電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)大綱及指導(dǎo)說明書

1、“電磁場(chǎng)與電磁波”和“微波技術(shù)”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)大綱及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書唐萬春，車文荃 編制陳如山 審定南京理工大學(xué) 通信工程系2006年12月目 錄1“電磁場(chǎng)與電磁波”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)大綱2“電磁場(chǎng)與電磁波”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說明書實(shí)驗(yàn)一 電磁波參量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)二 電磁波的極化3“微波技術(shù)”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)大綱4“微波技術(shù)”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說明書實(shí)驗(yàn)一 傳輸線的工作狀態(tài)及駐波比測(cè)量實(shí)驗(yàn)二 微波網(wǎng)絡(luò)散射參量測(cè)試5電磁場(chǎng)與電磁波”和“微波技術(shù)”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)南 京 理 工 大 學(xué)實(shí) 驗(yàn) 教 學(xué) 大 綱課 程 名 稱： 電磁場(chǎng)與電磁波 開 課 實(shí) 驗(yàn) 室： 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 執(zhí) 筆 人： 唐 萬 春 審 定 人： 陳 如 山 修（制

2、）訂 日 期： 2005年4月 一、本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的與要求：（約100150漢字）作為課堂教學(xué)的必要補(bǔ)充和深化，特開設(shè)本課程課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。通過本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生能對(duì)自由空間電磁波的傳播特性有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步理解和加深課堂教學(xué)內(nèi)容。要求學(xué)生了解各種極化形式電磁波的形成和特點(diǎn)，掌握電磁波頻率（波長(zhǎng)）和極化特性的測(cè)試方法。二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與主要內(nèi)容：序號(hào)實(shí) 驗(yàn) 項(xiàng) 目 名 稱學(xué)時(shí)主 要 內(nèi) 容實(shí)驗(yàn)類型12電磁波頻率（波長(zhǎng)）測(cè)試電磁波極化的測(cè)試22目的：了解電磁波的傳播特性。 內(nèi)容： 測(cè)量電磁波自由空間波長(zhǎng)和介質(zhì)中的波長(zhǎng)；確定相位常數(shù)和波速。方法：干涉法要求：掌握測(cè)試原理。目的：了解電磁波的極化特

3、性。內(nèi)容：線極化波、圓極化波和橢圓極化的產(chǎn)生與測(cè)試。方法：用電磁波綜合測(cè)試儀測(cè)試。要求：掌握實(shí)驗(yàn)原理。驗(yàn)證驗(yàn)證三、實(shí)驗(yàn)說明：課程總學(xué)分 3 學(xué)分實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù) 0.25 學(xué)分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù) 2個(gè) 課程性質(zhì)通識(shí)基礎(chǔ) 學(xué)科基礎(chǔ) 專業(yè)選修 學(xué)科選修 集中實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)類別課程內(nèi)實(shí)驗(yàn) 獨(dú)立設(shè)課實(shí)驗(yàn) 集中綜合實(shí)驗(yàn)考核方式日?？己?操作技能考核 卷面考核 提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果 面試適用專業(yè)：通信工程，電子信息工程實(shí)驗(yàn)教材及參考書：（按編著者、教材名稱、出版社*、出版年月順序填寫）蔣坤華. 電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書. 北京工業(yè)學(xué)院出版社,1988鐘時(shí)順，鈕茂德. 電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ). 西安電子科技大學(xué)出版社,1995 所屬實(shí)驗(yàn)室意見：

4、實(shí)驗(yàn)室主任： 年 月所屬課程意見：（對(duì)通識(shí)基礎(chǔ)課、學(xué)科基礎(chǔ)課適用） 課程負(fù)責(zé)人： 年 月所屬專業(yè)意見：（對(duì)專業(yè)選修課、學(xué)科選修課、集中實(shí)踐環(huán)節(jié)適用） 專業(yè)負(fù)責(zé)人： 年 月院（系）意見： 主管領(lǐng)導(dǎo)簽章： 年 月*由學(xué)校出版、印刷的實(shí)驗(yàn)教材（或指導(dǎo)書），統(tǒng)一寫作“南京理工大學(xué)出版”?！半姶艌?chǎng)與電磁波”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書唐萬春 編寫南京理工大學(xué)通信工程系二00六年十二月實(shí)驗(yàn)一 電磁波參量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康腶) 觀察電磁波的傳播特性。b) 通過測(cè)定自由空間中電磁波的波長(zhǎng)l，來確定電磁波傳播的相位常數(shù)k和傳播速度v。c) 了解用相干波的原理測(cè)量波長(zhǎng)的方法。2. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容a) 了解并熟悉電磁波綜合測(cè)試儀

