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微波基本參數(shù)的測量 【目的要求】 1. 學(xué)習(xí)微波的基本知識，了解波導(dǎo)測量系統(tǒng)，熟悉基本微波元件的作用； 2. 了解微波在波導(dǎo)中傳播的特點，掌握微波基本測量技術(shù)； 3. 掌握駐波測量線的正確使用方法； 4. 掌握電壓駐波系數(shù)的測量原理和方法。 【儀器用具】 微波參數(shù)測試系統(tǒng)，包括：三厘米固態(tài)信號源，三厘米駐波測量線，選頻放大器，精密衰減器，隔離器，諧振式頻率計（波長表），匹配負(fù)載，晶體檢波器，單螺調(diào)配器等。 【原 理】 微波技術(shù)是近代發(fā)展起來的一門尖端科學(xué)技術(shù)，它不僅在通訊、原子能技術(shù)、空間技術(shù)、量子電子學(xué)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面有著廣泛的應(yīng)用，在科學(xué)研究中也是一種重要的觀測手段，微波的研究方法和測試設(shè)備都與無線電波的不同。從圖1可以看出，微波的頻率范圍是處于光波和廣播電視所采用的無線電波之間，因此它兼有兩者的性質(zhì)，卻又區(qū)別于兩者。與無線電波相比，微波有下述幾個主要特點 圖1 電磁波的分類 1．波長短(1m —1mm)：具有直線傳播的特性，利用這個特點，就能在微波波段制成 方向性極好的天線系統(tǒng)，也可以收到地面和宇宙空間各種物體反射回來的微弱信號，從而 確定物體的方位和距離，為雷達(dá)定位、導(dǎo)航等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用。 2．頻率高：微波的電磁振蕩周期(10-9一10-12s)很短，已經(jīng)和電子管中電子在電極間的飛越時間(約10-9s)可以比擬，甚至還小，因此普通電子管不能再用作微波器件(振蕩器、放大器和檢波器)中，而必須采用原理完全不同的微波電子管(速調(diào)管、磁控管和行波管等)、微波固體器件和量子器件來代替。另外，微波傳輸線、微波元件和微波測量設(shè)備的線度與波長具有相近的數(shù)量級，在導(dǎo)體中傳播時趨膚效應(yīng)和輻射變得十分嚴(yán)重，一般無線電元件如電阻、電容、電感等元件都不再適用，也必須用原理完全不同的微波元件(波導(dǎo)管、波導(dǎo)元件、諧振腔等)來代替。 3．微波在研究方法上不像無線電那樣去研究電路中的電壓和電流，而是研究微波系統(tǒng)中的電磁場，以波長、功率、駐波系數(shù)等作為基本測量參量。 4．量子特性：在微波波段，電磁波每個量子的能量范圍大約是10-6～10-3eV，而許多原子和分子發(fā)射和吸收的電磁波的波長也正好處在微波波段內(nèi)。人們利用這一特點來研究分子和原子的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了微波波譜學(xué)和量子電子學(xué)等尖端學(xué)科，并研制了低噪音的量子放大器和準(zhǔn)確的分子鐘，原子鐘。 5．能穿透電離層：微波可以暢通無阻地穿越地球上空的電離層，為衛(wèi)星通訊，宇宙通訊和射電天文學(xué)的研究和發(fā)展提供了廣闊的前途。 綜上所述微波具有自己的特點，不論在處理問題時運用的概念和方法上，還是在實際應(yīng)用的微波系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)上，都與普通無線電不同。微波實驗是近代物理實驗的重要組成部分。 在微波波段，隨著工作頻率的升高，導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)和輻射效應(yīng)增大，使得普通的導(dǎo)線不能完全傳輸微波能量，而必須改用微波傳輸線。