北郵 用諧振腔微擾法測(cè)量介電常數(shù)、天線的特性和測(cè)量

1、電磁場(chǎng)與微波測(cè)量實(shí)驗(yàn) 班級(jí)：2013211207 成員：金祎 2013210989 張雁楠 2013210990 袁華宇 2013210991 撰寫人：袁華宇實(shí)驗(yàn)六 用諧振腔微擾法測(cè)量介電常數(shù)微波技術(shù)中廣泛使用各種微波材料，其中包括電介質(zhì)和鐵氧體材料。微波介質(zhì)材料的介電特性的測(cè)量，對(duì)于研究材料的微波特性和制作微波器件，獲得材料的結(jié)構(gòu)信息以促進(jìn)新材料的研制，以及促進(jìn)現(xiàn)代尖端技術(shù)(吸收材料和微波遙感)等都有重要意義。 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 了解諧振腔的基本知識(shí)。 2 學(xué)習(xí)用諧振腔法測(cè)量介質(zhì)特性的原理和方法 二、 實(shí)驗(yàn)原理 本實(shí)驗(yàn)是采用反射式矩形諧振腔來(lái)測(cè)量微波介質(zhì)特性的。反射式諧振腔是把一段標(biāo)準(zhǔn)矩形

2、波導(dǎo)管的一端加上帶有耦合孔的金屬板，另一端加上封閉的金屬板，構(gòu)成諧振腔，具有儲(chǔ)能、選頻等特性。 諧振條件：諧振腔發(fā)生諧振時(shí)，腔長(zhǎng)必須是半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍，此時(shí)，電磁波在腔內(nèi)連續(xù)反射，產(chǎn)生駐波。 諧振腔的有載品質(zhì)因數(shù)QL由下式確定： 式中：f0為腔的諧振頻率，f1，f2分別為半功率點(diǎn)頻率。諧振腔的Q值越高，諧振曲線越窄，因此Q值的高低除了表示諧振腔效率的高低之外，還表示頻率選擇性的好壞。 如果在矩形諧振腔內(nèi)插入一樣品棒，樣品在腔中電場(chǎng)作用下就會(huì)極化，并在極化的過(guò)程中產(chǎn)生能量損失，因此，諧振腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)將會(huì)變化。電介質(zhì)在交變電場(chǎng)下，其介電常數(shù)為復(fù)數(shù)，和介電損耗正切tan可由下列關(guān)系式表

3、示： 其中：和分別表示的實(shí)部和虛部。 選擇TE10n，(n為奇數(shù))的諧振腔，將樣品置于諧振腔內(nèi)微波電場(chǎng)最強(qiáng)而磁場(chǎng)最弱處， 即x2，zl2處，且樣品棒的軸向與y軸平行，如圖2所示。 假設(shè)： 1樣品棒的橫向尺寸d(圓形的直徑或正方形的邊長(zhǎng))與棒長(zhǎng)九相比小得多(一般 dh<110)，y方向的退磁場(chǎng)可以忽略。 2介質(zhì)棒樣品體積Vs遠(yuǎn)小于諧振腔體積V0，則可以認(rèn)為除樣品所在處的電磁場(chǎng)發(fā)生變化外，其余部分的電磁場(chǎng)保持不變，因此可以把樣品看成一個(gè)微擾，則樣品中的電場(chǎng)與外電場(chǎng)相等。 這樣根據(jù)諧振腔的微擾理論可得下列關(guān)系式：式中：f0,fs分別為諧振腔放人樣品前后的諧振頻率， (1QL)為樣品放人前后諧振

4、腔的有載品質(zhì)因數(shù)的倒數(shù)的變化，即 QL0，QLS分別為放人樣品前后的諧振腔有載品質(zhì)因數(shù)。 三、 實(shí)驗(yàn)裝置 1. 微波信號(hào)源需工作在最佳等幅、掃描狀態(tài)。 2. 晶體檢波器接頭最好是滿足平方律檢波的，這時(shí)檢波電流表示相對(duì)功率(IP)。 3. 檢波指示器用來(lái)測(cè)量反射式諧振腔的輸出功率，量程0100A。 4. 微波的頻率用波長(zhǎng)表測(cè)量刻度，通過(guò)查表確定微波信號(hào)的頻率。 5. 用晶體檢波器測(cè)量微波信號(hào)時(shí)，為獲得最高的檢波效率，它都裝有一可調(diào)短路活塞，調(diào)節(jié)其位置，可使檢波管處于微波的波腹。改變微波頻率時(shí)，也應(yīng)改變晶體檢波器短路活塞位置，使檢波管一直處于微波波腹的位置。 1 微波信號(hào)源 2隔離器 3衰減器 4

