實(shí)驗(yàn)七 微波技術(shù)

實(shí)驗(yàn)七微波的傳輸特性和基本測(cè)量微波通常是指波長(zhǎng)為1mm至1m，即頻率范圍為300GH至300MHz的電Z磁波。其下端與無線電通訊的短波段相連接，上端與遠(yuǎn)紅外光相鄰近。根據(jù)波長(zhǎng)差異還可以將微波分為米波，分米波,厘米波和毫米波。不同范圍的電磁波既有其相同的特性，又有各自不同的特點(diǎn)。下面對(duì)微波的特點(diǎn)作簡(jiǎn)要介紹。1．微波波長(zhǎng)很短，比建筑物、飛機(jī)、船舶等地球上一般物體的幾何尺寸小得多，微波的衍射效應(yīng)可以忽略，故，微波與幾何光學(xué)中光的傳輸很接近，具有直線傳播性質(zhì)，利用該特點(diǎn)可制成方向性極強(qiáng)的天線、雷達(dá)等。2．微波頻率很高，其電磁振蕩周期為10—10秒，與電子管中電子在-9-12電極間渡越所經(jīng)歷的時(shí)間可以相比擬。因此，普通的電子管已不能用作微波振蕩器、放大器和檢波器，必須采用微波電子管（速調(diào)管、磁控管、行波管等）來代替。其次，微波傳輸線、微波元器件和微波測(cè)量設(shè)備的線度與微波波長(zhǎng)有相近的數(shù)量級(jí)，因此，分立的電阻器、電容器、電感器等全不同的微波元器件。3波段在研究方法上不象低頻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)波長(zhǎng)率波系數(shù)等作為基本測(cè)量參量。4．許多原子、分子能級(jí)間躍遷輻射或吸收的電磁波的波長(zhǎng)處在微波波段，利用這一特點(diǎn)研究原子、原子核和分子的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了微波波譜學(xué)、量子無線電物理等尖端學(xué)科，以及研究低嘈聲的量子放大器和極為準(zhǔn)確的原子、分子頻率標(biāo)準(zhǔn)。5．某些波段的微波能暢通無阻地穿過地球上空的電離層，因此微波為宇宙通訊、導(dǎo)航、定位以及射電天文學(xué)的研究和發(fā)展提供了廣闊的前景。由此可見，在微波波段，不論處理問題時(shí)所用的概念、方法，還是微波系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，都與普通無線電不同。微波實(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)的重要實(shí)驗(yàn)之一。微波技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，深入到國(guó)防軍事（雷達(dá)、導(dǎo)彈、導(dǎo)航國(guó)民經(jīng)濟(jì)（移動(dòng)通訊、衛(wèi)星通信、微波遙感、工業(yè)干燥、酒老化科學(xué)研究（射電天文學(xué)、微波波譜學(xué)、量子電子學(xué)、微波氣象學(xué)醫(yī)療衛(wèi)生（腫瘤微波熱療、微波手術(shù)刀以及家庭生活（微波爐）等各個(gè)領(lǐng)域。66一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.熟悉常用微波器件的結(jié)構(gòu)、原理和使用方法；2.了解微波振蕩源的基本工作特性和微波的傳輸特性；3.掌握頻率、功率、波導(dǎo)波長(zhǎng)以及駐波比等基本量的測(cè)量。二．實(shí)驗(yàn)原理2.1微波振蕩源微波信號(hào)源是提供微波信號(hào)的必備儀器。微波源可分為兩大類：一類是電子管，另一類是固體電子器件。前者使用反射速調(diào)管、行波管和磁控管等；后者則使用體效應(yīng)管、雪崩管和微波晶體管等。一般實(shí)驗(yàn)室中常用的是反射速調(diào)管振蕩器，但近來一些新型的微波固態(tài)信號(hào)源（如體效應(yīng)振蕩器等）已被廣泛應(yīng)用。由于固態(tài)源具有體積小、重量輕、耗電省以及便于集成等優(yōu)點(diǎn)，相當(dāng)多的場(chǎng)合已經(jīng)取代了速調(diào)管微波源。