5、的工作特點(diǎn)、線路結(jié)構(gòu)、使用方法。b) 測(cè)量信號(hào)源的工作波長(zhǎng)（或頻率）。3. 實(shí)驗(yàn)原理與說明a) 所使用的實(shí)驗(yàn)儀器 分度轉(zhuǎn)臺(tái) 晶體檢波器 可變衰減器 喇叭天線 反射板 固態(tài)信號(hào)源 微安表實(shí)驗(yàn)儀器布置圖如下：圖1 實(shí)驗(yàn)儀器布置圖參閱圖1。固態(tài)信號(hào)源所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)可變衰減器至矩形喇叭天線，由喇叭天線輻射出去，在接收端用矩形喇叭天線接收，接收到的信號(hào)經(jīng)晶體檢波器后通過微安表指示。b) 原理本實(shí)驗(yàn)利用相干波原理，通過測(cè)得的電磁波的波長(zhǎng)l，再由關(guān)系式得到電磁波的主要參量k，v等。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。圖中、和分別表示輻射喇叭、固定反射板、可動(dòng)反射板和接收喇叭，圖中介質(zhì)板是一的玻璃板，它對(duì)電磁波進(jìn)行反射、折

6、射后，可實(shí)現(xiàn)相干波測(cè)試。設(shè)入射波為： 圖2 實(shí)驗(yàn)示意圖當(dāng)入射波以入射角向介質(zhì)板斜投射時(shí)，在分界面上產(chǎn)生反射波和折射波。設(shè)入射波為垂直極化波，用表示介質(zhì)板的反射系數(shù)，用、分別表示由空氣進(jìn)入介質(zhì)板和由介質(zhì)板進(jìn)入空氣的折射系數(shù)。另外固定的和可動(dòng)的金屬反射板的反射系數(shù)均為-1。在一次近似的條件下，接收喇叭處的相干波分別為：即兩者幅度相等，相位差為，其中從而可得 因?yàn)楣潭ㄖ担强筛淖兊?，改變可?dòng)反射板Pr2位置而取不同的值，可使行程相位差為。當(dāng)?shù)闹凳筆r3為最大輸出時(shí)，必有與同相疊加。若與反相時(shí)，則Pr3輸出指示為零。因此可以通過改變Pr2的位置即改變Dl值，實(shí)現(xiàn)Pr3輸出最大與零的重復(fù)出現(xiàn)，從而測(cè)出

7、電磁波的波長(zhǎng)l和相位常數(shù)k。有關(guān)表達(dá)式可推導(dǎo)如下式中 為了測(cè)準(zhǔn)波長(zhǎng)l值，一般采用Pr3為零指示辦法，即或 這里表示相干波的節(jié)點(diǎn)，而除零以外的n值，又表示相干波合成駐波的半波長(zhǎng)數(shù)，故n=0時(shí)，出現(xiàn)，在Pr2處記為l0。 又因 ，故得 ， 或：。為確定相干波節(jié)點(diǎn)，可把波形圖表示于圖3上。圖3 波形圖當(dāng) 得第一個(gè)波節(jié)點(diǎn)位置 得第二個(gè)波節(jié)點(diǎn)位置 得第N個(gè)波節(jié)點(diǎn)位置 可見，當(dāng)波節(jié)點(diǎn)總數(shù)為時(shí)，上移動(dòng)的總距離為，它相當(dāng)于個(gè)半波長(zhǎng)數(shù)。即：，故： 。根據(jù)：就可得到所測(cè)電磁波的參量l、k、v等值?？梢姕y(cè)試波長(zhǎng)l所用公式得出的是平均值。從理論上講，n值越大，測(cè)出的l值精度應(yīng)越高。實(shí)際測(cè)試時(shí)，一般取n=4已足夠，這時(shí)