5、波長(zhǎng)表 5測(cè)量線 6測(cè)量線晶體 7選頻放大器 8環(huán)形器 9反射式諧振腔 10隔離器 11晶體檢波器 四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1按圖接好各部件。注意：反射式諧振腔前必須加上帶耦合孔的耦合片，接入隔離器及環(huán)形器時(shí)要注意其方向。2開啟微波信號(hào)源，選擇“等幅”方式，預(yù)熱30分鐘。 3測(cè)量諧振腔的長(zhǎng)度，根據(jù)公式計(jì)算它的諧振頻率，一定要保證n為奇數(shù)。 4將檢波晶體的輸出接到電流表上，用電流表測(cè)量微波的大小，在計(jì)算的諧振頻率附近微調(diào)微波頻率，使諧振腔共振，用直讀頻率計(jì)測(cè)量共振頻率。 5測(cè)量空腔的有載品質(zhì)因數(shù)，注意： f1， f2與f0的差別很小，約0003GHz。 6加載樣品，重新尋找其諧振頻率，測(cè)量其品質(zhì)因數(shù)。

6、7測(cè)量介質(zhì)棒及諧振腔的體積。 8計(jì)算介質(zhì)棒的介電常數(shù)和介電損耗角正切。5、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析f0f1f2fsf1f29.259Ghz9.255Ghz9.263Ghz9.229Ghz9.226Ghz9.233GhzV0Vs15329 mm315.64 mm3QLQL1157.3751318.429代入公式可得 =2.588 ，= -0.026=2.588+j0.026 tan= -0.010六、思考題 1.如何判斷諧振腔是否諧振？ 諧振腔發(fā)生諧振時(shí)，腔長(zhǎng)必須是半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍，此時(shí)電磁波在腔內(nèi)連續(xù)反射，產(chǎn)生駐波，可以用示波器觀察出諧振時(shí)的駐波。若有，則發(fā)生了諧振。 2.本實(shí)驗(yàn)中，諧振腔諧振時(shí)，

7、為什么“必須是奇數(shù)”？ 因?yàn)橹C振腔發(fā)生諧振時(shí)，腔長(zhǎng)必須是半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍，此時(shí)，電磁波才能在腔內(nèi)連續(xù)反射，產(chǎn)生駐波。n是半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的倍數(shù)，n是奇數(shù)時(shí)才滿足條件。 3. 若用傳輸式諧振腔如何測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)，可否畫出實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)一 天線的特性和測(cè)量1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解天線的發(fā)射和接收信號(hào)的基本工作原理； 2.認(rèn)識(shí)和了解測(cè)量天線接受強(qiáng)度的基本裝置； 3.了解天線的接受強(qiáng)度和接收天線與發(fā)射天線之間夾角的關(guān)系；4.了解喇叭天線的方向圖特性； 5.掌握天線方向圖的測(cè)試方法。2、 天線工作原理天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無(wú)界媒介中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。天線特

8、性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，將通過(guò)控制接收天線和發(fā)射天線之間夾角而改變和測(cè)量接收天線接收信號(hào)的強(qiáng)弱，掌握天線的接受強(qiáng)度和接收天線與發(fā)射天線之間夾角的關(guān)系。 1） 輻射效率r輻射效率r定義為： 式中，Pr為天線輻射出的功率，單位為W；Pi為饋入天線的功率，單位為W。2） 輻射方向圖用極坐標(biāo)圖來(lái)表示天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)度與輻射功率的分布，天線的方向圖是表征天線輻射時(shí)電磁波能量(或場(chǎng)強(qiáng))在空間各點(diǎn)的分布情況。天線方向圖能直觀地反映出天線輻射能量集中程度、方向圖越尖銳，表示輻射能量越集中，相反則越分散1. 方向圖主瓣寬度 通常圖形方向圖有多個(gè)葉瓣，其中最大輻射方向是葉瓣，稱主瓣，其余稱為旁瓣。在方向圖中，主瓣信息使我們最關(guān)

