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微波测量实验指导书


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实验一 微波测试系统的认识与调试
一、实验目的 1. 了解微波测试系统。 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 1-1(a)所示。
( a b 22.86 10.16 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 d11 , d12 , d 21 , d 22 ,然后分别取其平均值作为 波节点位置,如图 2—2 所示。
图 1-1 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。
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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 1-1 (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 1-1(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?
2
p
d
(2-8)
E 2 sin d Em p
(2-9)
式中,d 是探针位置与电压波节点的距离。 , (2-8)和(2-9)得: 若电流波腹点处的电流为 I m ,由式(2-7)
I 2 d n I sin( ) E p Im
对式(2-10)两边取对数得:
n
(2-10)
lg I n lg E
表 2-2 计算 p 和 单位:mm
d11
d12
d 01
d 21
d 22
d 02
p

2.3 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 d11 , d12 ,将探针移动相邻的波节点上,用同样的方法读取 d 21 , d 22 , 并计算波导波长 p ,由式(2—2)计算工作波长 ,将数据填入表 2—3。
n
lg 0.5 W lg cos( )
(2-12)
p
根据测定的晶体检波律,即能得到晶体平方律检测工作范围。
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图 2-4 按半峰点距离求晶体检波律
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 2-5 测试装置图
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I C E n
(2-7)
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。 实验室常用的晶体定标方法——驻波法 (1)第一种方法:测量指示器读数与相对场强的关系曲线。 当测量线终端短路时,沿线各点电场分布为:
E Em sin E
图 2-1 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
四、实验内容及步骤 1.调整测量线 1.1 参照图 2-5 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
1 d 01 (d11 d12 ) 2
4
(2—3)
1 d 02 (d 21 d 22 ) 2 1 p d 01 d 02 2
(2—4) (2—5)
图 2-2 交叉读数法测量驻波节点位置
2.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:
I CU n
(2—6)
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实验二 测量线调整与晶体检波器校准
一、实验目的 1. 熟悉测量线的使用方法。 2. 掌握校准晶体检波器特性的方法。 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 2-1 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。
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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 c f ,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(2 -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 ,而在波导系统中,测量线测出的是波导波长 p ,根据波导波长和工作波
长之间的关系式:
p

1 c
2
(2—1)
便可算出工作波长

p
1 p c
2
(2—2)
式中
c 2a , a — 波 导 宽 边 尺 寸 , 本 系 统 矩 形 波 导 型 号 为 BJ-100
2
式中 n 是晶体二极管检波律;如 n 1, I U ,称线性检波;当 n 2, I U ,称 平方律检波。
图 2-3 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 2—3 所示。由图可见,在 U U1 范围内近 似线性;U U 2 时呈平方律;处在 U 2 U U1 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:
即:
n
lg I lg E
lg I lg sin( 2 d
(2-11)
p
)
将 I 与 sin 2 d 直接标在全对数坐标纸上, 连成平滑曲线即为 lg I ~ lg sin 2 d 曲线, p p 曲线的斜率就是晶体检波律 n。 (2)第二种方法 测量线终端短路,测出两个半峰值读数间的距离 W,如图 2-4 所示,则检波 律 n 可根据下式计算:
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2.1 用波长计测量工作频率,记录数据,随即失谐频率计。 表 2-1 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 d11 , d12 ,将探针移动相邻的波节点 上, 用同样的方法读取 d 21 ,d 22 , 并计算波导波长 p , 由式(2—2)计算工作波长 , 将上述测量和计算数据填入表 2—2。
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