8、相應(yīng)于5個(gè)波節(jié)點(diǎn)，所測(cè)的波長(zhǎng)為它表示5個(gè)波節(jié)點(diǎn)的距離，相應(yīng)于4個(gè)半波長(zhǎng)。由于被測(cè)場(chǎng)處于近區(qū)場(chǎng)范圍內(nèi)，不僅影響著駐波節(jié)點(diǎn)位置均勻分布，而且使波幅值也有起伏。4. 實(shí)驗(yàn)步驟a) 了解并熟悉電磁波綜合測(cè)試儀的工作特點(diǎn)、線路結(jié)構(gòu)、使用方法。b) 測(cè)量電磁波的波長(zhǎng)。首先調(diào)整好電磁波綜合測(cè)試儀，使其能正常工作。然后測(cè)出電磁波的波長(zhǎng)，根據(jù)測(cè)出的值，得到電磁波的重要參量k，由k值可計(jì)算出傳播速度c) 用波長(zhǎng)計(jì)（或頻率計(jì)）測(cè)出信號(hào)源的工作波長(zhǎng)（或頻率）。把測(cè)試值填入表1中。如采用3cm標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，則可改變信號(hào)源工作頻率（即改變）。由以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，得到相應(yīng)的電磁波參量，并與作比較（如使用該儀器本身的固態(tài)信號(hào)源，它

9、已調(diào)定在一個(gè)固定頻率上工作，故及不能改變）。表1 電磁波參量測(cè)試數(shù)據(jù)表波長(zhǎng)表(頻率計(jì))讀數(shù) 微安表零指示次數(shù) 可動(dòng)板總位移 自由空間中波長(zhǎng) 波的相位常數(shù) 波的相速度 5. 實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)步驟（包括使用設(shè)備，實(shí)驗(yàn)框架圖，實(shí)驗(yàn)原理等）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)處理）討論 （對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)中碰到的一些問題的解釋）結(jié)論 （實(shí)驗(yàn)的收獲，或者某些建議等等）6安全說明 在本實(shí)驗(yàn)室中所使用的微波源都在國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)（10mW/cm2），不會(huì)對(duì)人體造成任何傷害。但是，在實(shí)驗(yàn)期間，請(qǐng)注意以下事項(xiàng):a) 不要用眼睛往任何連接其他設(shè)備的開路傳輸線里面看;b) 不要把身體的任何部位放在傳輸線的開口端

10、;c) 在拆/裝微波元器件時(shí)，請(qǐng)關(guān)掉微波信號(hào)源。7. 思考題：用相干波測(cè)量自由空間波長(zhǎng)時(shí)，介質(zhì)板所放位置，為什么必須如圖1所示？若把介質(zhì)板轉(zhuǎn)，將發(fā)生何種現(xiàn)象？這時(shí)，能否測(cè)準(zhǔn)電磁波波長(zhǎng)？為什么？實(shí)驗(yàn)二 電磁波的極化1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯烤€極化、圓極化和橢圓極化電磁波的產(chǎn)生和各自的特點(diǎn)。2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容a) 圓極化波的調(diào)整與測(cè)試b) 線極化波的調(diào)整與測(cè)試c) 橢圓極化波的調(diào)整與測(cè)試3 實(shí)驗(yàn)原理a) 所使用的實(shí)驗(yàn)儀器固態(tài)信號(hào)源頻率計(jì)衰減器矩形喇叭圓形喇叭檢波器微安表實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖電磁波綜合測(cè)試儀中輻射喇叭（3cm波段）支路由固態(tài)信號(hào)源、頻率計(jì)(或波長(zhǎng)計(jì))、衰減器及圓形喇叭等組成。固

