微波天線與技術(shù)

1、 實 驗 報 告 實驗課程： 微波技術(shù)與天線實驗 學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 2013年 6 月 20 日 目錄 實驗一 微波測量系統(tǒng)的認識及功率測量實驗二 微波波導波長、頻率的測量、分析和計算實驗三 微波駐波比、反射系數(shù)及阻抗特性測量、分析和計算實驗四 微波網(wǎng)絡參數(shù)的測量、分析和計算 南昌大學實驗報告學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 實驗類型：驗證綜合設計創(chuàng)新 實驗日期： 2012.06.17 實驗成績： 實驗一 微波測量系統(tǒng)的認識及功率測量一、實驗目的 ：（1） 熟悉基本微波測量儀器； （2） 了解各種常用微波元器件； （3） 學會功率的測量。 二、實驗內(nèi)容： 1、基本微波測量儀器

2、微波測量技術(shù)是通信系統(tǒng)測試的重要分支，也是射頻工程中必備的測試技術(shù)。它主要包括微波信號特性測量和微波網(wǎng)絡參數(shù)測量。 微波信號特性參量主要包括：微波信號的頻率與波長、電平與功率、波形與頻譜等。微波網(wǎng)絡參數(shù)包括反射參量（如反射系數(shù)、駐波比）和傳輸參量（如S參數(shù)）。 測量的方法有：點頻測量、掃頻測量和時域測量三大類。所謂點頻測量是信號只能工作在單一頻點逐一進行測量；掃頻測量是在較寬的頻帶內(nèi)測得被測量的頻響特性，如加上自動網(wǎng)絡分析儀，則可實現(xiàn)微波參數(shù)的自動測量與分析；時域測量是利用超高速脈沖發(fā)生器、采樣示波器、時域自動網(wǎng)絡分析儀等在時域進行測量，從而得到瞬態(tài)電磁特性。 圖 1-1 是典型的微波測量系統(tǒng)

3、。它由微波信號源、調(diào)配器/ 衰減器/隔離器、波長/頻率計、測量線、終端負載、選頻放大器及小功率計等組成。 圖 1-1 微波測量系統(tǒng) 2、常用微波元器件簡介 微波元器件的種類很多，下面主要介紹實驗室里常見的幾種元器件： （1）檢波器 （2）E-T 接頭 （3）H-T 接頭 （4）雙T 接頭 （5）波導彎曲 （6）波導開關(guān) （7）可變短路器 （8）匹配負載 （9）吸收式衰減器 （10）定向耦合器 （11）隔離器 3、功率測量 按圖 1-1 所示連接微波測量系統(tǒng)，在終端處接上微波小功率計探頭，接通電源開關(guān)，調(diào)整衰減器，觀察微波功率計指示并作相應記錄。三、實驗數(shù)據(jù)及處理1、 實驗數(shù)據(jù)如下表：衰減器位置

4、(mm) 022.533.544.556功率計讀數(shù)(w) 5.675.615.425.054.523.843.072.331.11衰減器位置(mm) 6.577.588.599.5功率計讀數(shù)(w) 0.710.420.240.130.070.030.002、 衰減器指示與功率指示的關(guān)系曲線根據(jù)以上記錄的數(shù)據(jù)，可以繪出功率計讀數(shù)隨衰減器位置變化曲線。四、思考題簡述微波小功率計探頭的工作原理。微波小功率計功率探頭的主體是一個鉍、銻熱電堆，這是將金屬鉍和銻用 真空噴鍍法鍍在介質(zhì)片上（介質(zhì)基片可用云母、滌綸、聚烯亞胺等材料）形成熱 電堆后， 放在波導或同軸電場最強處， 它即是終端吸收負載， 又是熱電轉(zhuǎn)

5、換元件。 所以作為終端負載，它的阻值必須與傳輸線的等效阻抗相匹配。當微波功率輸出 時，熱電耦吸收微波功率使熱電堆的熱節(jié)點溫度升高，這就與冷節(jié)點產(chǎn)生溫差而 形成溫差電動勢，它產(chǎn)生的直流電動勢與輸入微波功率是成正比的。熱電堆輸出 的直流訊號是很薄弱的，指示器經(jīng)直流放大后再作功率指示。五、實驗體會  通過本次實驗，熟悉了基本微波測量儀器，了解到各種常用微波元器件，更加深刻的理解到微波元器件的工作原理。 南昌大學實驗報告學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 實驗類型：驗證綜合設計創(chuàng)新 實驗日期： 2012.06.17 實驗成績： 實驗二 微波波導波長、頻率的測量、分析和計算一、實驗目的 （1）