本實(shí)驗(yàn)所用的就是固態(tài)源。這里主要介紹耿氏二極管振蕩器或稱體效應(yīng)微波信號(hào)源。耿氏二極管振蕩器，也稱之為固態(tài)源。耿氏二極管振蕩器的核心是耿氏二極管，如圖4-1所示。1963年耿氏在實(shí)驗(yàn)中觀察到，在n型砷化鎵樣品的兩端加上直流電壓，當(dāng)電壓較小時(shí)樣品電流隨電壓增高而增大；當(dāng)電壓V超過某一臨界值V后，隨著電壓的增高電流反而減小。這種隨電場(chǎng)的增加電流下th降的現(xiàn)象稱為負(fù)阻效應(yīng)壓繼續(xù)增大(V>V)則電流趨向飽和圖4-2所示。b這說明n型砷化鎵樣品具有負(fù)阻特性。圖體效應(yīng)二極管的剖面圖耿氏二極管電流-電壓特性砷化鎵的負(fù)阻特性可用半導(dǎo)體能帶理論解釋，如圖4-3所示。砷化鎵是一種多能谷材料，n型砷化鎵的導(dǎo)帶是雙谷——高能谷和低能谷結(jié)構(gòu)，兩個(gè)能谷間能量差為0.36eV，小于其禁帶寬度1.43eV，但大于熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能kT。其中具有最低能量的主谷和能量較高的臨近子谷具有不同的性質(zhì)電子處于主谷時(shí)67有效質(zhì)量m*較小，則遷移率μ較高；當(dāng)電子處于子谷時(shí)有效質(zhì)量m*較大，則遷移率μ較低。在常溫下且無外加電場(chǎng)時(shí)，大部分電子處于電子遷移率高而有效質(zhì)量低的主谷。隨著外加電場(chǎng)增大，電子平均漂移速度也增大。當(dāng)外加電場(chǎng)大到足夠使主谷的電子能量增加至0.36eV時(shí)，部分電子轉(zhuǎn)移到子谷，在那里遷移率低而有效質(zhì)量較大。結(jié)果是隨著外加電壓的增大，μ即電子的平均漂移速度反而減小，出現(xiàn)單調(diào)下降的微分負(fù)阻特性，直到V=V時(shí)，低谷中的電子b全部轉(zhuǎn)移到高能谷。電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)是體效應(yīng)的物理基礎(chǔ)，所以體效應(yīng)管也稱為電子轉(zhuǎn)移器件。圖4-3砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)圖4-4耿氏管中的疇的形成、傳播和消失過程圖4-4為耿氏管示意圖。在管兩端加電壓，當(dāng)管內(nèi)電場(chǎng)大于Er(Er負(fù)阻效應(yīng)起始電場(chǎng)強(qiáng)度)時(shí)，由于管內(nèi)局部電量的不均勻漲落（通常在陰極附近陰極端開始生成電荷的偶極疇極疇的形成使疇內(nèi)電場(chǎng)增大而使疇外電場(chǎng)下降，從而進(jìn)一步使疇內(nèi)的電子轉(zhuǎn)入高能谷，直至疇內(nèi)電子全部進(jìn)入高能谷，疇不再長(zhǎng)大后極疇在外電場(chǎng)作用下以飽和漂移速度向陽極移動(dòng)直至消失。而后整個(gè)電場(chǎng)重新上升，再次重復(fù)相同的過程，周而復(fù)始地產(chǎn)生疇的建立、移動(dòng)和消失，構(gòu)成電流的周期性振蕩，形成一連串很窄的電流，這就是耿氏二極管的振蕩原理。耿氏二極管的工作頻率主要由偶極疇的渡越時(shí)間決定。實(shí)際應(yīng)用中，一般將耿氏管裝在金屬諧振腔中做成振蕩器過改變腔體內(nèi)的機(jī)械調(diào)諧裝置可在一定范圍內(nèi)改變耿氏振蕩器的工作頻率。為提高體效應(yīng)管振蕩器的頻率穩(wěn)定68性，降低燥聲，擴(kuò)展調(diào)諧范圍和提高效率，必須把體效應(yīng)管與特定的諧振電路結(jié)合起來。一個(gè)好的選擇是用體效應(yīng)管作為有源元件做成TE模波導(dǎo)諧振腔10振蕩器。其調(diào)諧方式有調(diào)諧桿機(jī)械和變?nèi)輧煞N。