11、態(tài)信號(hào)源的工作頻率f=9370MHz左右，接收喇叭支路由矩形喇叭、檢波器、微安表等組成。b) 原理電磁波極化是指電磁波在無限大均勻媒質(zhì)中傳播時(shí)，空間某點(diǎn)上電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E的末端隨時(shí)間變化的軌跡。當(dāng)電場(chǎng)矢量末端總在一直線上周期地變化時(shí)，稱為線極化波；當(dāng)電場(chǎng)矢量末端軌跡是圓或橢圓時(shí)，即電場(chǎng)矢量末端總在圓或橢圓上周期地變化時(shí)，稱為圓極化波或橢圓極化波。無論是線極化波，左、右旋圓極化波，左、右旋橢圓極化波，都可由兩個(gè)同頻率且場(chǎng)矢量相互正交的線極化波組合而成。本實(shí)驗(yàn)利用方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，介質(zhì)圓波導(dǎo)和圓錐喇叭連接而成的電磁波極化天線，分別研究波的極化線極化波、圓極化波和橢圓極化波的特性。圖2 圓極化波輻射裝置圖

12、2所示為圓極化波輻射裝置，其中介質(zhì)圓波導(dǎo)可做3600旋轉(zhuǎn)，并有刻度指示轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。當(dāng)TE10波經(jīng)方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換到圓波導(dǎo)口面時(shí)則過渡為TE11波，并在介質(zhì)圓波導(dǎo)內(nèi)分成兩個(gè)分量的波，即垂直界面片平面的一個(gè)分量和平行介質(zhì)面的一個(gè)分量。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為9370MHz左右使兩個(gè)分量的波相位差900，適當(dāng)調(diào)整介質(zhì)圓波導(dǎo)（亦可轉(zhuǎn)動(dòng)介質(zhì)片）的角度使兩個(gè)分量的幅度相等時(shí)則可得到圓極化波。當(dāng)方圓波導(dǎo)使TE10的EY波過渡到TE11成為RP波后，在裝有介質(zhì)片的圓波導(dǎo)段內(nèi)分成Et和En兩個(gè)分量的波，因Et和En的速度不同，當(dāng)介質(zhì)片的長(zhǎng)度L取得合適時(shí)，使En波的相位超前Et波的相位900，這就實(shí)現(xiàn)了圓極化波相位條件的要求；

13、為使Et和En的幅度相等，可使介質(zhì)片的方向跟Y軸之間夾角為，若介質(zhì)片的損耗略去不計(jì)，則有，實(shí)現(xiàn)了圓極化波幅度條件的要求（有時(shí)需稍偏離450以實(shí)現(xiàn)幅度相位的要求）。為了確定圓極化波右旋、左旋的特性，把轉(zhuǎn)到方向符合右手螺旋規(guī)則的波，定為右旋圓極化波；把轉(zhuǎn)到方向符合左手螺旋規(guī)則的波，定為左旋圓極化波。波極化天線除作為圓極化波工作外，也可作線極化波，橢圓極化波工作使用。當(dāng)作線極化波工作時(shí)，介質(zhì)片與Y軸相垂直（或平行）。當(dāng)作橢圓極化波工作時(shí)，介質(zhì)片與Y夾角可在a=0-450之間。4. 實(shí)驗(yàn)步驟 a) 圓極化波的調(diào)整與測(cè)試根據(jù)圓極化波的條件，兩個(gè)同頻率的正交場(chǎng)相干波必須幅度相等，相位差。為此將反射板和介質(zhì)

14、板拿掉，把輻射喇叭換成圓喇叭，轉(zhuǎn)動(dòng)圓喇叭使介質(zhì)片的方向跟Y軸之間夾角為450左右，然后固定圓喇叭，再把接收喇叭調(diào)整到與圓喇叭成一直線。轉(zhuǎn)動(dòng)接收喇叭，每隔100測(cè)量一次，讀取微安表上的讀數(shù)，并填入下表，最后算出圓極化波的橢圓度值。表1 圓極化波調(diào)整與測(cè)試數(shù)據(jù)表接收喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)角度微安表讀數(shù)（mA）橢圓度b) 線極化波的調(diào)整與測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)圓喇叭使介質(zhì)片的方向跟Y軸之間夾角為00或900，就可以得到線極化波。固定圓喇叭，轉(zhuǎn)動(dòng)接收喇叭，每隔100測(cè)量一次，讀取微安表上的讀數(shù)，并填入下表。表2線極化波的調(diào)整與測(cè)試數(shù)據(jù)表接收喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)角度微安表讀數(shù)（mA）c) 橢圓極化波的調(diào)整與測(cè)試調(diào)整與測(cè)試橢圓極化波的方法與內(nèi)容

