微波实验姓名：班级：学号：指导老师：张慧云实验日期：2012.5.9【摘要】：本实验通过研究波导测量系统，根据微波测量的一系列原理以及耿氏二极管原理，设计了几个实验对波导波长、参数α、驻波比进行了测量，对耿氏二极管工作特性进行了测量。

实验过程中，通过控制变量发、数据采集并作图、现象观察等手段，使我们对微波测量系统有了更深入的了解。

通过匹配调节和微波辐射观察，我们也对微波有了更形象的认识。

【关键词】：波导波长、驻波比、微波、耿氏二极管一、前言1、实验背景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的不同。

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全不同。

此外微波系统的测量参量是功率、波长和驻波参量，这也是和低频电路不同的。

2、实验原理1）微波基本测量系统使用及驻波比测量测量驻波比是微波测量的重要工作之一，测量多用的基本仪器为驻波测量线，如图.1图.1驻波测量线图.2探针等效电路图①驻波测量线的调谐当探针插入波导时，在波导中将引起不均匀性，故在测量前须对驻波测量线调谐。

探针等效电路如图.2。

当终端接任意阻抗时，由于Gu 的分流作用，驻波腹点的电场强度要比真实值小，而Bu 的存在将使驻波腹点和节点的位置发生偏移。

当测量线终端短路时，如果探针放在驻波的波节点B 上，由于此点处的输入导纳Y in→∞，故Yu 的影响很小，驻波节点的位置不会发生偏移。

如果探针放在驻波的波腹点，由于此点上的输入导纳Yin→0 ，故Yu 对驻波腹点的影响就特别明显，探针呈容性电纳时将使驻波腹点向负载方向偏移。

欲使探针导纳影响变小，尽量减小探针深度。

而Bu 影响的消除是靠调节探针座的调谐电路来得到。

探针电路的调谐方法是将探针伸入长度放在适当深度（通常用1.0∼1.5mm），测量系统终端短路，将探针移至二波节点之正中位置，调节内外导体的位置，直至输出指示最大，此时Bu 已减至最小。

必须指出，信号源频率或探针深度改变时，必须重新调谐。

②晶体检波特性校准微波频率很高，通常用检波晶体（微波二极管）将微波信号转换成直流信号来检测的。

虽然它非线性，但一定范围内有：I=kEα，其中k,α是和晶体二极管工作状态有关的参量。

，当微波功率变化较大时α和k 就不是常数，且和外界条件有关，所以在精密测量中必须对晶体检波器进行校准。

校准方法：将测量线终端短路，这时沿线各点驻波的振幅与到终端的距离l 的关系应当为: E=k`│sin(2πl/λg)│上述关系中的l 也可以以任意一个驻波节点为参考点。

将上两式联立，并取对数得到: lgI= K + αlg│sin(2πl/λg)│用双对数纸作出lgI---lg|sin(2πl/λg)│曲线，若呈现为近似一条直线，则直线的斜率即是α，若不是直线，也可以方便地由检波输出电流的大小来确定电场的相对关系。

③电压驻波比测量电压驻波系数：ρ=Emax/Emin对于小驻波比情况（1.05<ρ<1.5）:移动探针到几个波腹和波节点，记录数据取平均值再算对于中驻波比情况（1.5<ρ<6）:只需测一个，对于大驻波比：(ρ>5)采用等指示度法，测出节点两旁指示度的值及他们的距离则有：2）微波①矩形波导中波的传播：只有横电波、横磁波可在矩形波导中传播；实际运用中，一般只让波导中存在一种波型。

波导波长为：②波导管工作状态：若波导管终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波所有能量全部被吸收，波导中存在行波；当波导终端不匹配时，有一部分反射，波导中不均匀性也会产生反射，形成混合波。

二、实验（一）实验内容1.开启微波源，选择好频率，工作方式选择“方波”。

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.用直读频率计测量微波频率，并计算微波波导波长。

4.作短路负载时的Ｉ~l曲线，通过此曲线求出实测波导波长并与理论值进行比较。

5.根据短路负载的lg I---lg|sin(2πl/λg)曲线，求出α。

6.测量不同负载的驻波比（匹配负载、喇叭天线、开路及失配负载）。

7.耿氏二极管工作特性的测量。

8.微波辐射的观察。

（二）实验装置如图.3：图.3实验装置图三、实验数据处理及结论1、用直读频率计测量微波频率，并计算微波波导波长。

微波频率：ν = 9.262GHz，波导截面宽边长度：a = (22.86±0.07)mm .波长λ=c/ν = 32.4mm ， 波导波长：λg =λ/√1−(λ/2a)2 = 45.92mm . 2、 做短路负载时的I-l 曲线，通过此曲线求出实测波导波长。

◆ 数据表格：表1、I-l 数据表 ◆ I-l 曲线（图.4）第一个波节和第三个波节的距离即为波导波长 则由曲线得： λg = 46.50mm与理论值相对误差为：[（46.50-45.92）/45.92]x100%=1.2% 误差分析：原因可能有：频率计读，环境参量变化，数据不够多等。

