实验报告
实验课程: 微波技术与天线
学生姓名:
学 号:
专业班级:
2011年6月3日
实验一微波测量系统的认识及功率测量
实验二 微波波导波长、频率的测量、分析和计算
实验三 微波驻波比、反射系数及阻抗特性测量、分 析和计算 实验四微波网络参数的测量、分析和计算
实验微波测量系统的认识及功率测量
实验
微波测量系统的认识及功率测量
一、 实验目的:
熟悉基本微波测量仪器;
了解各种常用微波元器件;
学会功率的测量。
二、 实验内容:
1、基本微波测量仪器
微波测量技术是通信系统测试的重要分支, 也是射频工程中必备 的测试技术。它主要包括
微波信号特性测量和微波网络参数测量。
微波信号特性参量主要包括:微波信号的频率与波长、电平与功 率、波形与频谱等。微波网络参数包括反射参量(如反射系数、驻波 比)和传输参量(如[S]参数)。
测量的方法有:点频测量、扫频测量和时域测量三大类。所谓点 频测量是信号只能工作在单一频点逐一进行测量;扫频测量是在较宽 的频带内测得被测量的频响特性,如加上白动网络
分析仪,则可实现微波参数的白动测量与分析; 时域测量是利用 超高速脉冲发生器、采样示波器、时域白动网络分析仪等在时域进行 测量,从而得到瞬态电磁特性。
图1-1是典型的微波测量系统。它由微波信号源、调配器/衰减 器/隔离器、波长/频率计、测量线、终端负载、选频放大器及小功率 计等组成。
耕量炫
耕量炫T
图1-1微波测量系统
2、常用微波元器件简介
微波元器件的种类很多,下面主要介绍实验室里常见的几种元器件:
(1)检波器 (2) E-T接头 (3) H-T接头
(4) 双T接头
(5) 波导弯曲 (6)波导开关 (7)可变短路器 (8)
匹配负载
(9)吸收式衰减器 (10)定向耦合器 (11)隔离器
3、功率测量
按图1-1所示连接微波测量系统,在终端处接上微波小功率计 探头,接通电源开关,调整衰减器,观察微波功率计指示并作相应记 录。
三、实验数据及处理
1、实验数据如下表:
衰减器位置
(mm)
0
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
功率计读数
(p w)
11.5
11.3
10.8
9.4
7.5
6.0
4.1
2.6
1.8
1.0
2、衰减器指示与功率指示的关系曲线
四、思考题
简述微波小功率计探头的工作原理。
微波小功率计功率探头的主体是一个锭、锦热电堆,这是将金届锭和锦用 真 空喷镀法镀在介质片上(介质基片可用云母、涤纶、聚烯业胺等材料)形成热电 堆后,放在波导或同轴电场最强处, 它即是终端吸收负载, 乂是热电转换元
件。所以作为终端负载,它的阻值必须与传输线的等效阻抗相匹配。当微波功 率输出 时,热电耦吸收微波功率使热电堆的热节点温度升高,这就与冷节点产 生温差而 形成温差电动势,它产生的直流电动势与输入微波功率是成正比的。
热电堆输出 的直流讯号是很薄弱的,指示器经直流放大后再作功率指示。
实验二微波波导波长、频率的测量、分析和计算
一、实验目的
(1)学会微波测量线的使用;
(2) 学会测量微波波导波长和信号源频率;
(3) 分析和计算波导波长及微波频率。
二、实验原理
进行微波测量,首先必须正确连接与调整微波测量系统。图 1-1
示出了实验室常用的微波测试系统。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。本实验主要讨论微波测量线的调整和晶体检波器 的校准。
测量线的调整
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彳艮 广,可测驻波、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。为了减少其影响,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的探针深度调整和耦合输出匹配(即调谐探头)。
晶体检波器的工作原理
在微波测量系统中,送至指示器的微波能量通常是经过晶体二极 管检波后的直流或低频电流,指示器的读数是检波电流的有效值。
在 测量线中,晶体检波电流与高频电压之间关系是非线性的, 因此要准
确测出驻波(行波)系数必须知道晶体检波器的检波特性曲线。
