3-1 微波系统中电压驻波比的测量微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波不同. 从图3-1-1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者. 与无线电波相比，微波有下述几个主要特点.图3-1-1 电磁波的分类1．波长短(1m ～1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用.2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9～10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替. 另外，微波在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻、电容、电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替.3．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV ，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内. 人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟、原子钟.4．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯、宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前景.综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同. 微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量.微波实验是近代物理实验的重要组成部分.国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例高达50%以上. 据统计美国为66%，日本为50%，法国为54%. 我国自1956年从东德引进第一套微波通信设备以来，经过仿制和自发研制过程，已经取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之λ/m3610910121015101810-910-1110-610-3100103106f /Hz 广播 电视红外可见光 紫外电波无线电波光波X 射线微波间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙. 九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力. 在当今世界的通信革命中，微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一.【实验目的】1．了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用. 2．掌握驻波测量线的正确使用方法.3．掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法.【实验原理】1．微波的基本知识 （1）电磁波的基本关系 描写电磁场的基本方程是：ρ=⋅∇D 0=⋅∇Bt -∂∂=⨯∇BE t ∂∂+=⨯∇Dj H （3-1-1）和E D ε=， H B μ=， E j γ=. （3-1-2）方程组(3-1-1)称为Maxwell 方程组，方程组(3-1-2)描述了介质的性质对场的影响.对于空气和导体的界面，由上述关系可以得到边界条件(左侧均为空气中场量)0=t E ，on E εσ=， i H t = ，=n H .（3-1-3）方程组(3-1-3)表明，在导体附近电场必须垂直于导体表面，而磁场则应平行于导体表面.（2）矩形波导中波的传播在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，b xa图3-1-2 矩形波导管而必须改用微波传输线. 常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线，本实验用的是矩形波导管如图3-1-2所示，波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线.根据电磁场的普遍规律——Maxwell 方程组或由它导出的波动方程以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有两大类波能够在矩形波导中传播：①横电波又称为磁波，简写为TE 波或H 波，磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量. ②横磁波又称为电波，简写为TM 波或E 波，电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量. 在实际应用中，一般让波导中存在一种波型，而且只传输一种波型，我们实验用的TE 10波就是矩形波导中常用的一种波型.① TE 10型波在一个均匀、无限长和无耗的矩形波导,如图3-1-3所示，从电磁场基本方程组(3-1-1)和(3-1-2)出发，可以解得沿z 方向传播的TE 10型波的各个场分量为)(0)sin(z t j y e axE E βωπ-=,0==Z x E E)(0)sin(z t j x e axE H βωπωμβ--=， 0=y H )(0)cos(z t j z e axE a jH βωπωμπ-⋅= （3-1-4） 其中：ω为电磁波的角频率，f πω2=，f 是微波频率；a 为波导截面宽边的长度；β为微波沿传输方向的相位常数 g λπβ/2=λg 为波导波长，2)2(1ag λλλ-=（3-1-5）图3-1-3和式（3-1-4）均表明，TE 10波具有如下特点：a) 存在一个临界波长c λ＝2a ，只有波长λ<λC 的电磁波才能在波导管中传播. b) 波导波长λg >自由空间波长λ.c) 电场只存在横向分量，电力线从一个导体壁出发，终止在另一个导体壁上，并且始终平行于波导的窄边.d) 磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线.e) 电磁场在波导的纵方向(z )上形成行波. 