图.4 I-l 曲线图3、根据短路负载的lgI---lg|sin(2πl/λg)|曲线，求出α。

直接截取上步的表格，用origin 作图得图.5：图.5拟合直线为：y=3.859+2.02x 直线斜率即为α：α=2.024、测量不同负载的驻波比（比配负载、喇叭天线、开路及失配负载）1）匹配负载：采用求多组数据求平均值的办法来测量，测量数据如下表.2:表.2 所以：ρ=α√Imax1+Imax2+Imax3Imin1+Imin2+Imin3 =1.00442)喇叭天线：方法同匹配负载，测量数据如下表.3：表.3 所以：ρ=α√Imax1+Imax2+Imax3Imin1+Imin2+Imin3=1.12973）开路： Imax=16.0uA ， Imin=5.0uA, 故：ρ=α√ImaxImin =1.7785 4）失配负载：Imax=28uA ， Imin=0.8uA, 故：ρ=α√ImaxImin=5.81 5、调节匹配练习在调节前，Imax 为28uA ，Imin 为0.8uA ； 在测量线与失配负载间加入单螺旋调配器；经过调节，Imax 为6.0uA ，Imin 为4.5uA ，基本匹配。

调节匹配的原理是，单螺旋调配器也有一个探针，它反射的波与失配负载反射的波等抵消掉，则出现匹配状态，调节单螺旋调配器的探针深度，即是调节波的幅度，而调节L ，则ln 丨sin （2πl/λg)丨lnI在调节相位，当两个反射波的相位相差180度，且幅度相等时，即调节到匹配状态了。

6、耿氏二极管工作特性测量◆数据表格表.4表格中U、I分别为微波源上的电压和电流示数，I1为选频放大器上电流的示数可作为功率的反映。

◆I-U曲线图.6由图.6可看出：耿氏二极管具有负阻效应，图像与理论大致相符，但是可能由于测量仪器本身的原因导致了曲线在中间下降不太明显。

◆I。

-U曲线图.7从图7可以看出，大约在U>9V之后，I。

才有了较明显的变化，也就是说此时才有明显的微波信号产生。

7、微波辐射的观察1）当两个喇叭相对放置：①不放东西：I=50uA ②放置金属板：I=0③金属栅竖放：I=0 ④金属栅横放：I=8uA2）当两个喇叭垂直放置：①不放东西：I=0 ②放置金属板：I=50uA③金属栅竖放：I=20uA ④金属栅横放：I=8uA原因分析：两个喇叭天线相对放置并拉开一段距离时，由于微波是一种电磁波，微波的能量传递是由变化的电场和磁场传递的，所以尽管晶体检波器去微波发生装置没有直接相连，晶体检波器仍然接收到了微波传递的能量；在两个喇叭之间放一块金属板时，由于微波是由变化的电场和磁场传播的，金属会屏蔽电磁波，这样微波就不能传到晶体检波器了，从而I变为0；实验中所用的微波具有方向性，这使得竖着的栅框对其有很强的屏蔽作用，而横着的栅框对其作用较小，从而当金属栅框竖着放入时I=0.0uA，而金属栅框横着放入时，I=8uA。

而将喇叭垂直放置，电流表示值为0，其原因是微波频率很高、波长很短、具有直线传播特性；放上金属板和线框时，电流表有示值是由于金属能够反射电磁波，反射的电磁波传到了晶体检波器。

放金属板时电流表示值比较大是由于用金属板微波透射相对少，损失的能量相对较少，晶体检波器接收到的能量相对较大；用线框（无论是竖框还是横框）损失的能量比较大。

四、思考与讨论1、开路波导的ρ不为无穷大，为什么？因为，微波在真空中传播是速度为C ，但在介质中群速度将小于C ，且在介质与介质交界处会有变化，且由于探针因素影响，波导管内并不均匀，微波信号受到干扰等，所以开路波导波长不会为无穷大。

而喇叭天线和开路的区别就在于，介质交界面是缓慢过度的，所以喇叭天线的驻波比小于开路。

2、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？可以在实验中波节处连续的多测几个点，然后做图连出数据点的走势线，从中读出波节的位置。

3、 如何比较准确的测出波导波长？①把微波的功率调大一点，可以减小干扰信号的影响；②每次改变测量线的位置后，等到选频放大器上的示数稳定再读数； ③认真做测量线的调谐； ④测量时可将测量范围扩大。

4、 在对测量线调谐后，进行驻波比测量时，能否改变微波的输出功率或衰减大小？ 可以。

进行前面测量要用到公式lg I =K + αlg | singl2λπ|，要求K 、α工作在同一检波律下，微波频率变化较大时K 、α不再是常数，且与外界条件有关，将无法求出α。

因此不能调微波输出功率和衰减。

但测量驻波比时，不要求α是常数，由公式 αkE I = 和公式αρmin6min2min1max6max2max1I ......I I I ......I I ++++++= 可知，只要在测量同一组max I 和 min I 时保持α固定就可以了，测量不同组数据时α可以改变，不会影响到计算结果。