晶体二极管的电流I与检波电压U的一般关系为
I=CU n
式中,C为常数,n为检波律,U为检波电压。
检波电压U与探针的耦合电场成正比。晶体管的检波律 n随检 波电压U改变。在弱信号工作(检波电流不大于 10 v A)情况下, 近似为平方律检波,即n=2;在大信号范围,n近似等于1,即直线 律。
测量晶体检波器校准曲线最简便的方法是将测量线输出端短路, 此时测量线上载纯驻波,其相对电压按正弦律分布,即:
sin
sin
Umax为波腹点电压,入g为传
Umax为波腹点电压,入g为传
式中,d为离波节点的距离,
输线上波长。
因此,传输线上晶体检波电流的表达式为
n
I Csin 斐
g
根据上式就可以用实验的方法得到图所示的晶体检波器的校准曲线。
3.波导波长的测量原理
测量线的基本测量原理是基于无耗均匀传输线理论, 当负载与测
量线匹配时测量线内是
行波;当负载为短路或开路时,传输线上为纯驻波,能量全部反 射。因此通过测量线上的驻波比,然后换算出反射系数模值,再利用 驻波最小点位置zmin便可得到反射系数的幅角以及微波信号特性、 网络特性等。根据这一原理,在测得一组驻波最小点位置z1, z2, z3, z4… 后,由于相邻波节点的距离是波导波长的 1/2,这样便可通过
下式算出波导波长。
1 瓦 zmin 0 z3 zmin 0 Nmin 0
g ■ 八 zi zmin 0
g 2 4 3 2
由教材内容(见习题2-5),工作波长与波导波长有如下关系:
g c
2 2
■: g c
式中,入c为截止波长。一般波导工作在主模状态,其入c =2a。
本实验中波导型号为BJ-100,其宽边为a =22.86 mm ,代入上式计 算出工作波长。
于是信号源工作频率由下式求得:
f 3 108
另外,信号源工作频率亦可用吸收式频率计测量。
三、实验步骤
1 .开通测试系统
按图1-1所示连接微波测量系统,终端接上短路负载。
打开信号源、选频放大器的电源,将信号源设置在内调制(方 波)状态,将衰减器调整到合适位置。
在开槽测量线终端接短路负载后,调节整个探头(旋动测量 线上的大旋钮)使内部探针耦合匹配,直到选频放大器输出指示最大。
反复调整输出衰减器、探头活塞位置等,通过选频放大器指 示,确定测量线工作在比较灵敏的最佳状态。
波导波长测量
从负载端开始旋转测量线上整个探头位置(内含探针),使选频 放大器指示最小,此时即为测量线等效短路面,记录此时的探针初始 位置,记作ZminO,并记录数据;
继续旋转探头(由负载向信号源方向)位置,可得到一组指 示最小点位置z1, z2, z3, z4,反复测3次,记入表1;
将数据代入式(2-4),计算出波导波长,并换算成频率。
用频率计测量信号源工作频率:吸收式频率计连在信号源与 检波器之间。当吸收式频率计失谐时,微波能量几乎全部通过频率计, 此时选频放大器指示最大。慢慢调节吸收式频率计,当调至频率计谐 振状态时,一部分能量被频率计吸收,使选频放大器指示出现明显减 小并达最小处,此时读得吸收式频率计上指示的频率(频率计上两红
线之间的刻度读数)即为信号源工作频率,反复测 3次,记入表2 可将测量结果(取其平均值)与用波导波长换算的结果进行比较。
四、数据记录及分析
探针初始位置 zmin0 =89.82mm
,位置读数 测量次我
Z1(mm)
Z2(mm)
Z3(mm)
1
111.28
135.50
158.00
2
112.30
135.06
158.18
3
112.52
135.46
156.98
Z1= 112.03mm Z2=135.34mm Z3=157.95mm
Z3
Z3 Zmin 0
3
Z2 Zmino
Z1 Zmin 0
2
算出波导波长
g =45.33mm g
再由式 :C—( c=2a=45.72mm湘 f J°8 算出 g c
工作波长 =33.1474mm
工作频率 f 9.3725 109Hz=9.3725GHz
吸收式频率计上指示的频率见下表:
测H
测H频率
f1
(GHz)
9.457
f 2
f 3
9.368
9.349
f1 f2 f3=9.378GHz
由此可见吸收式频率计上指示的频率与计算出的工作频率近似相等。
五、思考题 测量线为什么在波导中心线开槽?