15、同a、b項(xiàng)，要注意的是圓喇叭的轉(zhuǎn)角在0-450之間，按表3列出記錄表格，最后計(jì)算出橢圓極化波的橢圓度值。表3橢圓極化波的調(diào)整與測(cè)試數(shù)據(jù)表接收喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)角度微安表讀數(shù)（mA）橢圓度5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告提綱包括以下內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)步驟（包括使用設(shè)備，實(shí)驗(yàn)框架圖，實(shí)驗(yàn)原理等）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)處理）討論 （對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)中碰到的一些問題的解釋）結(jié)論 （實(shí)驗(yàn)的收獲，或者某些建議等等）6 安全說明在本實(shí)驗(yàn)室中所使用的微波源都在國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)（10mW/cm2），不會(huì)對(duì)人體造成任何傷害。但是，在實(shí)驗(yàn)期間，請(qǐng)注意以下事項(xiàng):a) 不要用眼睛往任何連接其他設(shè)備的開路傳輸線里面看;b) 不要

16、把身體的任何部位放在傳輸線的開口端;c) 在拆/裝微波元器件時(shí)，請(qǐng)關(guān)掉微波信號(hào)源。7 思考題：一右旋圓極化波從空氣正入射到另一種媒質(zhì)表面，反射波與透射波的旋向如何（左旋還是右旋）？南 京 理 工 大 學(xué)實(shí) 驗(yàn) 教 學(xué) 大 綱課 程 名 稱： 微 波 技 術(shù) 開 課 實(shí) 驗(yàn) 室： 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 執(zhí) 筆 人： 車文荃，趙志林 審 定 人： 陳 如 山 修（制）訂 日 期： 2005年4月 一、 本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的與要求：（約100150漢字）教學(xué)目的：課內(nèi)實(shí)驗(yàn)作為課堂教學(xué)的必要補(bǔ)充，可以加深學(xué)生對(duì)物理概念及基本理論的理解和掌握，并為進(jìn)一步的工程實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)要求：要求學(xué)生了解無

17、耗傳輸線在終端接不同負(fù)載時(shí)的三種工作狀態(tài)，掌握波導(dǎo)測(cè)量線的工作原理及測(cè)試方法。要求學(xué)生掌握微波網(wǎng)絡(luò)散射參量的概念，以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用方法。二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與主要內(nèi)容：序號(hào)實(shí) 驗(yàn) 項(xiàng) 目 名 稱學(xué)時(shí)主 要 內(nèi) 容實(shí)驗(yàn)類型12傳輸線工作狀態(tài)的測(cè)試微波網(wǎng)絡(luò)散射參量測(cè)試22目的：了解無耗傳輸線 （矩形波導(dǎo)）在終端接不同負(fù)載時(shí)的工作狀態(tài)。內(nèi)容： 測(cè)量傳輸線終端分別接短路，開路及匹配負(fù)載時(shí)波導(dǎo)中的電場(chǎng)幅度沿傳播方向的分布曲線，并由此計(jì)算三種狀態(tài)下的駐波比。測(cè)量輸入阻抗。方法：用波導(dǎo)測(cè)量線進(jìn)行測(cè)量要求：掌握波導(dǎo)測(cè)量線的測(cè)試方法目的：了解散射參量的物理概念及測(cè)量方法。內(nèi)容：測(cè)試微波元件的散射參量。方法：用矢

18、量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量。要求：掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用方法。驗(yàn)證驗(yàn)證三、實(shí)驗(yàn)說明：課程總學(xué)分 3 學(xué)分實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)0.25 學(xué)分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)2個(gè) 課程性質(zhì)通識(shí)基礎(chǔ) 學(xué)科基礎(chǔ) 專業(yè)選修 學(xué)科選修 集中實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)類別課程內(nèi)實(shí)驗(yàn) 獨(dú)立設(shè)課實(shí)驗(yàn) 集中綜合實(shí)驗(yàn)考核方式日?？己?操作技能考核 卷面考核 提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果 面試適用專業(yè)：通信工程，電子信息工程實(shí)驗(yàn)教材及參考書：（按編著者、教材名稱、出版社*、出版年月順序填寫）趙春暉，楊莘元. 微波測(cè)量與實(shí)驗(yàn)教程. 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2000廖承恩. 微波技術(shù)基礎(chǔ). 西安電子科技大學(xué)出版社, 2004顧繼慧. 微波技術(shù). 科學(xué)出版社，2005所屬實(shí)驗(yàn)室意見： 實(shí)