GaAs材料制成的體效應(yīng)管對(duì)溫度很敏感，可用恒溫、補(bǔ)償、鎖定等計(jì)術(shù)或用溫度系數(shù)低的殷鋼制造諧振腔等措施來提高頻率的穩(wěn)定性。2.2微波傳輸線1.概述。常用的微波傳輸線有同軸傳輸線、波導(dǎo)傳輸線、微帶傳輸線等。由于輻射損耗、介質(zhì)損耗、承受功率和擊穿電壓等的影響，同軸線和微帶線的使用受到一定的限制，波導(dǎo)傳輸線由于無輻射損耗和外界干擾，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擊穿強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在微波段得到廣泛應(yīng)用。傳輸線中某一確定的電磁場(chǎng)分布稱為波型常用TEMTE或TM表示。同軸線是由內(nèi)導(dǎo)體和一根環(huán)繞它的同心管形外導(dǎo)體組成，其間充有絕緣介質(zhì)。它傳輸?shù)碾姶艌?chǎng)僅分布在橫解面上而無縱向分量的橫電磁波(TEM波)截面上力線為環(huán)繞內(nèi)導(dǎo)體的閉合同心圓力線與磁力線垂直圓環(huán)的徑向。波導(dǎo)是空心金屬管的總稱截面形狀不同分為矩形波導(dǎo)和圓形波導(dǎo)兩大類。為減少內(nèi)壁損耗，內(nèi)壁要有較好的光潔度,并鍍銀以提高電導(dǎo)率。由于空心波導(dǎo)中無任何導(dǎo)體，故不能傳輸TEM波，但能傳輸TE和TM橫電磁波。TE波的特性是電場(chǎng)為純橫向，具有縱向磁分量。所以又稱為（縱向）磁波(H波)。TM波與TE波相反，其磁場(chǎng)是純橫向，因具有縱向電場(chǎng)分量，所以又稱為(縱向)電波(E波)TE波和TM波均可有無窮多個(gè)波型寫成TE和TMmnmn波。下標(biāo)m,n為包括零在內(nèi)的正整數(shù)。為實(shí)現(xiàn)單一波型(單模)傳輸，常把波導(dǎo)尺寸設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)化的寬邊為a，窄邊為b的矩型波導(dǎo)。只要滿足b=(0.4—0.5)a的關(guān)系，波導(dǎo)就只傳輸TE的最低模，即TE波(H波)，此時(shí)m=1,n=0。下mn1010面將看到：m和n分別代表電磁波沿寬邊和窄邊交變的次數(shù)(半波長(zhǎng)數(shù))。當(dāng)m或n為零時(shí)，表明電磁場(chǎng)在相應(yīng)方向保持恒定。實(shí)際應(yīng)用中通常是將波導(dǎo)管設(shè)計(jì)成只能傳輸單一波型矩形波導(dǎo)中的TE波。由于其可單模傳輸、頻帶寬、10低損耗、模式簡(jiǎn)單穩(wěn)定、易于激勵(lì)和耦合等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣泛。2.矩形波導(dǎo)中的TE波10矩形波導(dǎo)是一個(gè)橫截面為矩形ab的均勻、無耗波導(dǎo)管，如圖4-5所示。實(shí)驗(yàn)室常用的波導(dǎo)管，寬邊=22.86mm、窄邊=10.16mm。設(shè)矩形波導(dǎo)管內(nèi)ab壁為理想導(dǎo)體，且波導(dǎo)管沿z軸方向?yàn)闊o限長(zhǎng)。當(dāng)TE波在波導(dǎo)中傳輸時(shí)，106910m在波導(dǎo)內(nèi)壁表面厚為(趨膚深度)的表面內(nèi)將感應(yīng)產(chǎn)生管壁電流。4圖4-5矩形波導(dǎo)管根據(jù)麥克斯韋方程可得矩形波導(dǎo)中TE波的各電磁場(chǎng)分量為：10E=E=0（4－1）xzxaEEj(tz)（4－2）y02xaHjEcos(j(tz)（4－3）z0xaHEj(tz)（4－4）（4－5）x0H=0y圖波的電磁結(jié)構(gòu)10相應(yīng)的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖4-6所示，它具有以下特性：（1）（2）E=0，H≠，電場(chǎng)在z方向無分量，為橫電波；zz電磁場(chǎng)沿x方向?yàn)橐粋€(gè)駐立半波，沿y方向?yàn)榫鶆蚍植迹?0（3）電磁場(chǎng)沿z方向?yàn)樾胁顟B(tài)。