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微波基本參數(shù)的測(cè)量 【目的要求】 1. 學(xué)習(xí)微波的基本知識(shí)，了解波導(dǎo)測(cè)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(diǎn)，掌握微波基本測(cè)量技術(shù)； 3. 掌握駐波測(cè)量線的正確使用方法； 4. 掌握電壓駐波系數(shù)的測(cè)量原理和方法。 【儀器用具】 微波參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，包括：三厘米固態(tài)信號(hào)源，三厘米駐波測(cè)量線，選頻放大器，精密衰減器，隔離器，諧振式頻率計(jì)（波長(zhǎng)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(cè)手段，微波的研究方法和測(cè)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(gè)主要特點(diǎn) 圖1 電磁波的分類 1．波長(zhǎng)短(1m —1mm)：具有直線傳播的特性，利用這個(gè)特點(diǎn)，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(hào)，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(shí)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(cè)量設(shè)備的線度與波長(zhǎng)具有相近的數(shù)量級(jí)，在導(dǎo)體中傳播時(shí)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(chǎng)，以波長(zhǎng)、功率、駐波系數(shù)等作為基本測(cè)量參量。 4．量子特性：在微波波段，電磁波每個(gè)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(zhǎng)也正好處在微波波段內(nèi)。人們利用這一特點(diǎn)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(diǎn)，不論在處理問題時(shí)運(yùn)用的概念和方法上，還是在實(shí)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(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(jiǎn)寫為TE波（或H波），磁場(chǎng)可以有縱向和橫向的分量，但電場(chǎng)只有橫向分量。②橫磁波（又稱為電波），簡(jiǎn)寫為TM波（或E波），電場(chǎng)可以有縱向和橫向的分量，但磁場(chǎng)只有橫向分量。在實(shí)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(shí)驗(yàn)采用TE10波，是矩形波導(dǎo)中常用的一種波型。 TE10型波： 在一個(gè)均勻、無限長(zhǎng)和無耗的矩形波導(dǎo)中，沿z方向傳播的TE10型波的各個(gè)場(chǎng)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(zhǎng)度； ：微波沿傳輸方向的相位常數(shù)； ：波導(dǎo)波長(zhǎng)（在波導(dǎo)管里面，某些特定波長(zhǎng)的電磁波與波導(dǎo)諧振，其中最長(zhǎng)的一個(gè)波長(zhǎng)被稱為波導(dǎo)的特征波長(zhǎng)，也稱波導(dǎo)波長(zhǎng)）， ：微波在自由空間波長(zhǎng)。 以上表明，TE10波具有如下特點(diǎn)： ① 存在一個(gè)臨界波長(zhǎng)，（矩形波導(dǎo)中傳播的TE波和TM波，都有一定的“臨界波長(zhǎng)”，能在矩形波導(dǎo)中傳播的波長(zhǎng)最長(zhǎng)的電磁波的波長(zhǎng)稱為波導(dǎo)管的臨界波長(zhǎng)）。只有波長(zhǎng)的電磁波才能在波導(dǎo)管中傳播 ② ，即波導(dǎo)波長(zhǎng)λg 大于自由空間波長(zhǎng)λ，（TE波和TM波在波導(dǎo)中的波長(zhǎng)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?yàn)椋▽?dǎo)中電磁波是成“之”字形并以光速傳播的，所以，波導(dǎo)波長(zhǎng)將大于自由空間的波長(zhǎng)。 圖1 電磁波在波導(dǎo)中的傳播 ③ 電場(chǎng)只存在橫向分量，電力線從一個(gè)導(dǎo)體壁出發(fā)，終止在另一個(gè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)的這種結(jié)構(gòu)是行波的特點(diǎn)。 圖 2 TE10波的電磁場(chǎng)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(shí)波導(dǎo)中呈現(xiàn)的是行波，即此時(shí)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(shí)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(shí)，入射波被負(fù)載全部反射。這時(shí)波導(dǎo)管中同時(shí)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(diǎn)電場(chǎng)E的大小0，而＝0，見圖3（C）。 （3）當(dāng)波導(dǎo)終端不匹配時(shí)（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(huì)產(chǎn)生反射），形成所謂混合波。混合波是一種“行駐波”， 波的波腹和波節(jié)點(diǎn)電場(chǎng)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(chǎng)最大值處）和波節(jié)（駐波電場(chǎng)最小值處）點(diǎn)電場(chǎng)E的大小。 不難看出：對(duì)于行波，=1；對(duì)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(zhǎng)、駐波比和功率等微波參數(shù)的測(cè)量方法有其獨(dú)特之處。微波阻抗的測(cè)量是通過檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度的相對(duì)值（即：駐波比）來實(shí)現(xiàn)。波長(zhǎng)的測(cè)量可用諧振腔來進(jìn)行（即通常所稱的“吸收式波長(zhǎng)計(jì)”）。功率的測(cè)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(cè)。 本實(shí)驗(yàn)是使用厘米波中的X波段，其標(biāo)稱波長(zhǎng)為3.2cm，中心頻率為9375MHz。