实验三-微波驻波比的测量.docx

北京邮电大学
电磁场与微波测量实验报告

学院：电子工程学院
班级：2011211206
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实验三.微波驻波比的测量

由于微波的波长很短，传输线上的电压、电流既是时间的函数，又是位置的函数，使得电磁场的能量分布于整个微波电路而形成“分布参数”，导致微波的传输与普通无线电波完全不同。微波系统的测量参量是功率、波长和驻波参量，这也是和低频电路不同的。电压驻波系数的大小往往是衡量一个微波元件性能优劣的主要指标。驻波测量也是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量不仅可以直接得知驻波系数值，而且还可以间接求得衰减器、相移量、谐振腔品质因数，介电常数。
一、 实验目的
（1）了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用。
（2）掌握驻波测量线的正确使用和用驻波测量线校准晶体检波器特性的方法。
（3）掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法。
二、 实验原理
驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和Q值等其他参量。在传输线中若存在驻波，将使能量不能有效地传给负载，因而增加损耗。在大功率情况下，由于驻波存在可能发生击穿现象。此外，驻波存在还会影响微波信号发生器输出功率和频率的稳定度。因此，驻波测量非常重要。
电压驻波比测量
驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和Q值等其他参量。在测量时，通常测量电压驻波系数，及波导中电场最大值和最小值之比，即 ρ=EmaxEmin。
测量驻波比的方法与仪器种类很多，有直接法，等指示度法，功率衰减法等。我们这次实验中主要用直接法和等指示度法来熟悉驻波测量线的使用。
（1）直接法
直接测量沿线驻波的最大点与最小点场强，从而求得驻波系数的方法称为直接法。若驻波腹点和节点处电表读数分别为Umax，Umin则电压驻波系数ρ：

ρ=EmaxEmin=UmaxUmin

当驻波系数1.5<ρ<5时直接读出Imax，Imin即可。在我们的实验中，由于选频放大器直接读出来的是电压而不是电流，所以我们直接读出Umax和Umin也可以。
当电压驻波系数在1.05<ρ<1.5时，驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据，然后取平均值。

ρ=Umax1+Umax2+…+UmaxnUmin1+Umin2+…+Uminn

E E

W

Emax
Emin
L L
Lk’ L2’ L2 Lk
直接法线驻波场分布图 等指示度法波节点附近场的分布

（2）等指示度法

当被测量的驻波系数大于5时，驻波腹点和节点的电平相差比较大，直接法求取大驻波系数会带来较大的误差，原因是：波腹点和波节点电平相差悬殊，因此在测量最大点和最小点电平时，晶体工作在不同的检波率，所以仍然采用直接法测量大驻波比误差较大。因此采用等指示度法，也就是通过测量驻波图形中波节点两旁附近场的分布规律的间接方法，求出驻波系数。
根据传输线上场强和终端反射系数之间的关系，如果确定驻波节点两旁等指示度之间的距离，可以推导出关系：

ρ=k2n-（cosπWλg）2 sinπWλg

式中：k=测量点读数/最小点读数；λg为测量线上的波长即波导波长。
通常情况下，取测量点 U左和右 = 2Umin的两个等指示度点所对应的探针位置间距，记录为：W=Lh-Lh’，如果晶体是平方率检波（n=2），传输线的驻波系数可以用下式计算：

ρ=1+1（sinπWλg）2

当ρ较大时（ρ≥10），由于W和很小，sin(πW/λg) 较小，sin(πW/λg)≈πW/λg，故公式进一步简化为：

ρ≈λg πW

这种方法取k=2时进行测量，所以也称为“二倍最小值”法，或3分贝方法。
必须指出：W与λg的测量精度对测量结果影响很大，因此必须用高精度的探针位置测量装置（如千分测微计）进行读数。

三、 实验内容及数据处理
（1） 直接法测量驻波系数

直接发驻波系数测量框图

1) 按上图所示的框图连接成微波实验系统。
2) 调整微波信号源，使其工作在方波调制状态。
3) 左右移动波导测量线探针使选频放大器有指示值。
4) 用选频放大器测出波导测量线位于相邻波腹和波节点上的Umax和Umin。

ρ=Umax/Umin
5) 当检波晶体工作在平方律检波情况时，驻波分布示意如下图：

Imax

Imin

L

在实验中我们测得的数据如下:

Umax（uV）
Umin（uV）
ρ
匹配负载
73
72
71.5
70
70
69.5
1.016
72.2
69.9
谐振腔
37.5
38
38
18.5
17.5
17.5
1.460
37.8
17.8
开路
97
41
1.540