在該方向，電磁場(chǎng)分量E與H的yx分布規(guī)律相同，與H的位相則差л/2。z矩型波導(dǎo)管中的TE電磁波的場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其感生的管壁電流分布，對(duì)于設(shè)10計(jì)波導(dǎo)管元件和波導(dǎo)中電磁波的激勵(lì)與耦合裝置,具有重要的意義.3.傳輸線的特性參量與工作狀態(tài)。在波導(dǎo)中常用相移常數(shù)、波導(dǎo)波長(zhǎng)、駐波系數(shù)等特性參量來描述波導(dǎo)中的傳輸特征。對(duì)于矩形波導(dǎo)中的TE波：10c/f自由空間波長(zhǎng)（4－6）（4－7）a截止(臨界)波長(zhǎng)C（4－8）波導(dǎo)波長(zhǎng)1/)2gcEE駐波比（4－9）（4－10）（4－11）相移常量反射系數(shù)gE反入E為描述反射大小，定義反射波電壓與入射波電壓之比為電壓反射系數(shù)Γ，簡(jiǎn)稱反射系數(shù)。反射波與入射波會(huì)在長(zhǎng)線上相干產(chǎn)生駐波。長(zhǎng)線上電壓的最大值與最小值之比稱為電壓駐波比ρ稱駐波比線是指縱向長(zhǎng)度大于0.1的傳輸線。a由此可見：微波在波導(dǎo)中傳輸時(shí)，存在著一個(gè)截止波長(zhǎng)λc=，是波導(dǎo)中能通過的電磁波波長(zhǎng)的上限。它是波導(dǎo)傳輸線重要的傳輸特性參數(shù)。波導(dǎo)中只能傳輸λ＝λc的電磁波。所以矩形波導(dǎo)實(shí)際上是一個(gè)高通濾波器，這樣，才能實(shí)現(xiàn)單模傳輸。λ是相位波長(zhǎng)或稱波導(dǎo)波長(zhǎng),g2場(chǎng)分量的相位差為的相鄰點(diǎn)之間的距離，即在波導(dǎo)中Z方向相鄰的兩個(gè)同位相點(diǎn)之間的距離。它大于自由空間波長(zhǎng)λ。實(shí)際應(yīng)用中，傳輸線并非是無限長(zhǎng)。此時(shí)傳輸線中的電磁波由入射波與反射波迭加而成，傳輸線中的工作狀態(tài)主要決定于負(fù)載的情況。（1）波導(dǎo)終端接匹配負(fù)載時(shí)，微波功率全部被負(fù)載吸收，無反射波，波導(dǎo)呈行駐波狀態(tài)。此時(shí)|Γ|=0，ρ=1。此時(shí)長(zhǎng)線上各點(diǎn)的電源平均值保持常數(shù)，71傳輸純行波。（2）波導(dǎo)終端短路（接理想導(dǎo)體板開路或接純電抗性負(fù)載時(shí)，形成全反射，波導(dǎo)中呈純駐波狀態(tài)。此時(shí)|Γ|=1，ρ=∞，傳輸純駐波。（3）波導(dǎo)終端接一般性負(fù)載（有電阻又有電抗）時(shí)，形成部分反射，波導(dǎo)中呈行駐波狀態(tài)，此時(shí)0<，1<ρ<∞。此時(shí)，由于長(zhǎng)線上既有行波，也有駐波，傳輸?shù)氖腔觳ā哪芰拷嵌戎v，匹配狀態(tài)相應(yīng)于負(fù)載吸收全部微波功率。全反射狀態(tài)相應(yīng)于負(fù)載對(duì)微波功率全部反射波狀態(tài)相應(yīng)于負(fù)載部分吸收和部分反射微波功率的中間態(tài)。4.微波諧振腔諧振腔是一段封閉的金屬導(dǎo)體空腔，具有儲(chǔ)能，選頻等特性。常用的諧振腔分矩形和圓柱形兩種，下面介紹矩形諧振腔。矩形諧振腔是一段長(zhǎng)度L為λ/2的整數(shù)倍的矩形波導(dǎo)管。兩端用金屬片封g閉而成，其輸入輸出的能量通過金屬片上的小孔耦合。矩形諧振腔中可能存在無窮多個(gè)TE或TM振蕩模式。通常用TE和mnpTM表示。式中下標(biāo)m、n、p為整數(shù)。p不能為零。對(duì)TE模m，n不能同mnp時(shí)為零；對(duì)TM模m，n均不能為零。矩形諧振腔的諧振頻率為cm2a222npfmnp（4－12）bl2.3常用的微波元件圖4-7常用微波元件示意圖72微波元件是微波系統(tǒng)的組成部分，它們對(duì)微波信號(hào)或能量進(jìn)行定向傳輸、衰減、分配、儲(chǔ)存、隔離、濾波、相位控制、波形轉(zhuǎn)換、阻抗變換和調(diào)配以及其他特殊功能。