在z 方向上，Ey 和Hx 的分布规律相同，也就是说Ey 最大处Hx 也最大，Ey 为零处Hx 也为零，场的这种结构是行波的特点. ② 波导管的工作状态如果波导终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波的所有能量全部被吸收，这时波导图 3-1-4（a ）行波,（b ）混合波,(c)驻波中呈现的是行波. 当波导终端不匹配时，就有一部分波被反射，波导中的任何不均匀性也会产生反射，形成所谓混合波. 为描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数Γ定义为φj i r E E e /Γ==Γ.驻波比ρ定义为：minmaxE E =ρ （3-1-6） 其中：max E 和min E 分别为波腹和波节点电场E 的大小.不难看出：对于行波，ρ=1；对于驻波，ρ→∞；而当1<ρ<∞,是混合波. 图3-1-4为行波、混合波和驻波的振幅分布示意图.2．电压驻波比的测量驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和品质因数(Q 值)等其它参量. 在测量时，通常测量电压驻波系数，即波导中电场最大值与最小值之比，见（3-16）.测量驻波比的方法与仪器种类很多，本实验着重熟悉用驻波测量线测驻波系数的几种方法.图3-1-3 （a ）,（b ）,(c) TE 10波的电磁场结构 (d)波导壁电流分布(1) 直接法：直接法是测量沿线驻波的量大和最小场强，然后根据（3-1-6）式直接求出电压驻波比. 这种方法适用于测量中、小电压驻波比.当驻波比较小时，晶体二极管为平方检波，如果驻波腹点和节点处指示电表读数分别为I max 和I min ，则 (3-1-1) 式可写成minmax II =ρ （3-1-7）① 驻波比在1.005≤ρ≤1.5时：如图3-1-5所示，此时驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据，然后取平均值再进行计算. 若驻波腹点和节点处电表读数分别为I max ，I min ，则电压驻波系数为 nn nnI I I I I I E E E E E E min 2min 1min max 2max 1max min 2min 1min max 2max 1max +⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅++=++++++=ρ （3-1-8）② 中驻波比(1.5 ≤ ρ ≤ 6 ) 时此时，只须测一个驻波波腹和一个驻波波节，即直接读出I max 、I min ，如图3-1-6所示. minmaxmin maxI I E E ==ρ （3-1-9）(2) 等指示度法：等指示度法适用于测量大、中电压驻波比（ρ>6）. 此时，波腹振幅与波节振幅的区别很大，因此在测量最大点和最小点电平时，晶体工作在不同的检波律，如仍按直接法测量，则产生较大误差，所以采用等指示度法，也就是通过测量驻波波节点附近场的分布规律的间接方法(见图3-1-7).图 3-1-5 小驻波比时的驻波图图3-1-6 中驻波比时的驻波图图3-1-7 大驻波比时的驻波图根据传输线上场强与终端反射系数Γ的关系，并确定驻波节点两旁等指示度之间的距离，可得到如下关系2222min 212cos()(1)ng WI k I πλ+Γ-Γ⎛⎫==⎪-Γ⎝⎭（3-1-10）式中I min 为驻波节点的值，I 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. 经过三角变换，式（3-1-10）变为)sin()(cos 2/2gg n Wk λλπρ-=（3-1-11）我们测量驻波节点的值I min 、节点两旁等指示度的值I 及它们之间的距离W ，其中当k =2时，若n =2（探头晶体为平方律检波），则有)(sin 112gWλπρ+= （3-1-12）这种方法称为“二倍最小值法”或“三分贝法”.当驻波比很大(ρ>6)时，W 很小，有Wg πλρ=（3-1-13）由（3-1-12）、（3-1-13）两式可以看出：W 与g λ的测量精度对测量结果影响很大，因此必须用高精度的探针位置指示装置(如百分表)进行读数.(3) 功率衰减法：这种方法适用于任意驻波比值的测量.用直接法测量驻波比的精度与晶体的检波律有关，因而要求在同一测量中须保持同一检波律，这给测量带来一定的困难. 等指示度法虽然在一定程度上解决了这一矛盾，但当驻波比较大时，对W 的测试要求很高. 功率衰减法测量驻波比能克服以上两种方法的缺点，它是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，因而与晶体的检波律无关，主要取决于衰减器的精度和系统的匹配情况. 用该方法测量驻波比是通过改变精密可变衰减器的衰减量，使探针位于驻波腹点和节点指示电表的读数相同，则驻波比可用下式计算20m inm ax 10A A -=ρ （3-1-14）式中max A 、min A 分别为探针在波腹点和波节点处，指示电表读数相同时所对应的精密可变衰减器的读数.minI I k 最小点读数测量读数=【实验仪器】实验装置如图3-1-8所示. 各部分的作用介绍如下:1．波导管：本实验所使用的波导管型号为BJ —100，其内腔尺寸为a ＝22.86mm ，b ＝10.16mm. 其主模频率范围为8.20～12.50GHz ，截止频率为6.557GHz.2．隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，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，起隔离和单向传输作用.3．