6、學會微波測量線的使用； （2） 學會測量微波波導波長和信號源頻率； （3） 分析和計算波導波長及微波頻率。二、實驗原理 進行微波測量，首先必須正確連接與調(diào)整微波測量系統(tǒng)。圖1-1 示出了實驗室常用的微波測試系統(tǒng)。系統(tǒng)調(diào)整主要指信號源和測量線的調(diào)整，以及晶體檢波器的校準。信號源的調(diào)整包括振蕩頻率、功率電平及調(diào)制方式等。本實驗主要討論微波測量線的調(diào)整和晶體檢波器的校準。1 測量線的調(diào)整 測量線是微波系統(tǒng)的一種常用測量儀器，它在微波測量中用途很廣，可測駐波、阻抗、相位、波長等。測量線通常由一段開槽傳輸線、探頭（耦合探針、探針的調(diào)諧腔體和輸出指示）、傳動裝置三部分組成。由于耦合探針伸入傳輸線而引入不均

7、勻性，其作用相當于在線上并聯(lián)一個導納，從而影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。為了減少其影響，測試前必須仔細調(diào)整測量線。實驗中測量線的調(diào)整一般包括的探針深度調(diào)整和耦合輸出匹配（即調(diào)諧探頭）。2 晶體檢波器的工作原理 在微波測量系統(tǒng)中，送至指示器的微波能量通常是經(jīng)過晶體二極管檢波后的直流或低頻電流，指示器的讀數(shù)是檢波電流的有效值。在測量線中，晶體檢波電流與高頻電壓之間關(guān)系是非線性的，因此要準確測出駐波（行波）系數(shù)必須知道晶體檢波器的檢波特性曲線。晶體二極管的電流I 與檢波電壓U 的一般關(guān)系為 I=CU n式中，C 為常數(shù)，n 為檢波律，U為檢波電壓。檢波電壓U 與探針的耦合電場成正比。晶體管的檢波律n 隨檢波電

8、壓U 改變。在弱信號工作（檢波電流不大于10 A）情況下，近似為平方律檢波，即n=2；在大信號范圍，n 近似等于1，即直線律。測量晶體檢波器校準曲線最簡便的方法是將測量線輸出端短路，此時測量線上載純駐波，其相對電壓按正弦律分布，即：式中 ，d 為離波節(jié)點的距離，Umax為波腹點電壓，g 為傳輸線上波長。因此，傳輸線上晶體檢波電流的表達式為根據(jù)上式就可以用實驗的方法得到圖所示的晶體檢波器的校準曲線。3 波導波長的測量原理 測量線的基本測量原理是基于無耗均勻傳輸線理論，當負載與測量線匹配時測量線內(nèi)是 行波；當負載為短路或開路時，傳輸線上為純駐波，能量全部反射。因此通過測量線上的駐波比，然后換算出反

9、射系數(shù)模值，再利用駐波最小點位置zmin 便可得到反射系數(shù)的幅角以及微波信號特性、網(wǎng)絡特性等。根據(jù)這一原理，在測得一組駐波最小點位置z1，z2，z3，z4 后，由于相鄰波節(jié)點的距離是波導波長的1/2，這樣便可通過下式算出波導波長。由教材內(nèi)容（見習題2-5） ，工作波長與波導波長有如下關(guān)系：式中，c 為截止波長。一般波導工作在主模狀態(tài)，其c =2a 。本實驗中波導型號為BJ-100，其寬邊為a =22.86 mm ，代入上式計算出工作波長。于是信號源工作頻率由下式求得：另外，信號源工作頻率亦可用吸收式頻率計測量。三、實驗步驟1 開通測試系統(tǒng) 按圖1-1所示連接微波測量系統(tǒng)，終端接上短路負載。 打

10、開信號源、選頻放大器的電源，將信號源設置在內(nèi)調(diào)制（方波）狀態(tài)，將衰減器調(diào)整到合適位置。 在開槽測量線終端接短路負載后，調(diào)節(jié)整個探頭（旋動測量線上的大旋鈕）使內(nèi)部探針耦合匹配，直到選頻放大器輸出指示最大。 反復調(diào)整輸出衰減器、探頭活塞位置等，通過選頻放大器指示，確定測量線工作在比較靈敏的最佳狀態(tài)。 2 波導波長測量 從負載端開始旋轉(zhuǎn)測量線上整個探頭位置（內(nèi)含探針），使選頻放大器指示最小，此時即為測量線等效短路面，記錄此時的探針初始位置，記作zmin0 ，并記錄數(shù)據(jù); 繼續(xù)旋轉(zhuǎn)探頭（由負載向信號源方向）位置，可得到一組指示最小點位置z1，z2，z3，z4 ，反復測3次，記入表1； 將數(shù)據(jù)代入式（2