常用的微波傳輸線有平行雙線、同軸線、帶狀線、微帶線、金屬波導(dǎo)管及介質(zhì)波導(dǎo)等多種形式的傳輸線，本實驗用的是矩形波導(dǎo)管，波導(dǎo)是指能夠引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸能量的傳輸線。 根據(jù)電磁場的普遍規(guī)律——Maxwell方程組以及具體波導(dǎo)的邊界條件，可以嚴(yán)格求解出只有兩大類波能夠在矩形波導(dǎo)中傳播：①橫電波（又稱為磁波），簡寫為TE波（或H波），磁場可以有縱向和橫向的分量，但電場只有橫向分量。②橫磁波（又稱為電波），簡寫為TM波（或E波），電場可以有縱向和橫向的分量，但磁場只有橫向分量。在實際應(yīng)用中，一般讓波導(dǎo)中存在一種波型，而且只傳輸一種波型，本實驗采用TE10波，是矩形波導(dǎo)中常用的一種波型。 TE10型波： 在一個均勻、無限長和無耗的矩形波導(dǎo)中，沿z方向傳播的TE10型波的各個場分量為 ， ， ， ，， 其中：為電磁波的角頻率，，是微波頻率； : 波導(dǎo)截面寬邊的長度； ：微波沿傳輸方向的相位常數(shù)； ：波導(dǎo)波長（在波導(dǎo)管里面，某些特定波長的電磁波與波導(dǎo)諧振，其中最長的一個波長被稱為波導(dǎo)的特征波長，也稱波導(dǎo)波長）， ：微波在自由空間波長。 以上表明，TE10波具有如下特點： ① 存在一個臨界波長，（矩形波導(dǎo)中傳播的TE波和TM波，都有一定的“臨界波長”，能在矩形波導(dǎo)中傳播的波長最長的電磁波的波長稱為波導(dǎo)管的臨界波長）。只有波長的電磁波才能在波導(dǎo)管中傳播 ② ，即波導(dǎo)波長λg 大于自由空間波長λ，（TE波和TM波在波導(dǎo)中的波長用表示）。波導(dǎo)內(nèi)由入射波與反射波疊加而成的合成波，其相平面?zhèn)鞑サ乃俣确Q為相速，群速是表示能量沿波導(dǎo)縱向傳播的速度，其關(guān)系為。因為，波導(dǎo)中電磁波是成“之”字形并以光速傳播的，所以，波導(dǎo)波長將大于自由空間的波長。 圖1 電磁波在波導(dǎo)中的傳播 ③ 電場只存在橫向分量，電力線從一個導(dǎo)體壁出發(fā)，終止在另一個導(dǎo)體壁上，并且始終平行于波導(dǎo)的窄邊（坐標(biāo)xyz的x軸沿波導(dǎo)橫截面的寬邊，y軸沿波導(dǎo)橫截面的窄邊，z軸沿波導(dǎo)的縱方向）。 ④ 磁場既有橫向分量，也有縱向分量，磁力線環(huán)繞電力線。 ⑤ 電磁場在波導(dǎo)的縱方向(z)上形成行波。在z方向上，和的分布規(guī)律相同，也就是說最大處也最大，為零處也為零，場的這種結(jié)構(gòu)是行波的特點。 圖 2 TE10波的電磁場結(jié)構(gòu)（a）,（b）,(c) 及波導(dǎo)壁電流分布(d) 波導(dǎo)管的工作狀態(tài)： （1）如果波導(dǎo)終端負(fù)載是匹配的（波導(dǎo)終端接入負(fù)載后，由于負(fù)載性質(zhì)的不同，電磁波就將在終端產(chǎn)生不同程度的反射。如果用表示傳輸線的特性阻抗，用表示負(fù)載阻抗, 若波導(dǎo)終端負(fù)載是匹配的，則＝），則入射波全部被負(fù)載吸收而無反射，傳播到終端的電磁波的所有能量全部被吸收，這時波導(dǎo)中呈現(xiàn)的是行波，即此時波導(dǎo)管中的微波的將沿波導(dǎo)管無損耗的向前傳播，傳播時波的幅值不衰減，能量不衰減，就像在真空中傳播一樣，見圖3（a）。 （2）當(dāng)終端短路（微波技術(shù)中的短路是指系統(tǒng)終端接入全反射負(fù)載，即：）時，入射波被負(fù)載全部反射。這時波導(dǎo)管中同時有兩列頻率相同、振幅相同、傳播方向相反的微波，一列是入射波，一列是反射波，這兩列波將在波導(dǎo)管中形成駐波，并且是“純駐波”，波的波腹和波節(jié)點電場E的大小0，而＝0，見圖3（C）。 （3）當(dāng)波導(dǎo)終端不匹配時（任意負(fù)載下），就有一部分波被反射（波導(dǎo)中的任何不均勻性也會產(chǎn)生反射），形成所謂混合波?；旌喜ㄊ且环N“行駐波”， 波的波腹和波節(jié)點電場E的大小0，并且0，見圖3（b）。 為描述電磁波，引入反射系數(shù)與駐波比的概念，反射系數(shù)定義為 。 駐波比定義為：，用駐波比來描述傳輸線阻抗匹配的情況。 其中：和分別為波腹（駐波電場最大值處）和波節(jié)（駐波電場最小值處）點電場E的大小。 不難看出：對于行波，=1；對于駐波，=∞；而當(dāng)1<<∞，是混合波。圖3為行波、混合波和駐波的振幅分布波示意圖。 圖 3（a）行波,（b）混合波,(c)駐波 微波系統(tǒng)中最基本的參數(shù)有頻率、駐波比、功率等。而阻抗、波長、駐波比和功率等微波參數(shù)的測量方法有其獨特之處。微波阻抗的測量是通過檢測電場強(qiáng)度的相對值（即：駐波比）來實現(xiàn)。波長的測量可用諧振腔來進(jìn)行（即通常所稱的“吸收式波長計”）。功率的測量是利用微波的熱效應(yīng)，通過熱電換能器進(jìn)行間接的量測。 本實驗是使用厘米波中的X波段，其標(biāo)稱波長為3.2cm，中心頻率為9375MHz。其它主要設(shè)備有： 測量線：三厘米駐波測量線由開槽波導(dǎo)、不調(diào)諧探頭和滑架組成。其內(nèi)腔尺寸為a＝22.86mm，b＝10.16mm。其主模頻率范圍為8.60～9.6.GHz，對于TE10波而言，截止波長＝45.72mm，截止頻率為6.557GHz。開槽直波導(dǎo)位于波導(dǎo)寬邊的正中央，平行于波導(dǎo)軸線，不切割高頻電流，因此對波導(dǎo)內(nèi)的電磁場分布影響很小，開槽波導(dǎo)中的場由不調(diào)諧探針取樣，探針感應(yīng)出的電動勢經(jīng)過晶體檢波器變成電信號輸出，可以顯示沿波導(dǎo)軸線的電磁場變化信息。實驗中就是通過探測測量線中電磁場的分布達(dá)到測量微波的各種參數(shù)目的。 圖4 DH364A00型3cm測量線外形 直波導(dǎo)管：型號為BJ—100，其內(nèi)腔尺寸為a＝22.86mm，b＝10.16mm。其主模頻率范圍為8.20～12.50GHz，對于TE10波而言，截止波長＝45.72mm，截止頻率為6.557GHz，實驗中作為連接件使用。 隔離器：位于磁場中的某些鐵氧體材料對于來自不同方向的電磁波有著不同的吸收，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)，可使其對微波具有單方向傳播的特性。實驗中隔離器用于振蕩器與負(fù)載之間，起隔離和單向傳輸作用。 可變衰減器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動吸收片可改變衰減量的大小。衰減器起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率以及去耦合的作用。 波長表：電磁波通過耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入波長表的空腔中，當(dāng)波長表的腔體失諧時，腔里的電磁場極為微弱，此時，它基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過波導(dǎo)中的電磁波信號強(qiáng)度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時的刻度，通過查表可得知輸入微波諧振波長。 匹配負(fù)載：波導(dǎo)中裝有很好地吸收微波能量的電阻片或吸收材料，它幾乎能全部吸收入射功率。 單螺調(diào)配器：插入矩形波導(dǎo)中的一個深度可以調(diào)節(jié)的螺釘，并沿著矩形波導(dǎo)寬壁中心的無輻射縫作縱向移動，通過調(diào)節(jié)探針的位置使負(fù)載與傳輸線達(dá)到匹配狀態(tài)。