工程上的微波元件有波導(dǎo)型、微帶型等不同類型，這里主要介紹幾種常用的波導(dǎo)型微波元件，如圖4-7所示。1.隔離器。這是一種鐵氧體非互易性器件。通常是微波鐵氧體（有的還要附加吸收片）置于一段直波導(dǎo)內(nèi)的恰當(dāng)位置，外加恒定磁場(chǎng)而成。它具有單向?qū)ǖ奶匦?，即隔離器在正向時(shí)只允許微波沿一個(gè)方向幾乎無衰減的通過，對(duì)相反方向傳輸?shù)奈⒉üβ食孰娮栊晕?，因受到很大的衰減而難以通過。其隔離系數(shù)定義為反向傳輸衰減和正向傳輸衰減之比的對(duì)數(shù)值的10倍，用分貝(dB)來表示。隔離器常用于振蕩器與負(fù)載之間，起隔離和單向傳輸作用，即允許信號(hào)源的功率傳向負(fù)載，負(fù)載引起的反射不能傳向信號(hào)源。2.衰減器。這是一種電阻性器件。分為固定式和可變式兩類，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較多的可變衰減器是通過在寬壁開槽的直波導(dǎo)內(nèi)入槽內(nèi)的可移動(dòng)的吸收片（通常是鍍有電阻性材料的玻璃片）而成。可變衰減器分為平移式、插入式和旋轉(zhuǎn)式等幾種。通過改變衰減片在波導(dǎo)內(nèi)的位置、面積大小或取向可以連續(xù)地改變衰減量的大小。可變衰減器外部的衰減片位置刻度，通過廠家所附衰減曲線圖或表格可查出相應(yīng)的衰減量減器起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率及去藕的作用。3.匹配負(fù)載。接在傳輸系統(tǒng)終端的單臂微波元件，用于傳輸系統(tǒng)終端建立純行波狀態(tài)。通常做成波導(dǎo)段的形式，內(nèi)置吸收片。吸收片做成特殊的劈形,實(shí)現(xiàn)與波導(dǎo)間的慢過渡匹配，進(jìn)入匹配負(fù)載的入射微波功率幾乎全部被吸收。通常要求駐波比ρ<1.06，相當(dāng)于沒有反射。4.晶體檢波器。用于檢測(cè)微波信號(hào)。它的典型機(jī)構(gòu)是在一段直波導(dǎo)上加裝微波檢波二極管、短路活塞和調(diào)配螺釘而成。其核心部分是跨接于矩形波導(dǎo)寬壁中心線上的點(diǎn)接觸微波兩極管。晶體檢波二極管置于平行微波電場(chǎng)方向，當(dāng)有微波輸入時(shí)，在晶體中感應(yīng)出微波信號(hào)。短路活塞和調(diào)配螺釘保證檢波器有較高的靈敏度和較好的匹配特性。當(dāng)微波信號(hào)是連續(xù)波，整流后的輸出為直流；當(dāng)微波信號(hào)為方波調(diào)制，輸出為低頻信號(hào)。輸出信號(hào)由與兩極管相連的同軸線中心導(dǎo)體引出，接到相應(yīng)的指示器，如選頻放大器。測(cè)量時(shí)反復(fù)調(diào)節(jié)波導(dǎo)終端的短路活塞的位置以及輸入前端三個(gè)螺釘?shù)拇┥於葯z波電流達(dá)到最大值，得到較高的測(cè)量靈敏度。點(diǎn)接觸兩極管的功率承受能力極差，使用中要特別注意不要使信號(hào)過大，否則會(huì)因過載而損壞兩極管。定量檢測(cè)中要注意校正73檢波電流與加在其上的電壓的依賴關(guān)系。當(dāng)檢波電流小于10μA時(shí)，電流于電壓的平方近似成比例，即一般的按平方率檢波。而當(dāng)檢波電流大于10μA時(shí)，則由平方率變?yōu)榻凭€性關(guān)系。5.頻率（波長(zhǎng)）計(jì)。實(shí)驗(yàn)中用的較多的是“吸收式”諧振頻率計(jì)。諧振式頻率計(jì)腔通過隙孔耦合到一段直波導(dǎo)管上振式頻率計(jì)的腔體通過耦合元件與待測(cè)微波信號(hào)的傳輸波導(dǎo)相連接，形成波導(dǎo)的分支。