11、-4），計算出波導波長，并換算成頻率。 用頻率計測量信號源工作頻率：吸收式頻率計連在信號源與檢波器之間。當吸收式頻率計失諧時，微波能量幾乎全部通過頻率計，此時選頻放大器指示最大。慢慢調(diào)節(jié)吸收式頻率計，當調(diào)至頻率計諧振狀態(tài)時，一部分能量被頻率計吸收，使選頻放大器指示出現(xiàn)明顯減小并達最小處，此時讀得吸收式頻率計上指示的頻率（頻率計上兩紅線之間的刻度讀數(shù)）即為信號源工作頻率，反復測3次，記入表2 ?？蓪y量結(jié)果（取其平均值）與用波導波長換算的結(jié)果進行比較。四、數(shù)據(jù)記錄及分析探針初始位置 zmin0 =76.60mm位置讀數(shù)測量次數(shù)Z1(mm)Z2(mm)Z3(mm)Z4(mm)199.20121.8

12、0144.02168.012101.40123.80146.30168.823100.02122.80145.10167.32平均值 100.21122.73145.02168.07根據(jù)式 算出波導波長=42.16mm再由式(=2a=45.72mm)和算出工作波長=32.48mm工作頻率Hz=9.2425GHz吸收式頻率計上指示的頻率見下表：測量頻率(GHz)9.2569.2629.270=9.2627GHz由此可見吸收式頻率計上指示的頻率與計算出的工作頻率近似相等。五、思考題測量線為什么在波導中心線開槽？微波測量線是測量波導中微波電場分布的精密儀器。它的結(jié)構(gòu)是一段在寬邊中心線上開槽的波導管和

13、可沿槽線滑動的探針。它在微波測量中用途很廣，可測駐波、阻抗、相位、波長等。測量線通常由一段開槽傳輸線、探頭、傳動裝置三部分組成。由于耦合探針伸入傳輸線而引入不均勻性，其作用相當于在線上并聯(lián)一個導納，從而影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。為了減少其影響，測試前必須仔細調(diào)整測量線。所以只有在波導中心線開槽，才能保證駐波、阻抗、相位、波長等參數(shù)的測量準確性，否則會引起誤差。因為矩形波導中的主模為 TE10 模, 由TE10 模的管壁電流分布可知,在波導寬邊的中心線處只有縱向電流。所以沿波導寬邊的中線開槽不會因切斷管壁電流，也不會影響波導內(nèi)的場分布,波導內(nèi)電磁波也不會在開槽口處向外輻射能量。六、實驗體會 

14、     通過本次實驗，我充分的了解了 /4 阻抗變換特性，利用/4 來測量微波波導波長和信號源頻率，測量線的調(diào)整并非易事，需反復調(diào)節(jié)，需要耐心方可找到較佳的測量點。 南昌大學實驗報告學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 實驗類型：驗證綜合設計創(chuàng)新 實驗日期： 2012.06.19 實驗成績： 實驗三 微波駐波比、反射系數(shù)及阻抗特性測量、分析和計算一、實驗目的 （1） 學會駐波比的測量、分析和計算； （2） 學會反射系數(shù)的測量、分析和計算； （3） 學會輸入阻抗的測量、分析和計算。二、實驗原理 在任何的微波傳輸系統(tǒng)中，為了保證傳

15、輸效率，減少傳輸損耗和避免大功率擊穿，必須實現(xiàn)阻抗的匹配。描述系統(tǒng)匹配程度的參數(shù)有電壓駐波比和復反射系數(shù)。1、駐波比及反射系數(shù)的測量 由教材第一章微波傳輸線理論，傳輸線上的駐波比與波節(jié)點、波腹點的關(guān)系為一般實際測量為多個數(shù)據(jù)，則 在平方律檢波，即n = 2時 在n2時而終端復反射系數(shù)的模值|l| 與駐波比有如下關(guān)系：終端反射系數(shù)的相位l與節(jié)點位置zminn 有以下關(guān)系：根據(jù)波導主模特性阻抗ZTE10 及測得的駐波比和第一波節(jié)點位置zmin1 可得終端負載阻抗為（參見教材中習題1.3）其中， 根據(jù)以上公式就可以利用測量線測得駐波比、復反射系數(shù)，進而算出輸入阻抗和負載阻抗。三、實驗步驟 1 等效參