調(diào)匹配過程的實質(zhì)，就是使調(diào)配器產(chǎn)生一個反射波，其幅度和失配元件產(chǎn)生的反射波幅度相等而相位相反，從而抵消失配元件在系統(tǒng)中引起的反射而達(dá)到匹配。 【實驗步驟】 1． 駐波比的測量：小駐波比(1．05<<1.5) 的測量 產(chǎn)生駐波的原因是由于負(fù)載阻抗與波導(dǎo)特性阻抗不匹配。因此，通過對駐波比的測量，就能檢查系統(tǒng)的匹配情況，進(jìn)而明確負(fù)載的性質(zhì)。駐波測量是微波測量中最基本和最重要的內(nèi)容之一，通過駐波測量可以測出阻抗、波長、相位和Q值等其他參量。 本實驗是在小信號狀態(tài)下進(jìn)行測試的，這時駐波測量線中的檢波晶體二極管工作在平方律檢波區(qū)域，檢波電流，可設(shè)：，因此： 通過測量測量線開槽波導(dǎo)中微波駐波波腹處和波節(jié)處的最大電壓值及最小電壓值，就可以計算出波導(dǎo)中微波駐波的駐波比。 步驟： （1）按圖5所示的框圖連接成微波實驗系統(tǒng)。 圖5駐波測量框圖 （2）開啟微波信號源（DH1121C），工作方式選擇“方波”，點頻方式，頻率9～9.5GHz，選擇較小的微波輸出功率，電流<500mA。 （3）用選頻放大器進(jìn)行監(jiān)測，調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器，使微波在波導(dǎo)中形成小駐波比（駐波的最大值和最小值相差不大）的駐波。 （4）移動波導(dǎo)測量線的探針測出波導(dǎo)測量線位于波腹和波節(jié)點上的和。由于此時駐波的最大值和最小值相差不大，且不尖銳，不易測準(zhǔn)，為了提高測量準(zhǔn)確度，可移動探針到幾個波腹點和波節(jié)點記錄數(shù)據(jù)，然后取平均值再進(jìn)行計算。 2．頻率測量（諧振腔法）： 步驟： （1）按圖5所示的框圖連接成微波實驗系統(tǒng)。 （2）開啟微波信號源（DH1121C），工作方式選擇“方波”，點頻方式，頻率9～9.5GHz，選擇較小的微波輸出功率，電流<500mA。 （3）用選頻放大器進(jìn)行監(jiān)測，調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器，并移動波導(dǎo)測量線的探針位于波導(dǎo)測量線中任一個位置上，使選頻放大器有指示。 （4）旋轉(zhuǎn)波長表的測微頭，當(dāng)波長表與波導(dǎo)中被測微波的頻率諧振（即波長表的空腔所對應(yīng)的固有諧振頻率與波導(dǎo)中被測微波的頻率相等）時，將出現(xiàn)吸收峰，反映在選頻放大器上的指示是一跌落點（參見圖6），此時，讀出波長表的讀數(shù)，再從波長表頻率與刻度曲線上查出對應(yīng)的頻率。 圖6 波長表的諧振點曲線 3．波導(dǎo)波長的測量： 當(dāng)波導(dǎo)終端不匹配時（任意負(fù)載下），就有一部分波被反射，在測量線中入射的微波與反射的微波疊加形成所謂混合波，混合波是一種“行駐波”，駐波的波腹和波節(jié)點的電場0，0，只要測得駐波相鄰節(jié)點的位置 ，由，即可求得測量線波導(dǎo)中的微波波長。 圖7 電場沿測量線分布圖 為了提高測量精度，在確定時，可采用等指示度法測出最小點對應(yīng)的（參看圖7），測出與（略大于）相對應(yīng)的兩個位置，則，同理，也可求出來，代入即可求出精度較高的。 步驟： （1）按圖5所示的框圖連接成微波實驗系統(tǒng)。 （2）開啟微波信號源（DH1121C），工作方式選擇“方波”，點頻方式，頻率9～9.5GHz，選擇較小的微波輸出功率，電流<500mA。 （3）調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器，使測量線中形成駐波（實際上是大駐波比的駐波－混合波）。 （4）用測量線和選頻放大器測量和，算出測量線波導(dǎo)中的微波波長。