其它主要設(shè)備有： 測(cè)量線：三厘米駐波測(cè)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(duì)于TE10波而言，截止波長(zhǎng)＝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(duì)波導(dǎo)內(nèi)的電磁場(chǎng)分布影響很小，開槽波導(dǎo)中的場(chǎng)由不調(diào)諧探針取樣，探針感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過晶體檢波器變成電信號(hào)輸出，可以顯示沿波導(dǎo)軸線的電磁場(chǎng)變化信息。實(shí)驗(yàn)中就是通過探測(cè)測(cè)量線中電磁場(chǎng)的分布達(dá)到測(cè)量微波的各種參數(shù)目的。 圖4 DH364A00型3cm測(cè)量線外形 直波導(dǎo)管：型號(hào)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(duì)于TE10波而言，截止波長(zhǎng)＝45.72mm，截止頻率為6.557GHz，實(shí)驗(yàn)中作為連接件使用。 隔離器：位于磁場(chǎng)中的某些鐵氧體材料對(duì)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(duì)微波具有單方向傳播的特性。實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(zhǎng)表：電磁波通過耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入波長(zhǎng)表的空腔中，當(dāng)波長(zhǎng)表的腔體失諧時(shí)，腔里的電磁場(chǎng)極為微弱，此時(shí)，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(shí)，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(hào)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(shí)的刻度，通過查表可得知輸入微波諧振波長(zhǎng)。 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(gè)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(dòng)，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(shí)質(zhì)，就是使調(diào)配器產(chǎn)生一個(gè)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(shí)驗(yàn)步驟】 1． 駐波比的測(cè)量：小駐波比(1．05<<1.5) 的測(cè)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(duì)駐波比的測(cè)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(cè)量是微波測(cè)量中最基本和最重要的內(nèi)容之一，通過駐波測(cè)量可以測(cè)出阻抗、波長(zhǎng)、相位和Q值等其他參量。 本實(shí)驗(yàn)是在小信號(hào)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試的，這時(shí)駐波測(cè)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(cè)量測(cè)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(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 圖5駐波測(cè)量框圖 （2）開啟微波信號(hào)源（DH1121C），工作方式選擇“方波”，點(diǎn)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(cè)，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(dòng)波導(dǎo)測(cè)量線的探針測(cè)出波導(dǎo)測(cè)量線位于波腹和波節(jié)點(diǎn)上的和。由于此時(shí)駐波的最大值和最小值相差不大，且不尖銳，不易測(cè)準(zhǔn)，為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，可移動(dòng)探針到幾個(gè)波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，然后取平均值再進(jìn)行計(jì)算。 2．頻率測(cè)量（諧振腔法）： 步驟： （1）按圖5所示的框圖連接成微波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 （2）開啟微波信號(hào)源（DH1121C），工作方式選擇“方波”，點(diǎn)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(cè)，調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器，并移動(dòng)波導(dǎo)測(cè)量線的探針位于波導(dǎo)測(cè)量線中任一個(gè)位置上，使選頻放大器有指示。 （4）旋轉(zhuǎn)波長(zhǎng)表的測(cè)微頭，當(dāng)波長(zhǎng)表與波導(dǎo)中被測(cè)微波的頻率諧振（即波長(zhǎng)表的空腔所對(duì)應(yīng)的固有諧振頻率與波導(dǎo)中被測(cè)微波的頻率相等）時(shí)，將出現(xiàn)吸收峰，反映在選頻放大器上的指示是一跌落點(diǎn)（參見圖6），此時(shí)，讀出波長(zhǎng)表的讀數(shù)，再從波長(zhǎng)表頻率與刻度曲線上查出對(duì)應(yīng)的頻率。 圖6 波長(zhǎng)表的諧振點(diǎn)曲線 3．波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量： 當(dāng)波導(dǎo)終端不匹配時(shí)（任意負(fù)載下），就有一部分波被反射，在測(cè)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(diǎn)的電場(chǎng)0，0，只要測(cè)得駐波相鄰節(jié)點(diǎn)的位置 ，由，即可求得測(cè)量線波導(dǎo)中的微波波長(zhǎng)。 圖7 電場(chǎng)沿測(cè)量線分布圖 為了提高測(cè)量精度，在確定時(shí)，可采用等指示度法測(cè)出最小點(diǎn)對(duì)應(yīng)的（參看圖7），測(cè)出與（略大于）相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 （2）開啟微波信號(hào)源（DH1121C），工作方式選擇“方波”，點(diǎn)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(cè)量線中形成駐波（實(shí)際上是大駐波比的駐波－混合波）。 （4）用測(cè)量線和選頻放大器測(cè)量和，算出測(cè)量線波導(dǎo)中的微波波長(zhǎng)。