衰减器：把一片能吸收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以及去耦合的作用.4．谐振式频率计（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，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.5．晶体检波器：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.6．驻波测量线：驻波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. 在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中. 由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出.7．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.【实验内容与步骤】由于微波的波长很短，传输线上的电压、电流既是时间的函数，又是位置的函数，使得电磁场的能量分布于整个微波电路而形成“分布参数”，导致微波的传输与普通无线电波完图3-1-8 实验装置示意图全不同. 在微波系统中，测量参量主要包括功率、波长和驻波参量，这也是和低频电路不同的. 本实验我们将学习运用驻波测量线，测量大、中、小电压驻波比.1. 开启微波信号源（DH1121C），选择频率约为9.37GHz，预热15分钟.2. 将测量线探针插入适当深度，用选频放大器测量微波的大小，选择较小的微波输出功率并进行驻波测量线的调谐.3. 选信号源的工作方式为“等幅”、“点频”用直读频率计测量微波频率，并计算微波波导波长.4. 微波源工作方式选择“方波”. 测量线终端接短路板，用交叉读数法读出两个相邻波节点的位置，计算波导波长并与计算值比较. 具体方法如下：在所测波节点两端取读数相等的两点d i1、d i2，记录数据. 二者的平均值代表波节点的位置d01，两相邻波节间的距离为波导波长的一半.5. 关闭微波电源，取下短路器，接上单螺旋调配器和匹配负载.6. 调节单螺钉穿伸度为3mm，移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断是驻波状态，分析此时的驻波比的大小.7. 移动探针至驻波腹点，调节指示器灵敏度，使电表读数达满偏（或接近满偏）8.将探针移至测量线的最右端，向左依次测量驻波腹点和节点的幅值I max，I min，记录数据；9. 反向移动测量线探针，重复测量.10. 调节螺钉穿伸度为5mm，移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断驻波状态，分析此时的驻波比的大小.11. 选择驻波的一个波腹点及其相邻的波节点，测量其电压值，记录数据，重复5次；12. 调节螺钉穿伸度为7mm，移动测量线的探针，观察驻波的波节点及波腹点的电压值，判断驻波状态，分析此时的驻波比的大小.13. 等指示度法测量电压驻波比，具体方法如下：（1）测量线探针移至驻波节点. 调整微波可变衰减器、指示器的灵敏度，使指示器电表指针为满度的一半，读取驻波节点幅度值I min.（2）缓慢移动探针，在驻波点两旁找到电表指示读数为2I min的两个指示度点，应用测量线标尺或百分表读取二个等指示点对应的探针位置的读数值d1、d2. 重复5次.（3）记录数据，并计算驻波比.【数据记录与处理】微波频率：1. 波导波长的测量2. 小电压驻波比3. 中电压驻波比4.大电压驻波比（等指示度法测量）【思考题】1．驻波节点的位置在实验中精确测准不容易，如何比较准确的测量?2．如何比较准确地测出波导波长?3．在对测量线调谐后，进行驻波比的测量时，能否改变微波的输出功率或衰减大小? 【参考文献】1. 近代物理实验讲义. 华南师范大学.2. 吴思诚等. 近代物理实验. 北京:北京大学物理实验2005【附录】波导测量线说明书DH364A00型三厘米波导测量线是探测三厘米波段的波导中驻波分布情况的仪器. 它通常用来测量波导元件、波导系统的驻波系数、阻抗，还可测量波导波长、相移等多种参数，是一种通用的微波测量仪器.1. 主要技术指标(1)工作频率范围:8.2～12.4GHz(2)合成电压驻波系数:≤1.03(3)探针插入波导深度:1.5mm(4)探头行程:95mm(5)波导规格:BJ-100 (波导内口尺寸:22.86mm×10.16mm)(6)连接法兰规格:FBP-100(7)外形尺寸:247×170×144(mm)2. 仪器的工作原理和结构三厘米波导测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成. 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. 测量线外形如图3-1-9所示:图3-1-9 测量线外形测量线开槽波导是一段精密加工的开槽直波导,此槽位于波导宽边的正中央，平行于波导轴线，不切割高频电流，因此对波导内的电磁场分布影响很小，此外，槽端还有阶梯匹配段，两端法兰具有尺寸精确的定位和连接孔，从而保证开槽波导有很低的剩余驻波系数.不调谐探头由检波二极管、吸收环、盘形电阻、弹簧、接头和外壳组成，安放在滑架的探头插孔中. 不调谐探头的输出为BNC接头，检波二极管经过加工改造的同轴检波管，其内导体作为探针伸入到开槽波导中，因此，探针与检波晶体之间的长度最短，从而可以不经调谐，而达到电抗小、效率高，输出响应平坦.滑架是用来安装开槽波导和不调谐探头的，其结构见图3-1-10.图3-1-10 滑架结构图滑架各部分的名称、作用说明如下：⑴水平调整螺钉用于调整测量线高度⑵百分表止挡螺钉细调百分表读数的起始点⑶可移止挡粗调百分表读数⑷刻度尺指示探针位置⑸百分表插孔插百分表用⑹探头插孔装不调谐探头⑺探头座可沿开槽线移动⑻游标与刻度尺配合，提高探针位置读数分辨率⑼手柄旋转手柄，可使探头座沿开槽线移动⑽探头座锁紧螺钉将不调谐探头固定于探头插孔中⑾夹紧螺钉安装夹紧百分表用⑿止挡固定螺钉将可移止挡⑶固定在所要求的位置上⒀定位垫圈（图中未示出）用来控制探针插入波导中的深度.。