當(dāng)頻率計(jì)的腔體失諧時(shí)，腔里的電磁場(chǎng)極為微弱，此時(shí)它不吸收微波功率，也基本不影響波導(dǎo)中的傳輸，相應(yīng)地系統(tǒng)終端輸出端的信號(hào)監(jiān)測(cè)器上所指示的為一恒定大小的信號(hào)輸出。測(cè)量頻率時(shí)，調(diào)節(jié)頻率計(jì)上的調(diào)諧機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)動(dòng)頻率計(jì)頻率計(jì)調(diào)諧到與信號(hào)頻率諧振時(shí)，諧振腔吸收能量，則到達(dá)終端信號(hào)檢測(cè)器的微波功率突然減少，由指示器可看出傳輸功率有一個(gè)明顯的跌落。只要讀出對(duì)應(yīng)系統(tǒng)輸出為最小值時(shí)調(diào)諧機(jī)構(gòu)上的讀數(shù)，就得到所測(cè)量的微波頻率。6.駐波測(cè)量線。用來測(cè)量微波傳輸線中合成電場(chǎng)（沿軸線）的分布，一般包括開槽線、探針耦合指示機(jī)構(gòu)及位置移動(dòng)裝置三部分。如圖8，當(dāng)測(cè)量線接入測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，其波導(dǎo)中建立起駐波電磁場(chǎng)。駐波電場(chǎng)在波導(dǎo)寬邊正中央最大，沿軸向成周期函數(shù)分布。在矩形波導(dǎo)的寬邊中央的軸向開一條狹槽，伸入一根金屬探針，則探針與傳輸波導(dǎo)1電力線平行耦合，得到大小正比于該處場(chǎng)強(qiáng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過晶體管檢波器變成電流信號(hào)輸出，指示器的讀數(shù)可以間接表示場(chǎng)強(qiáng)的大小。當(dāng)探針沿波導(dǎo)移動(dòng)時(shí)，輸出信號(hào)顯示出波導(dǎo)中電場(chǎng)沿傳播方向的變化，從而可以求出駐波比和波導(dǎo)波長(zhǎng)及負(fù)載阻抗等。51、傳輸波導(dǎo)2、探針343、同軸腔64、微波二極管5、調(diào)諧活塞6、檢波滑座21圖874探針在主波導(dǎo)中的穿伸度通過螺絲可上下調(diào)節(jié)塞位置由頂部螺絲上下調(diào)節(jié)，整個(gè)探針架置于探頭座上，可通過轉(zhuǎn)動(dòng)旋紐沿槽移動(dòng)，探針的位置可由測(cè)量線上所附標(biāo)尺或測(cè)微計(jì)讀取。7.雙T調(diào)配器。由一個(gè)雙T波導(dǎo)和兩只調(diào)節(jié)活塞構(gòu)成，如圖9。在E臂、H臂內(nèi)裝有短路活塞變活塞位置使系統(tǒng)獲得匹配種匹配器頻帶寬，駐波匹配范圍寬,可用在高功率傳輸系統(tǒng)。當(dāng)端口2(或3)接任意有損耗的待匹配負(fù)載時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)兩活塞的位置，總可使端口3(或2)呈現(xiàn)匹配而不存在死區(qū)，調(diào)節(jié)方便。圖9雙T8.短路活塞。是接在傳輸系統(tǒng)終端的單臂微波元件。其功能與匹配負(fù)載剛好相反，它接在終端對(duì)入射微波功率幾乎全部反射而不吸收，從而在傳輸系統(tǒng)中形成純駐波狀態(tài)。它是一個(gè)可移動(dòng)金屬短路面的矩形波導(dǎo)，短路面位置通過螺旋來調(diào)節(jié)并可直接讀數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中它可接在樣品諧振腔后，用來調(diào)整諧振腔的工作狀態(tài)。9.選頻放大器。對(duì)微波二極管的檢波電流進(jìn)行放大，是一個(gè)高增益、低燥聲、具有選頻特性的放大器。在信號(hào)源內(nèi)用1kHz方波對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅后輸出，選頻放大器則對(duì)此1KHz方波進(jìn)行有效放大。使用中注意合理選擇增益和頻帶范圍，保證其穩(wěn)定工作。