微波测试系统调试与微波基本测量实验微波实验的基本目的是：（1）学习微波基础知识和掌握微波基本测量技术；（2）学习用微波作为观测手段来研究物理现象的基本原理和实验方法。即包含“学微波”和“用微波”两个方面。本实验重点要求掌握体效应振荡器的使用方法，了解微波测试系统的组成及调试方法，学会驻波比、波导波长、微波功率、频率的测量，通过实验了解微波的产生和微波的波导传输知识。【预习提要】预习本实验之前，必须阅读附录通过预习初步了解下列问题：1.微波测试系统应由那几部分组成？2.什么是阈值电压 UT？什么是负阻效应？3.简述体效应振荡器的基本工作原理。4.体效应振荡器有那几种工作方式？5.怎样调节体效应振荡器的振荡频率？6.简述用吸收式频率计测量微波频率的原理和方法。7.简述晶体检波器的功用和使用方法。8.简述可变衰减器的功用和使用方法。内容一 微波测试系统调试及微波源的使用【实验原理】 1.微波测试系统常用的微波测试系统有同轴和波导两种。波导系统损耗低、功率容量大，在较高频段（厘米波直至毫米波段）被广泛使用。本实验用的就是波导系统。波导微波测试系统通常由三部分组成：1) 等效电源部分（即发送器）包括微波信号源、隔离器，有的还附加功率、频率监视单元和输出功率调节装置（即可变衰减器）。2）测量装置部分包括频率计、驻波测量线（可用定向耦合器代替）、调配元件、辅助元件（如短路器、匹配负载等），以 及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率计等）。3）指示器部分（即测量接收器）指示器是显示测量信号特性的仪表，如 μA 表、选频放大器、示波器等。当对微波信号的功率和频率稳定度要求不太高时，测量系统可大大简化。简化前后的微波系统分别如图 6-1和 6-2 所示。图 6-2 微波测试系统（简化后）μA 表μA 表信 号源隔 离器可 变衰减器频 率计隔 离器晶 体检波器驻 波测量线（可用定向耦合器代替）μA 表频率监视系统 功率监视系统定 向耦合器信 号源隔 离器频 率计晶 体检波器μA 表定 向耦合器晶 体检波器可 变衰减器μA 表μA 表驻 波测量线晶 体检波器图 6—1 微波测试系统（简化前）（或定向耦合器）隔 离器 2.微波信号源关于微波信号源的知识请参阅附录“微波基本知识中微波振荡器部分。【实验装置】 实验装置如图 6-3 所示。整个微波测量线路由 3cm 波段波导元件组成，其主要元器件为隔离器、衰减器、频率计、晶体检波器等。【实验内容】一、了解微波测试系统1）观看按图 6—3 装置的微波测试系统，观看各元件的形状、结构，并了解其作用、主要特性及使用方法。2）接通电源和测试仪器的有关开关，调节衰减器、检波器，观察 μA 表有无输出指示，若有，当改变衰减量时，μA 表的指示会有起伏的变化，这说明系统已在工作。否则应检查原因，使之正常工作。系统正常工作后，适当调节可变衰减器的衰减量（衰减量不能为零，否则会烧坏晶体二极管），使指示器的指示便于读数。2.微波源特性观测与使用1）观测负阻特性曲线。通过改变加在体效应管上的电压 VG，观察、记录体效应管中对应的电流值，绘制电流电压关系曲线，找出阈值电压和负阻区对应的外加电压范围。2）观察体效应振荡器输出功率与外加电压的关系。选择“等幅”工作方式，逐渐增大体效应管两端的电压 VG，用晶体检波器作功率变化的相对检测（也可用小功率计作直接测量）。观察功率电压关系，找出输出功率最大时对应的 VG值，确定振荡器的工作电压。图 6-3 实验装置示意图指 示器振荡器电 源振 荡器隔 离器可 变衰减器频 率计检 波器 3）观察方波调制的输出信号。选择“调幅”工作方式，用示波器观察输出信号波形，也可用选频放大器作输出指示。比较采用“调幅”和“等幅”两种工作方式时输出信号的区别。4）观测调频特性。选择“调频”工作方式，分别调节机械调谐杆插入腔中的深度和加于变容管两端的偏压 VC的大小，分析其对应的微波频率的变化规律。5）观测“扫频”特性。选择“扫频”工作方式，用示波器观察吸收式频率计的吸收谷波形，并估测扫频范围。6）观察通过式谐振腔的谐振曲线。利用图 6—3 的装置，在频率计和检波器之间接入谐振腔，微波源选择“扫频”方式，调节机械调谐杆，用示波器观察谐振曲线，测量谐振频率。内容二 微波衰减测量衰减是微波网络的重要参量之一，也是非电参量的电检测技术中经常测量的一个参量。因此衰减测量是微波基本测量的一项重要内容。本实验通过测量隔离器和定向耦合器两种器件的特性参量来体会衰减测量的意义和方法。之所以选择这两种器件，是因为：隔离器是微波测试系统的必备元件，是保证系统的工作稳定和微波源的工作安全不可缺少的微波元件；定向耦合器是微波测量和其它微波系统中的常用元件，更是近代扫频反射计的核心部件。因此，熟悉它们的特性、掌握其测量方法很重要。本实验的目的是：了解网络衰减的定义；熟悉与掌握微波衰减测量的基本方法；了解隔离器和定向耦合器的性能，学习测量其性能指标的方法。【实验原理】 1.