19、驗(yàn)室主任： 年 月所屬課程意見：（對(duì)通識(shí)基礎(chǔ)課、學(xué)科基礎(chǔ)課適用） 課程負(fù)責(zé)人： 年 月所屬專業(yè)意見：（對(duì)專業(yè)選修課、學(xué)科選修課、集中實(shí)踐環(huán)節(jié)適用） 專業(yè)負(fù)責(zé)人： 年 月院（系）意見： 主管領(lǐng)導(dǎo)簽章： 年 月*由學(xué)校出版、印刷的實(shí)驗(yàn)教材（或指導(dǎo)書），統(tǒng)一寫作“南京理工大學(xué)出版”“微波技術(shù)”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書車文荃 編寫南京理工大學(xué)通信工程系二00六年十二月實(shí)驗(yàn)一 傳輸線的工作狀態(tài)及駐波比測(cè)量2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鉄o耗傳輸線（矩形波導(dǎo)）在終端接不同負(fù)載時(shí)的工作狀態(tài)。3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容a) 測(cè)量傳輸線終端接不同負(fù)載時(shí)傳輸線中的電場(chǎng)幅度沿傳播方向的分布，判定傳輸線的工作狀態(tài)b) 求出波導(dǎo)波長(zhǎng)和駐波比4 實(shí)驗(yàn)原理a)

20、所使用的實(shí)驗(yàn)儀器及元器件信號(hào)源同軸-波導(dǎo)變換鐵氧體隔離器頻率計(jì)衰減器 波導(dǎo)測(cè)量線 選頻放大器 負(fù)載（短路負(fù)載，開路負(fù)載，匹配負(fù)載和任意負(fù)載）b) 原理傳輸線的工作狀態(tài)（電場(chǎng)幅度分布）在無耗傳輸線的終端連接不同的負(fù)載時(shí)，傳輸線將呈現(xiàn)不同的工作狀態(tài)。當(dāng)終端接與傳輸線特性阻抗相等的匹配負(fù)載時(shí)，只有入射波，沒有反射波，傳輸線工作在行波狀態(tài)。行波狀態(tài)下傳輸線上的電壓（電流）幅度沿傳輸方向的分布如圖1所示。 z0圖1 傳輸線行波狀態(tài)電壓（電流）幅度沿傳播方向的分布當(dāng)終端接與短路，開路或純電抗負(fù)載時(shí)，終端將發(fā)生全反射，傳輸線工作在純駐波狀態(tài)。純駐波狀態(tài)下傳輸線上的電壓（電流）幅度沿傳輸方向的分布如圖2所示（

21、以終端短路為例）。圖2 傳輸線純駐波狀態(tài)（終端短路）電壓（電流）幅度沿傳播方向的分布測(cè)量傳輸線的工作狀態(tài)（電場(chǎng)分布）是采用測(cè)量線技術(shù)。測(cè)量線的主體是一段在波導(dǎo)寬邊中間開槽的矩形波導(dǎo)，有一根探針通過波導(dǎo)的槽縫伸進(jìn)波導(dǎo)內(nèi)，并可以沿傳輸線移動(dòng)。當(dāng)探針位于某一個(gè)位置時(shí)，與所在位置的電場(chǎng)發(fā)生耦合，在探針上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由檢波二極管轉(zhuǎn)換為檢波電流，并通過選頻放大器指示出來。當(dāng)探針沿波導(dǎo)移動(dòng)時(shí)，放大器讀數(shù)就間接地反映了波導(dǎo)內(nèi)電場(chǎng)大小的分布。將探針位置D與檢波電流I的測(cè)量值繪制成曲線，即為傳輸線上的電場(chǎng)幅度分布曲線，由此也就知道了傳輸線的工作狀態(tài)。兩個(gè)相鄰波節(jié)點(diǎn)的間距等于，因此有測(cè)出的波節(jié)點(diǎn)的位置可以求得矩