从实验中我们可以看出，对于匹配负载，ρ=1.016，与理论值1十分相近。由于实验材料中没有失配负载,我们用谐振腔来做实验，对于谐振腔，ρ=1.46，也比较接近实验仪器上的驻波比值。
因为终端短路时，ρ非常大，超过了5，由实验原理知，当被测量的驻波系数大于5时，驻波腹点和节点的电平相差比较大，直接法求取大驻波系数会带来较大的误差，因此我们需要采用其他的方法测量。

（2）等指示度法测量驻波系数
当驻波比大于5的时候，我们不再能用直接法测量，必须用等指示度法。步骤如下：
1) 连接好微波测量系统，开启微波信号源，选择好频率，工作方式选择“方波”。
2) 将测量线探针插入适当深度，用选频放大器测量微波的大小，选择较小的微波输出功率并进行驻波测量线的调谐。
3) 将测量线终端接短路片，用两点法测量三个相邻波节点位置，计算 λg 。

参数
T1
T2
T1’
T2’
测量示数(mm)
112.5
104.5
124.5
136

λg=2Tmin-Tmin‘=43.5mm
4） 将测量线终端换接调配器+晶体检波器，并将探针置于住波节点位置，提高测试系统灵敏度。选择两倍于波节点电压强度的左右相邻两个点l=145.2mm与l’=148.5mm，则W=| l’- l|=3.3mm
代入公式：
ρ=1+1（sinπWλg）2
得到： ρ≈4.35 。即用等指示度法测出的驻波系数为4.35 。

四、 思考题
1、开口波导的ρ≠∞ ，为什么？如果想获得真正意义的开路，应采用什么方法？
答：对于开口波导，其负载阻抗 Z L = ∞ ，则 GL = 1 。又根据 r 的定义得 r = 1+|G|1-|G|，则按理论推算开口波导的 r 应为无穷大；但由于实际上并无法实现全反射，因此其驻波比不为无穷大。 要想获得真正意义上的开路，应该连接四分之一阻抗变换器。

2、驻波节点的位置在实验中精确测准不容易，如何比较准确的测量？
答：可以采用两点法进行波节点位置的测量。在驻波节点两边取等指示度点并记录位置，取两点中间值即为波节点位置。

3、讨论直接法、等指示度法、功率衰减法测量电压驻波比的特点。
答：直接法适用于测量电压驻波比在1.5和5之间的情况，在驻波比较大时易产生较大的误差。等指示度法适用于驻波比较大时，但对仪器精确度要求较高。功率衰减法适用于一切情况。

4、在对测量线调谐后，进行驻波比的测量时，能否改变微波的输出功率或衰减大小？
答：不能，根据公式ρ=UmaxUmin ，在测量过程中，若改变微波的输出功率或衰减大小，会影响电压值，然后会造成测量值得偏差，影响实验结果。

5、在测量单螺钉驻波比时，为什么要在单螺调配器后面紧跟上一个匹配负载？

答：如果没有在单螺调配器后加上匹配负载，那么不匹配负载的阻值就会与单螺调配器的阻值叠加，改变从单螺调配器左端看过去的阻抗值，同时也影响了单螺调配器的驻波系数。所以必须要在单螺调配器后面加上一个匹配负载，否则所测的驻波比数值会受后面负载的影响。

五、 实验心得
通过本次实验，我们了解了波导测量系统，更进一步加深了对实验器件每一个模块的了解，掌握了驻波测量的的两种方法：直接法、等指示度法。其中直接法适用于测量驻波比在1-5之间的器件，而等指示度发测量驻波系数适用于驻波比较大的器件。
实验比不算特别困难，在进行了基本准备之后，我们依次将匹配负载，谐振腔、开路接到最后面，调整波导测量线的探针，在选频放大器中读出u最大值和最小值，进而计算出相应的驻波比，由于实验预习得不够充分，在动手实验的时候，总是出现很多的错误，另外仪器的好坏也决定了实验的成功与否，我们在实验中测量失配负载的时候，最小值总是到达0，这样，我们测量的数据就不够准确，不能够很好的反应器件的特点，所以我们用谐振腔代替适配负载，所得到的数据比较接近真实情况。
实验中要保持清醒的头脑，需要记录什么数据应该提前做好准备，画出表格，以免在实验中，容易在数据上面分散精力，导致实验的效果不够理想，所以在今后的实验中，我们要注意预习的必要性。