微波测量线是测量波导中微波电场分布的精密仪器。
它的结构是一段在宽边 中心线上开槽的波导管和可沿槽线滑动的探针。
它在微波测量中用途很广,可测 驻波、阻抗、相位、波长等。测量线通常由一段开槽传输线、探头、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。为了减少其影响,测试前必须仔细调整测 量线。所以只有在波导中心线开槽,才能保证驻波、阻抗、相位、波长等参数的 测量准确性,否则会引起误差。
实验三 微波驻波比、反射系数及阻抗特性测量、 分析和计算
一、 实验目的
学会驻波比的测量、分析和计算;
学会反射系数的测量、分析和计算;
学会输入阻抗的测量、分析和计算。
二、 实验原理
在任何的微波传输系统中,为了保证传输效率,减少传输损耗和 避免大功率击穿,必须实现阻抗的匹配。描述系统匹配程度的参数有 电压驻波比和复反射系数。
1、驻波比及反射系数的测量
由教材第一章微波传输线理论,传输线上的驻波比与波节点、波 腹点的关系为
一般实际测量为多个数据,则 在平方律检波,即n = 2时 I max 1 maxi 1 max2 - 1 max n
U mm . 1 min 1 1 min 2 1 min n
max 1U I
max 1
U Imin n
maxi
min 1
1 max 2
,I min2
FT
1 maxn
-I
min n
而终端复反射系数的模值|r i|与驻波比有如下关系:
终端反射系数的相位4 l与节点位置Zminn有以下关系:
g
Zmin n
4
l 2n 1 工
4
根据波导主模特性阻抗 ZTE10及测得的驻波比p和第一波节点 位置Zmin1可得终端负载阻抗为(参见教材中习题 1.3)
1 j tan Zmini
Z| ZtE10 :'一 一一
j tan Zmin 1
其中,Z% 120 2 2 g
.1 2a
根据以上公式就可以利用测量线测得驻波比、 复反射系数,进而
算出输入阻抗和负载阻抗。
三、实验步骤
等效参考面的选取与波导波长的测量
同实验二,将测量线调至最佳工作状态;
同实验二,终端接短路片,从负载开始,旋转测量线上的 探针位置,使选频放大器指示最小,此时即为测量线等效短路面,记 录此时的探针初始位置,记作 zminO,并记录数据;
同实验二的方法测出波导波长。相应测量数据记入表 1。
驻波比测量
终端接上待测负载,探针从 zminO开始向信号源方向旋转,依 次得到指示最大值和最小值三次,记录相应的读数,即得相应的Umin (或Imin)和Umax(或Imax),数据记入表2 (若指示表的刻度是电 流,则可通过检波器的校准曲线查得电压值)。
反射系数的测量
终端接上待测负载,探针从 ZminO开始向信号源方向旋转,记录 波节点的位置Zminn,数据记入表3。
四、实验数据及分析
探针初始位置 ZminO =89.82mm
J、、位置读数 Z1(mm) Z2(mm) Z3(mm)
测量次数
1
112.10
134.80
157.20
2
112.08
134.76
157.18
3
112.12
134.86
157.28
同实验二算出波导波长 g =44.83mm
j、表读数 测量次矿、*
Imin(mA)
I max(mA)
1
80
565
2
82
567
3
85
570
I min =82.33mA I max =567.33mA
驻波比 max =. 567'33 =2.6251
I min 82.33
.、位置读数 测量次数
Zmin1(mm)
Zmin2(mm)
Zmin3(mm)
1
95.00
117.62
140.10
2
95.06
117.68
140.18
Zmini =95.03mm Zmin2 =117.65mm Zmin3 =140.14mm
终端复反射系数的模值| —1 =0.4483
1
由工t zmin n l
2n 1虺得l
4 - /
zmin n 2n 1
4
4
g
1 1.5053 -
2 1.5711 -
3 1.5838 一
2
2
2
120
ZTEio :
1 2a
=527.98
2
2 g=0.14
终端负载阻抗:
Zl Zteio 1 j tan Zmin1 =334.91-j374.99
j tan Zmin 1
五、思考题
实验步骤1对后续测量有何意义?