指示用的表頭有兩種刻度：一種是均勻分格讀數(shù),可直讀信號(hào)的大小，上標(biāo)值為線性指示，下為相應(yīng)的對(duì)數(shù)（）指示；另一種是駐波比刻度，它的滿刻度作為駐波電壓的波腹讀數(shù)，把測(cè)量線調(diào)到波節(jié)時(shí)的讀數(shù)即為駐波比。上為駐波比1～3，下為3.2～10。10.功率計(jì)。微波小功率計(jì)是一種熱電偶功率計(jì)，由功率探頭和指示器兩部分組成。探頭用鉍-銻熱電堆膜片組成，既用作熱電換能器，又作為吸收微波功率的匹配負(fù)載。熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)由同軸線引出，經(jīng)放大和定標(biāo)后轉(zhuǎn)換為功率讀數(shù)示值。這種功率計(jì)的缺點(diǎn)是測(cè)量誤差較大，主要來自失配誤差。此外，探頭的抗過載能力差，使用不當(dāng)易于燒毀。功率計(jì)的探頭部分有同軸波導(dǎo)75轉(zhuǎn)換接頭，在測(cè)量時(shí)與波導(dǎo)系統(tǒng)連接。連接時(shí)注意：一是波導(dǎo)矩形截面相互對(duì)齊；二是波導(dǎo)拆卸面(短路面)之間保持密合和良好的電接觸，緊固穿孔螺絲時(shí)松緊恰當(dāng)。使用時(shí)要防止撞擊和損傷波導(dǎo)及拆卸面，及不要接觸或擦傷波導(dǎo)管的鍍銀內(nèi)壁。測(cè)量功率時(shí)，必須先開機(jī)預(yù)熱功率計(jì)，校正零點(diǎn)。測(cè)量時(shí)要注意恰當(dāng)選擇探頭的衰減倍率，量程選擇要逐步由大到小，以免燒壞探頭。小量程時(shí)應(yīng)經(jīng)常校正零點(diǎn)。2.4微波的基本測(cè)量1.波導(dǎo)波長(zhǎng)和駐波比的測(cè)量。駐波比定義為波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值點(diǎn)的電場(chǎng)之比，即EE（4－13）maxmin其中Emax或Emin分別表示波導(dǎo)中駐波極大值點(diǎn)與駐波極小值點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中常用駐波測(cè)量線測(cè)定波導(dǎo)波長(zhǎng)和駐波比。用駐波測(cè)量線測(cè)量時(shí)，要注意探針在開槽波導(dǎo)管內(nèi)有適當(dāng)?shù)拇┥於劝闳〔▽?dǎo)窄邊寬度的5%~10%。實(shí)驗(yàn)前注意駐波測(cè)量線的調(diào)諧，一般是將測(cè)量線終端短接，形成純駐波場(chǎng)，移動(dòng)探針置于波腹點(diǎn)，調(diào)節(jié)測(cè)量線，使得波腹點(diǎn)位置的檢波電流最大，反復(fù)進(jìn)行多次。(1)波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量。波導(dǎo)波長(zhǎng)在數(shù)值上為相鄰兩個(gè)駐波極值點(diǎn)（波腹或波節(jié)）距離的兩倍。由于場(chǎng)強(qiáng)在極大值點(diǎn)附近變化緩慢，峰頂位置不宜確定，實(shí)際采用測(cè)定駐波極小點(diǎn)位置來求出波導(dǎo)波長(zhǎng)慮到駐波極小點(diǎn)附近變化平緩，測(cè)量值不夠準(zhǔn)確，測(cè)量時(shí)通常不直接測(cè)量駐波極小點(diǎn)位置，而是通過平均值法間接測(cè)量。亦即測(cè)極小點(diǎn)附近兩點(diǎn)（此兩點(diǎn)在指示器上的輸出幅度相等）的坐標(biāo)，然后取這兩點(diǎn)坐標(biāo)的平均值，即得極小點(diǎn)坐標(biāo)，如圖4-10所示。兩個(gè)相鄰極小點(diǎn)的半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)λ為gxxxx1（4－14）221g222即xxx（4－15）g2211其中（x′，x″x′，x″）分別為極小值點(diǎn)兩旁輸出幅度相等的兩點(diǎn)坐1122標(biāo)。