电磁场、微波测量实验指导书(电子专业适用)范懿、许明妍编班级：111044C班学号：111044309姓名：贾二超中国民航大学电子信息工程学院二零一三年十二月实验一 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λ，并确定电磁波的相位常数β 和波速υ。

（3）了解电磁波的其他参量，如波阻抗η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。

通过测定驻波场节点的分布，求得波长λ的值，由2πβλ=、f υλ=得到电磁波的主要参数：β、υ。

设0r P 入射波为：0j i i E E e βγ-=当入射波以入射角θ向介质板斜投射时，在分界面上产生反射波r E 和折射波i E 。

设入射波为垂直极化波，用R ⊥表示介质板的反射系数，用0T ⊥和T ε⊥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2r P 和固定板1r P 都是金属板，其电场反射系数为-1，则3r P 处的相干波分别为：110j r i E R T T E e φε-⊥⊥⊥=- 1131()r r L L L φββ=+=220j r i E R T T E e φε-⊥⊥⊥=- 22331()()r r r r L L L L L φββ=+=++ 其中，21L L L ∆=-因为1L 是固定值，2L 则随可动板位移L 而变化。

当2r P 移动L 值时，使3r P 具有最大输出指示时，则有1r E 和2r E 为同相叠加；当2r P 移动L 值，使3r P 具有零值输出指示时，必有1r E 和2r E 反相。

故可采用改变2r P 的位置，使3r P 输出最大或零指示重复出现。

在3r P 处的相干波合成 121210()i i r r r i E E E RT T E e e φφε--⊥⊥=+=-+或写成 12()122102cos()2j r i E R T T E eφφεφφ+-⊥⊥-=- 式中12L φφφβ=-=为测准入值，一般采用 3r P 零指示办法 ，即cos()02φ=或(21)22n φπ=+ n=0.1.2….. n 表示相干波合成驻波场的波节点（0r E =）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0r E =的驻波节点作为参考位置0l :2πφλλ= 故2(21)n L ππλ+=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3r P 传播的波应有：E =y y E ,H =-x x H S =E ⨯H=z y x E H =z 2yE μ（4）测量值移动可动板2r P ，测n l 值，根据测得值，计算λ、β、υ的值。

30l l l =-2ln λ== 34.02 2πλ= 0.185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3－1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3－1 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，通常取1.0～1.5mm。

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f c =λ，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（3－2）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p λλ=，而在波导系统中，测量线测出的是波导波长p λ，根据波导波长和工作波长之间的关系式：p λ=（3—1）便可算出工作波长λλ=（3—2）式中2c a λ=，a —波导宽边尺寸，本系统矩形波导型号为BJ-100(16.1086.22⨯=⨯b a mm 2)，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11d ，12d ，21d ，22d ，然后分别取其平均值作为波节点位置，如图3—2所示。

0111121()2d d d =+ （3—3） 0221221()2d d d =+ （3—4）02012d d p -=λ （3—5）图3－2 交叉读数法测量驻波节点位置3．晶体检波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：n I CU = （3—6）式中n 是晶体二极管检波律；如1,n I U =∝，称线性检波；当22,n I U =∝，称平方律检波。

图3－3 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3—3所示。

由图可见，在1U U >范围内近似线性；2U U <时呈平方律；处在21U U U <<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：n I C E '= （3－7）故要从检波电流读数值决定电场强度的相对值，就必须确定晶体检波律n 。

当n ＝2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n ＝2。

三、实验仪器及装置图图3－4 测试装置图四、实验内容及步骤 1．调整测量线1.1 参照图3－4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1～1.5mm 。

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3－1 波长计测量工作波长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11d ，12d ，将探针移动相邻的波节点上，用同样的方法读取21d ，22d ，并计算波导波长p λ，由式(3—2)计算工作波长λ，将上述测量和计算数据填入表3—2。

表3－2 计算p λ和λ 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11d ，12d ，将探针移动相邻的波节点上，用同样的方法读取21d ，22d ，并计算波导波长p λ，由式(2—2)计算工作波长λ，将数据填入表3—3。

表3－3 计算p λ和λ 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：max minE E ρ=（4－1）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. 直接法直接测量沿线驻波的最大和最小场强（参见图4－1），根据式（4－1）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4－1 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max I 和min I ，晶体二极管为平方律检波，则式（4－1）成为：ρ=（4－2）当驻波比1.05 1.5ρ<<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。

ρ=（4－3a ）或max 1nI n I ρ=+（4－3b ） 当驻波比1.56ρ<<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（6ρ>）。

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。