中，二端口网络参考面(71和72Iftl)上的归一化入射波电压和归一化反射波电压应用叠加原理，

16、可以用两个参考面上的入射波电压来表示两个参考面上的反射波电压，就得到散射参量(S参量)。其网络方程为(2-1)A=爲11+2a2式(2-1)中,各参数的定义如下:,表示0面匹配时，7)面上的反射系数;S2l=,表示0面匹配时，7?面至Q面的传输系数;,表示72面匹配时，门面至72面的传输系数;c,表示右面匹配时，辽面上的反射系数。22=皿A-0对于多端口网络，可以按上述方法同样定义。一般情况下，二端口网络的网络参量均有四个独立参量，但当网络具有某种特性(如对称性或可逆性等)时，网络的独立参量个数将会减少，如微波网络为可逆网络具有互易特性，有：$2=51，则仅有三个独立参数。“三点法”测量原理测

17、量微波网络S参量的方法很多，木实验主要让同学们掌握用三点法测量任意二端口微波网络散射参量。三点法是通过由三次独立测量所得的数据来确定互易双口网络参量的方法，将待测网络的输出面依次短路(反射系数为一1)、开路(反射系数为1)和接匹配负载(反射系数为0),并在输入端面依次测量反射系数，然后根据测量得到的数据代入如下公式计算得出S参量：(2-2)耳=(io+】$)-2口(2-3)式(2-2).(2-3).(2-4)中，对应短路点的反射系数；rls对应开路点的反射系数；r对应接匹配负载时的反射系数。由此可见，对被测网络得参考向工短路、开路、接匹配负载三种状态下测量参考面T1处得归一化阻抗，通过(2-2

18、).(2-3).(2-4)三式，即可计算得到被测网络的三个未知散射参数31、勻2、氐，这种测量方法就是所说的“三点法。微波阻抗的匹配阻抗匹配的含义是使微波系统沿线没有反射，它包括对波源的匹配和对负载的匹配。调配的方法也很多，木实验利用EH双T接头构成的双T调配器对负载进行调配。调配过程的物理意义是：调节调配器，使它产生一个反射波，抵消“失配负载在系统中引起的反射。双T调配器的H臂和E臂内，三枝节调配器的每一个臂内，都装有可调短路器和短路活塞，改变活塞在臂中的位置，即可改变接头处的电抗值。调肖这些臂的短路活塞的位置，可以对除纯电抗负载外的任意失配负载阻抗进行调配。三、实验仪器及条件1、参数未知的

19、二端口可逆微波网络；2、标准信号发生器；3、隔离器；4、可变率减器；5、阻抗调配器；6、波导测量线；7、匹配负载；8、可调短路器。四、实验报告的要求实验报告应包含但不仅包含以下内容：1、设计课题2、已知条件3、性能指标分析4、实验仪器设备5、设计步骤6、结果及分析五、思考题1、测量中能不能将微波二端口网络开口作为开路，为什么？2、双口非互易网络能否采用本实验的方法进行测量？为什么？3、通过实验，试总结调匹配的技巧。实验三天线增益的测量、实验目的初步掌握应用比较法测量喇叭天线的增益。二、实验原理1.天线增益G的定义及物理意义天线增益的定义：G=rD式(31)中，为天线的效率，Q为天线的方向系数。

20、天线增益的物理意义由天线基木理论已知，天线最大辐射方向场强为:厂_4_J606必_J60鎭显然，有方向性天线为：E对于理想无方向性天线，由于G二1,贝山E=西gx由式(3-3)和(3-4),可得：(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)(3-5)由(3-5)可见，要在同-接收点达到同样的辐射场强，有方向性天线所需要的输入功率7只需理想无方向性天线的输入功率爲的1/G也就是说，某天线的增益。表征了该天线在最大辐射方向上与理想无方向性天线相比，所需提高的输入功率的倍数。2.实验原理增益的物理意义就包含了一个比较的意义，比较法就是基于这个思想的。标准天线为增益已知天线，被测天线与标准天线依次同接于一

21、处发射。保证在最大辐射方向上同接收点接收场强大小不变，用可变衰减器改变发射天线的输入功率，哀减量之差即是被测天线的增益。三、实验线路 #O 实验线路如图3-1o指示器1注：图中的指示器为50“A电表。被测天钱标准天銭V指示器2 O #图4-1比较法测天线增益实验线路四、实验步骤按口径尺寸估计被测天线与标准天线的增益，把增益低的天线接至发射端，收、发天线等高架射；开启微波信号源，用波长计测定信号源的工作波长。对测量线探针座的谐振腔进行调谐，使指示器“1”的读数为最大；调节探针深度，使指示器“1”有适当读数。对调配器进行调整，使发射信道呈匹配状态（要求其驻波比不大于1.2）,记录电压波腹点及波节点吋，指示器“1”的读数。对接收端的晶体检波器进行一定的调谐，使指示器“2”的读数尽可能大。发射天线与接收天线互相对准。调节衰减器的衰减量，使指示器有一个恰当的读数，记录衰减器和指示器“2的读数。假设在步骤1中所接的天线为被测天线，并将步骤4中所测的指示器“1”的读数记为厶ax】和厶迪，步骤7中所