22、形波導(dǎo)的波導(dǎo)波長(zhǎng)lg。電壓駐波比計(jì)算電壓駐波比描述了負(fù)載的匹配特性，是反映傳輸線上不匹配情況的量，駐波比的定義為： (1)即傳輸線中的電場(chǎng)幅度的最大值與最小值之比。因?yàn)闇y(cè)得的是檢波電流，而檢波電流與電場(chǎng)的關(guān)系是，n為檢波二極管的檢波律。在實(shí)驗(yàn)中一般為小信號(hào)檢波，可以取n=2，即平方律檢波，則上式（1）可表示為 (2)式中和分別為波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)的檢波電流值。4. 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)所用原理框圖如圖3所示。波長(zhǎng)計(jì)隔離器同軸-波導(dǎo)變換信號(hào)源選頻放大器衰減器波導(dǎo)測(cè)量線待測(cè)負(fù)載圖3 實(shí)驗(yàn)框圖首先將測(cè)量線終端接短路負(fù)載，這時(shí)在傳輸線上形成全駐波，然后將探針移到測(cè)量線左端的一個(gè)波節(jié)點(diǎn)，記下探針位置D（mm）和檢波

23、電流I（）值，以后每向右移動(dòng)探針2mm，記錄一個(gè)D和I值，直到測(cè)出兩個(gè)完整的駐波。將測(cè)量線終端分別換接匹配負(fù)載（行波狀態(tài)）和開口波導(dǎo)（行駐波狀態(tài)），同樣用上述方法進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量傳輸線終端為開口波導(dǎo)時(shí)的和值，用式（2）計(jì)算駐波比。5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出傳輸線在三種工作狀態(tài)時(shí)的電場(chǎng)幅度分布曲線。根據(jù)測(cè)量的和值計(jì)算開口波導(dǎo)的駐波比。由測(cè)試數(shù)據(jù)求得矩形波導(dǎo)的波導(dǎo)波長(zhǎng)，并與理論計(jì)算結(jié)果比較。實(shí)驗(yàn)報(bào)告提綱包括以下內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)步驟（包括使用設(shè)備，實(shí)驗(yàn)框架圖，實(shí)驗(yàn)原理等）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)處理）討論（對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)中碰到的一些問題的解釋）結(jié)論（實(shí)驗(yàn)的收獲，或者某些建議等等）6

24、思考題a. 波導(dǎo)測(cè)量線上的槽縫為何開在波導(dǎo)寬邊的中間？b. 信號(hào)源為何選用方波調(diào)制？c. 測(cè)量線的探針插入波導(dǎo)太深是否會(huì)影響測(cè)試結(jié)果？d. 為什么所測(cè)開口波導(dǎo)的駐波比不是無窮大？如何實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的理想開路？7安全說明 在本實(shí)驗(yàn)室中所使用的微波源都在國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)（10mW/cm2），不會(huì)對(duì)人體造成任何傷害。但是，在實(shí)驗(yàn)期間，請(qǐng)注意以下事項(xiàng):a) 不要用眼睛往任何連接其他設(shè)備的開路傳輸線里面看;b) 不要把身體的任何部位放在傳輸線的開口端;c) 在拆/裝微波元器件時(shí)，請(qǐng)關(guān)掉微波信號(hào)源。實(shí)驗(yàn)二 微波網(wǎng)絡(luò)散射參量測(cè)試1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量負(fù)載的阻抗、回波損耗、駐波，以及同軸可變衰減器的

25、插入損耗，掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本使用方法，加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)散射參量的認(rèn)識(shí)和理解。2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 測(cè)量負(fù)載的阻抗、回波損耗及駐波（2） 測(cè)量同軸可變衰減器的插入損耗3 實(shí)驗(yàn)原理a) 所使用的實(shí)驗(yàn)儀器及元器件矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA3623（掃頻范圍：30-3200MHz,雙測(cè)試通道）3dB電橋10dB衰減器同軸可變衰減器（待測(cè)件） b)原理眾所周知，微波元器件的作用是用來控制電磁波的振幅，相位等的變化，這些變化可以用輸入駐波比，回波損耗，插入損耗等外部特性參量來描述。而外部特性參量又可以用微波網(wǎng)絡(luò)參量來表示。因此，首先用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量待測(cè)元器件的散射參量，然后得到反映元器件特性的外部特性參量。圖