9、心的2. 方向圖主瓣零點(diǎn)角方向圖零點(diǎn)角是指主瓣兩側(cè)零輻射方向之間的夾角，用20來(lái)表示3. 方向圖旁瓣電平 旁瓣：在主輻射波瓣旁，還有許多旁瓣，其中HPBW為半功率波束寬度，輻射最大功率下降3dB時(shí)的角度；FNBW為第一零點(diǎn)波束寬度；SLL為旁瓣高度，輻射最大功率與最大旁瓣的差。 4. 方向圖旁瓣功率電平 5. 方向系數(shù)D 在同一距離及相同輻射條件下，某一天線最大輻射方向上輻射功率密度Smax5.方向系數(shù)D 在同一距離及相同輻射條件下，某一天線最大輻射方向上輻射功率密度S0之比，用D來(lái)表示可見(jiàn)，方向性越尖銳的天線D越大，相反則D越小；若D=1，則表示為無(wú)方向性天線，是一個(gè)理想點(diǎn)源輻射場(chǎng)。3） 天

10、線增益G定義為 其中，Pr為被測(cè)天線距離R處所接收到的功率密度，單位為W/ ;Pr為全向天線距離R處所接收到的功率密度，單位為W/ 。增益為G的天線距離R處的功率密度應(yīng)為接收功率密度，即： 4） 天線輸入阻抗Zin定義為其中，U為在饋入點(diǎn)上的射頻電壓，I為在饋入點(diǎn)上的射頻電流3、 天線方向圖的測(cè)試內(nèi)容與步驟測(cè)量的方法有兩種： 1.固定天線法：北側(cè)的天線不動(dòng)，以它為圓心在等圓周上測(cè)得場(chǎng)強(qiáng)的方式； 2.旋轉(zhuǎn)天線法：標(biāo)準(zhǔn)天線不動(dòng)為發(fā)射天線，而待測(cè)天線為接受天線，而自身旋轉(zhuǎn)一周所測(cè)的方向圖。演示實(shí)驗(yàn)采用的是旋轉(zhuǎn)天線的方法。 測(cè)量步驟如下： 旋轉(zhuǎn)天線法：可動(dòng)天線每改變一個(gè)角度(大約為1°)記錄

11、下來(lái)一個(gè)數(shù)值(檢波器或小功率計(jì)指示），改變一周即得到360度范圍內(nèi)的方向圖方向圖的自動(dòng)測(cè)量與手動(dòng)測(cè)量原理相同，不同的是利用電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和方向圖繪制的自動(dòng)化。方向圖的自動(dòng)測(cè)量屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量。測(cè)量時(shí)被測(cè)天線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并接受信號(hào)源通過(guò)喇叭天線發(fā)送的微波信號(hào)。接收信號(hào)送天線幅度信號(hào)采集電路，經(jīng)變換放大及A/D轉(zhuǎn)換后送給微機(jī)。這樣就可以得到測(cè)量范圍內(nèi)，每一位置的幅度信號(hào)電平，根據(jù)這組數(shù)據(jù)，微機(jī)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并由輸出裝置輸出計(jì)算結(jié)果。4、 方向圖測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（1）微波天線方向圖測(cè)試報(bào)告測(cè)試日期 : 2016-04-11 20:20測(cè)試人 : XXX測(cè)試內(nèi)容 : 3G 4單元板狀

12、-1920-E-1極化方式 : 水平極化 旁瓣寬度- 頻譜1-3db : 21.88-6db : 34.85-10db : 50.21-15db : 201.08前后比 : 19.16軸比0: 0.00軸比1: 11.00軸比2: 5.00軸比3: 5.00軸比4: 22.00軸比5: 11.00軸比6: 6.00軸比7: 10.00軸比8: 20.00軸比9: 10.00軸比10: 4.00軸比11: 12.00軸比12: 11.00（2） 微波天線方向圖（3）測(cè)試數(shù)據(jù)角度幅度角度幅度角度幅度0.00-34.33121.16-59.65241.99-71.241.18-34.33122.13

13、-58.51243.11-69.262.25-34.43123.07-57.11244.02-66.733.30-34.50124.21-56.50244.98-64.484.23-34.48125.15-54.83246.06-62.435.31-34.61126.14-54.17247.02-59.706.22-34.89127.21-53.66247.97-58.837.31-35.11128.14-53.59249.06-58.148.21-35.30129.08-53.34250.02-57.839.30-35.59130.16-53.15250.96-58.4210.21-35.9

14、7131.10-53.92252.09-59.0511.30-36.22132.21-53.91252.99-60.6712.22-36.63133.17-53.24254.09-61.7013.30-37.11134.10-53.32255.00-63.6214.25-37.44135.07-55.27255.94-62.7715.32-37.91136.17-55.84257.02-63.0716.27-38.39137.14-56.59257.95-62.8417.18-38.79138.08-56.46259.04-62.4818.29-39.37139.20-56.72259.95-

15、63.5619.18-39.75140.16-55.44261.07-63.1220.25-40.32141.11-54.78261.99-64.9221.18-40.82142.08-54.36262.96-66.0922.23-41.11143.19-53.90264.06-68.2823.32-41.70144.18-53.31264.99-69.7524.22-42.13145.09-52.94265.96-72.2125.32-42.51146.06-52.47267.06-71.6526.23-42.78147.16-52.22268.02-71.7227.17-43.27148.