实验步骤1是对等效参考面的选取及波导波长的测量,用实验2的方法测出 波导波长,这样就等于是验证了波导波长,用测量出的参数与实验2比较,以防 相差太大,造成误差。保证实验的准确性。
实验四微波网络参数的测虽、分析和计算
一、 实验目的
理解可变短路器实现开路的原理;
学会不同负载下的反射系数的测量、分析和计算;
学会利用三点法测量、分析和计算微波网络的[S ]参数。
二、 实验原理
[S]参数是微波网络中重要的物理量,其中[S]参数的三点测量法 是基本测量方法,其测量原理如下:对于互易双口网络有S12=S21 , 故只要测量求得S11、S12及S21三个量就可以了 。被测网络连接 如图所示。
设终端接负载阻抗 代入[S]参数定义式得:Zl
设终端接负载阻抗 代入[S]参数定义式得:
Zl ,令终端反射系数为r l ,则有:a2 = r 1b2,
b〔 Sn31 S12 1 b2
b2 S12a1 S22 1 b2
于是输入端(参考面G S12
于是输入端(参考面
G S122 1
in — S11 ~ —
a1 1 S22 1
bi
T1)处的反射系数为
令终端短路、开路和接匹配负载时,测得的输入端反射系数分别 为T s「o和「m,代入式(4-1)
并解出:
q q 2 2 m so m q o 2 m s
S11 m S12 S22
o s
由此得到[S]参数,这就是三点测量法原理。
在实际测量中,由于波导开口并不是真正的开路,故一般用精密 可移动短路器实现终端等
效开路(或用波导开口近视等效为开路),如图所示。
三、实验步骤
用波导开口近视等效为开路负载测量[S]参数
先连接待测负载(可用单螺钉调配器);
在待测负载的终端再接上匹配负载,按照实验三的方法测得此 时的反射系数r m ;
在待测负载的终端换接短路负载,测得此时的反射系数 rs;
使待测负载的终端开路,测得此时的反射系数 r o;
再根据式(4-3)计算得到[S]参数。
用可变短路测量[S]参数
将匹配负载接在测量线终端,并将测量线调整到最佳工作状态;
将短路片接在测量线终端,从测量线终端向信源方向旋转探针 位置,使选频放大器指示为零,此时的位置即为等效短路面,记作 zmin0 ;
接上可变短路器,在探针位置zmin0处,调节可变短路器使选 频放大器指示为零,记下可变短路器的位置 11 ;
继续调节可变短路器,使选频放大器指示再变为零,再记下可 变短路器的位置12 ;
接上待测网络,终端再接上匹配负载,按照实验三的方法测得
此时的反射系数r m ;
终端换上可变短路器,并将其调到位置 11 ,测得此时的反射 系数rs;
将可变短路器调到等效开路位置10=(11+12)/2 ,测得此时的反 射系数r o;
再根据(4-3)式计算得到[S]参数。
四、实验数据及处理
按照实验步骤1测得数据如下表:
Imin(mA)
I max(mA)
匹配
62
622
短路
62
562
开路
80
565
根据式
算出3种情况下的驻波比:
m 3.1674 s 3.0107 ° 2.6575
根据式
1
1
1
算出3种情况下的反射系数:
m 0.5201 s 0.5013 o 0.4532
S11 m 0.5201
S12 S21
\
S22 °
o
|2 m so m n OOQO
0.2282
o s
m——s 1.7785
s
S11 S12 0.5201 0.2282
S21 S22 0.2282 1.7785
五、思考题
实验步骤(1)的作用是什么?
将匹配负载接在测量线终端时,反射波的幅度很小,基本上无反射波,传输线内 呈行波状态。这三种情况下,主要计算误差为时域有限差分法本身所带来的误差 和微带模型近似所引入的误差。这样就能进一步的避免误差,从而使测量结果准 确。