26、1所示為微波二端口網(wǎng)絡(luò)的示意圖。圖1 微波二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖散射參量S的定義為： (1)散射參量矩陣S中各元素的意義分別為：S11：當(dāng)輸出端接匹配負(fù)載時(shí)，輸入端口的電壓反射系數(shù)；S22：當(dāng)輸入端接匹配負(fù)載時(shí)，輸出端口的電壓反射系數(shù)；S12：當(dāng)輸入端接匹配負(fù)載時(shí)，輸出端口到輸入端口的電壓傳輸系數(shù)；S21：當(dāng)輸出端接匹配負(fù)載時(shí)，輸入端口到輸出端口的電壓傳輸系數(shù)。因此網(wǎng)絡(luò)輸入端電壓反射系數(shù)的模，故輸入駐波比為： （2）回波損耗(return loss)Lr：回波損耗用來描述反射系數(shù)的幅度,有時(shí)又稱為失配損耗。它與負(fù)載反射系數(shù)大小有關(guān),其絕對(duì)值越大，則表明負(fù)載匹配越好，反射越小。引入回波損耗以后，反射系

27、數(shù)的大小就可用dB形式來表示。 (3)插入損耗 (Insertion loss)IL：插入損耗定義為網(wǎng)絡(luò)輸出端接匹配負(fù)載時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸入端入射波功率Pi與負(fù)載吸收功率PL之比，即： (4)用分貝表示，為： (5)4 實(shí)驗(yàn)步驟（1）測(cè)量負(fù)載的阻抗、回波損耗及駐波a) 開機(jī)（按照說明書要求），把頻率范圍設(shè)為1.8GHz3.2GHz。設(shè)定BF：1800MHz; F：20MHz; EF：3200MHz; N=71。b) 按圖2 所示把電橋連接好，并選擇測(cè)試B端口回?fù)p。輸出輸入A輸入B電橋圖2負(fù)載反射特性測(cè)試框圖c) 開路校準(zhǔn)：把開路器接上，按 執(zhí)行, 光標(biāo)在Smith圓圖上右端閃爍。短路校準(zhǔn)：把短路器接上

28、，按 執(zhí)行, 光標(biāo)在Smith圓圖上左端閃爍。d) 測(cè)負(fù)載：接上待測(cè)負(fù)載，可用Smith圓圖看出變化趨勢(shì)。e) 測(cè)回波損耗按 菜單 選擇“對(duì)數(shù)”，再按 執(zhí)行，即可出現(xiàn)回波損耗曲線，讀出數(shù)據(jù), 列表并畫圖。f) 測(cè)駐波按 菜單，把光標(biāo)移到 駐波，按 執(zhí)行 即可，有四檔可選讀數(shù)范圍，讀出數(shù)據(jù)，列表并畫圖。（2）測(cè)量同軸可變衰減器的插入損耗a) 按圖3所示連接好。輸出輸入A輸入B10dB衰減器10dB衰減器待測(cè)器件圖3 待測(cè)器件連接框圖 b) 在主菜單上按“ ”鍵光標(biāo)移到測(cè)：A、B下，按或鍵使A為插損，B下為空白。c) 直通校準(zhǔn)按“”使光標(biāo)停在校：直通下，按“執(zhí)行”鍵，此時(shí)為直通狀態(tài)，測(cè)試系統(tǒng)（如電纜，10dB的衰減器）的插入損耗即歸零，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入測(cè)試狀態(tài)。d) 測(cè)同軸可變衰減器的插入損耗將待測(cè)試的同軸可變衰減器接到兩電纜之間，按“主菜單”，用“ ”鍵把光標(biāo)移到“對(duì)數(shù)”，按“執(zhí)行”即可出現(xiàn)插入損耗曲線，讀出數(shù)據(jù)，列表并畫圖。5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告a. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出待測(cè)負(fù)載在1.8GHz3.2GHz的范圍內(nèi)的回波損耗及 駐波曲線。b. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出待測(cè)同軸可變衰減器在1.8GHz3.2GHz的范圍內(nèi)