16、10-52.01268.97-72.6228.25-43.63149.05-51.66269.93-71.8129.17-43.97150.15-51.49271.01-69.7130.25-44.61151.11-51.69271.95-67.2631.18-44.98152.05-51.98273.04-65.7632.28-45.39153.17-52.02273.97-64.8633.20-46.09154.10-52.34275.06-63.8334.31-46.52155.07-52.73275.99-62.5535.23-47.30156.19-53.12276.93-61.80

17、36.19-47.90157.13-53.64278.02-60.7337.24-48.52158.09-54.10278.96-59.5738.17-49.38159.06-54.64280.06-58.9039.24-50.28160.20-54.85281.02-58.4740.16-51.12161.14-54.89281.95-58.8441.24-52.00162.15-54.90282.92-59.6142.15-52.85163.07-55.10284.02-59.9243.26-53.44164.17-54.83284.97-61.3744.15-54.09165.11-54

18、.60285.94-62.1745.26-54.39166.06-54.59287.05-63.0846.17-55.22167.17-54.78288.02-64.6647.26-55.79168.11-54.65288.91-64.9648.19-56.46169.05-54.51290.01-65.2249.27-56.77170.15-55.27290.93-64.7950.23-57.93171.13-54.89292.04-63.8351.15-58.31172.07-54.78292.97-62.4452.26-58.80173.05-54.52293.92-61.9353.18

19、-60.19174.15-54.51295.02-61.2454.15-60.99175.12-54.19295.95-60.2355.21-62.80176.08-54.23296.91-58.9656.28-64.05177.04-54.47298.01-58.3357.20-66.59178.17-54.03298.98-58.0558.26-67.35179.13-54.34299.92-58.0559.20-68.10180.13-53.85301.04-57.8660.28-62.61181.02-53.97302.01-58.1461.22-61.49182.10-54.0430

20、2.96-58.9562.27-61.44183.00-53.96303.91-60.2163.21-61.05184.08-54.08305.04-60.7964.14-60.92185.16-53.87306.03-61.8065.25-61.10186.06-53.66306.93-62.8766.18-61.22187.00-53.43308.03-64.5267.12-61.97188.07-53.55308.97-65.0768.22-63.51189.01-53.14309.92-66.1269.15-65.46190.07-53.05311.00-66.9570.27-67.6

21、6191.02-52.63311.95-66.2471.21-70.23192.09-51.99312.89-65.7972.18-70.11193.01-51.54314.00-64.0173.24-69.21194.12-50.97314.97-62.3074.17-65.29195.06-50.18315.90-60.6775.25-63.33196.02-49.87316.87-59.4976.17-61.71197.09-49.31317.97-57.8477.25-59.57198.06-48.63318.94-56.4778.16-58.51199.10-48.40319.90-

22、55.4879.12-57.87200.03-47.91320.87-54.2080.19-57.18201.09-47.65321.99-53.6281.15-56.92202.01-47.49322.95-52.9982.22-56.74203.07-47.60323.94-52.2483.17-57.57203.99-47.36325.01-51.7584.26-58.88205.08-47.59325.97-51.1185.19-60.59206.00-47.38326.89-50.5986.15-62.92207.10-47.70328.00-50.0887.24-65.27208.

23、03-47.80328.93-49.5488.22-63.95208.98-48.22329.89-49.1289.14-62.73210.05-47.77331.01-48.5990.12-61.32211.00-48.82331.94-48.2091.19-60.36212.09-49.34332.91-47.6892.12-60.07213.04-49.49333.87-47.3493.22-60.19214.00-49.82335.00-46.6294.14-61.01215.10-50.29335.95-46.3795.24-62.22216.05-50.57336.92-45.6996.16-64.67217.10-51.58337.89-45.3497.11-68.51218.03-51.87339.00-44.3698.19-71.97219.09-52.52339.99-43.829