76圖圖(2)駐波比的測(cè)量。由于終端負(fù)載不同，駐波比ρ也有大中小之分。因此，首先應(yīng)根據(jù)駐波極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的檢波電流，粗略估計(jì)駐波比ρ的大小。實(shí)驗(yàn)中微波信號(hào)比較弱認(rèn)為檢波晶微波二極管合平方律檢波I∝V。2否則需進(jìn)行修正。由公式EEII（4－16）maxminmaxmin求出ρ的粗略值后，再按照駐波比的三種情況，進(jìn)一步精確測(cè)定ρ值。大駐波比（ρ>6）的測(cè)量：大駐比情況下，檢波電流Imax與Imin相差太大。波節(jié)點(diǎn)上檢波電流極微，波腹點(diǎn)上二極管檢波特性遠(yuǎn)離平方律，可采用“二倍極小功率法圖4-11所示。利用駐波測(cè)量線測(cè)量極小點(diǎn)兩旁功率為其二倍的點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而求出d，則g(ρ>>1)（4－17）d中駐波比（1.5≤р≤6）的測(cè)量：中駐波比情況可直接根據(jù)式(4-16)計(jì)算。小駐波比（1.005≤р≤1.5）的測(cè)量：小駐波比情況下，駐波極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)的檢波電流相差細(xì)微此采用測(cè)量多個(gè)向鄰波腹與波節(jié)點(diǎn)的檢波電流值，進(jìn)而取平均的方法。EEIII（4－18）max2maxnminnmax2maxnminnEEIIImin1min1min2min22.微波功率的測(cè)量。微波功率是表征微波信號(hào)強(qiáng)弱的一個(gè)物理量，通常采用替代或比較的方法進(jìn)行測(cè)量將微波功率借助于能量轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的低頻或直流物理量實(shí)現(xiàn)微波功率的測(cè)量驗(yàn)室中通常采用吸收式微瓦功率如GX2A77在功率計(jì)探頭表面，用兩種不同金屬噴鍍?cè)诒∧せw上形成電熱堆，放在同軸線的電場(chǎng)中間，它既是終端吸收的負(fù)載，又是熱電轉(zhuǎn)換元件。在未輸入微波功率時(shí)，熱電堆節(jié)點(diǎn)之間沒有溫差，因而沒有輸出；當(dāng)輸入微波功率時(shí)，熱電元件吸收微波功率使熱電堆的熱節(jié)點(diǎn)溫度升高就與冷節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫差而引起溫差電動(dòng)勢(shì)（微弱的直流勢(shì)且該元件產(chǎn)生的直流電勢(shì)是與微波功率成正比例的。三．實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖4-12所示，其中微波振蕩源為反射速調(diào)管震蕩器或固態(tài)源。整個(gè)微波測(cè)量線路由3cm波段波組元件組成，主要為隔離器、衰減器、頻率計(jì)、晶體檢波器、選頻放大器、微瓦功率計(jì)和駐波測(cè)量線等。圖實(shí)驗(yàn)裝置示意圖四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟熟悉有關(guān)儀器的基本原理，掌握有關(guān)儀器的使用、注意事項(xiàng)及正確的開關(guān)機(jī)順序。（一）微波測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)試。1．微波信號(hào)源（如圖13）開機(jī)后，工作狀態(tài)的指示燈在最右邊位置，此工作狀態(tài)下沒有微波功率輸出。由于本實(shí)驗(yàn)中指示器為選頻放大器，故信號(hào)源“重復(fù)頻率”量程置于“×10100信號(hào)源面板有“衰減”和“頻率”顯示值。輸出功率由“衰減”調(diào)節(jié)旋