16、考面的選取與波導波長的測量 （1）同實驗二 ，將測量線調(diào)至最佳工作狀態(tài)； （2）同實驗二 ，終端接短路片，從負載開始，旋轉(zhuǎn)測量線上的探針位置，使選頻放大器指示最小，此時即為測量線等效短路面，記錄此時的探針初始位置，記作 zmin0 ，并記錄數(shù)據(jù) ； （3）同實驗二的方法測出波導波長。相應測量數(shù)據(jù)記入表1 。 2 駐波比測量 終端接上待測負載，探針從zmin0 開始向信號源方向旋轉(zhuǎn)，依次得到指示最大值和最小值三次，記錄相應的讀數(shù)，即得相應的Umin (或Imin) 和Umax(或Imax) ，數(shù)據(jù)記入表2 （若指示表的刻度是電流，則可通過檢波器的校準曲線查得電壓值）。 3 反射系數(shù)的測量 終端接

17、上待測負載，探針從zmin0 開始向信號源方向旋轉(zhuǎn)，記錄波節(jié)點的位置zminn ，數(shù)據(jù)記入表3 。四、實驗數(shù)據(jù)及分析探針初始位置 zmin0 =79.32mm位置讀數(shù)測量次數(shù)Z1(mm)Z2(mm)Z3(mm)1101.56123.70146.182101.28124.06146.363101.38123.76146.20同實驗二算出波導波長=32.18mm表讀數(shù)測量次數(shù)Imin(mA)Imax(mA)178762274785379764=77.00mA =770.33mA駐波比=3.163 位置讀數(shù)測量次數(shù)Zmin1(mm)Zmin2(mm)Zmin3(mm)181.20103.58126.

18、43281.88103.92125.89381.31104.55125.69=81.463mm =104.017mm =126.003mm終端復反射系數(shù)的模值=0.520由式得 =474.25 =0.195終端負載阻抗：=308.28-j352.16五、思考題實驗步驟1對后續(xù)測量有何意義？ 實驗步驟1是對等效參考面的選取及波導波長的測量，用實驗2的方法測出波導波長，這樣就等于是驗證了波導波長，用測量出的參數(shù)與實驗2比較，以防相差太大，造成誤差。保證實驗的準確性。六、實驗體會    通過本次實驗我學會駐波比的測量、反射系數(shù)的測量, 輸入阻抗的測量。理論上可

19、以實現(xiàn)匹配負載，實際操作中反射系數(shù)還是不為零，理論和實際總是有差距的，我們的任務就是怎么實現(xiàn)差距的最小化，同理到實際的學習中，不能只看書本而忘了實踐。 南昌大學實驗報告學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 實驗類型：驗證綜合設計創(chuàng)新 實驗日期： 2012.06.19 實驗成績： 實驗四 微波網(wǎng)絡參數(shù)的測量、分析和計算一、實驗目的 （1） 理解可變短路器實現(xiàn)開路的原理； （2） 學會不同負載下的反射系數(shù)的測量、分析和計算； （3） 學會利用三點法測量、分析和計算微波網(wǎng)絡的S參數(shù)。二、實驗原理 S 參數(shù)是微波網(wǎng)絡中重要的物理量，其中S參數(shù)的三點測量法是基本測量方法，其測量原理如下：對于互易雙口網(wǎng)絡有S

20、12=S21 ，故只要測量求得S11 、S12及S21 三個量就可以了 。被測網(wǎng)絡連接如圖所示。設終端接負載阻抗Zl ，令終端反射系數(shù)為l ， 則有: a2 = lb2, 代入S參數(shù)定義式得： 于是輸入端（參考面T1）處的反射系數(shù)為令終端短路、開路和接匹配負載時，測得的輸入端反射系數(shù)分別為s、o和m ，代入式（4-1）并解出： 由此得到S參數(shù)，這就是三點測量法原理。在實際測量中，由于波導開口并不是真正的開路，故一般用精密可移動短路器實現(xiàn)終端等效開路（或用波導開口近視等效為開路），如圖所示。三、實驗步驟1. 用波導開口近視等效為開路負載測量S參數(shù)（1）先連接待測負載（可用單螺釘調(diào)配器）； （2）在待測負載的終端再接上匹配負載，按照實驗三的方法測得此時的反射系數(shù)m ； （3）在待測負載的終端換接短路負載，測得此時的反射系數(shù)s ； （4）使待測負載的終端開路，測得此時的反射系數(shù)o ； （5）再根據(jù)式（4-3）計算得到S參數(shù)。2. 用可變短路測量S參數(shù)（1） 將匹配負載接在測量線終端，并將測量線調(diào)整到最佳工作狀態(tài)； （2） 將短路片接在測量線終端，從測量線終端向信源方向旋轉(zhuǎn)探針位置，使選頻放大器指示為零，此時的位置即為等效短路面，記作zmin0 ； （3） 接上可