衰减的定义在微波传输系统中，插入某些微波元件或器件，如波导、衰减器、隔离器、滤波器等，由于它们本身的反射和损耗，使回路所传输的功率电平发生变化。衰减量就是用以衡量插入元件对传输功率电平影响程度的一项重要技术指标。根据微波网络理论，每一个二端口微波器件（如波导、隔离器等）都可看成二端口网络，二端口器件以分贝表示的衰减 A 定义如下：在一个对电源和负载方向都匹配（│Гg│=0，│ГL│=0）的无反射系统中，若插入指定元件前负载上吸收的净功率为 P0,插入器件后负载上吸收的净功率为 P2，则定义衰减 A 为A=10 lg(P0/ P2)在实际测量中往往不能保证│Гg│=│ГL│=0，由于传输线失配（│Гg│≠0 或│ГL│≠0）引起的误差称为失配误差。2.衰减的测量方法测量微波衰减的方法很多，随着科学技术的发展，对小衰减和大衰减的测量提出了许多新的精密测量方法，如微波网络分析法、双通道零值法、穿梭脉冲法、超导环约瑟夫逊法等。本实验只介绍最基本的也是实验室和 工厂中最常用的两种方法。1） 平方律检波法当晶体检波器具有平方律检波特性时，指示器的指示值是和输入到检波器的功率成正比的。在这种情况下 ，可以直接根据指示器的指示值来确定由于衰减器件接入所引起的相对功率改变量，代入衰减的定义式即可算出它的衰减量。2） 高频替代法它是应用标准可变衰减器作为待测器件的替代标准。由于这种方法避免了晶体检波律的影响，可测≤30～40dB 的衰减量。其精度主要取决于标准可变衰减器的校准精度。【实验装置】定向耦合器特性测量的实验装置如图 6-4 所示,测量隔离器特性参数的装置由学生自己设计组建。【实验内容】1. 隔离器特性测定(平方律检波法)1) 组装线路，不接待测件,调节晶体检波器使系统匹配。2) 将精密衰减器刻度置于某一位置，记下这时指示器的指示值 a0（应注意保证 a0不太大，满足晶体检波器的平方律检波，这时 a0P∝0）。3）将隔离器正向接入，测其正向损耗。记下接入隔离器后指示器的指示值 a+，则隔离器的正向损耗为4）将隔离器反向接入，依上述方法测其反向损耗。2. 定向耦合器特性测定(高频替代法)1）耦合度连接实验线路，先不接定向耦合器,将精密衰减器置于某一个足够大的初始衰减量,使指示器有一定指示;然后将耦合器正向接入测量系统，主线终端接匹配负载.在保证微波源功率不变的条件下，改变精密衰减器的衰减量,使指示值与刚才相同，则精密衰减器的读数之差即为耦合度 C. 2）方向性反向连接定向耦合器，主线输出端接匹配负载，使副线的反向端输出指示于一定的读数，读取精密衰减器的衰减量 A；然后正向连接定向耦合器，加大衰减器的衰减量，直至副线正向输出指示恢复到原来的读数，记下这时的衰减量 A/，则 D= A/—A。内容三 波导波长和驻波比的测量【实验原理1.微波的波导传输和波导管的工作状态（见附录 E “微波基本知识”）2.波导波长测量1）驻波测量线法波导波长是指在波导管中传播的合成波的两个相邻波峰或波谷之间的距离。它在数值上等于相邻两个驻波极值点（波腹或波节）距离的两倍。由于场强在极大值点附近变化缓慢，峰顶位置不易确定，而且探针位于波节点处对场分布的影响最小，所以实际采用测定驻波极小点的位置来求出波导波长。为提高测量精度，通常采用交叉读数法确定波节点的位置，即在波节点附近找出指示器上输出幅度相等的两点的坐标，取这两点坐标的平均值作为波节点的坐标。如图 6-5 所示，则微 波信号源隔 离器精密可变衰 减 器晶 体检波器匹 配负 载指 示器图 6-4 测量定向耦合器耦合度装置框图衰 减器定 向耦合器( 正 向 )频 率计a+(dB )=10 lg(P0/ P+)=10 lg(a0/a+) λg2=x1¿+ x1//2−x2¿+x2//2即 图 6-5 当终端负载不同，因而波导管处于不同的工作状态时，驻波比 ρ 也有大中小之分。在进行驻波比的精确测量之前，应该先根据驻波极值点对应的检波电流粗略估计驻波比的大小。在此基础上，再作进一步的精确测定。a）小驻波比（1.005≤ρ≤1.5）的测量 在小驻波比情况下，驻波极大值点与极小值点的检波电流相差细微，且波腹、波节平坦，难以准确测定。为提高测量精度，可以采用测量多个相邻波腹和波节点的的检波电流值，b）中驻波比（1.5≤ρ≤6）的测量当驻波比不大时，驻波的最大值与最小值处微波信号都比较弱，可以认为检波晶体符合平方律检波，即I ∝U2，则可由下式求出驻波比c）大驻波比（ρ>6）的测量 大驻波比可采用“二倍极小功率法”测量。利用驻波测量线测量极小点两旁功率为二倍的点间距离 d,然后根据ρ= λg/ πd(ρ¿¿1)，求出驻波比。2）标量反射计法（单定向耦合器式）单定向耦合器反射计的实验原理参见附录，在理想情况下（入射波大小恒定、定向耦合器方向性无穷大），入射 波 经 负 载 反 射 后 一 部 分 耦 合 到 检 波 器 ， 在 平 方 律 检 波 条 件 下 ， 检 波 器 读 数α ∝|b3|2=c22|b2|2|ΓL|2=K|ΓL|2。K 值可以通过在耦合器终端接已知1L 的标准负载的方法得到。先在 耦 合器 终 端 接 标 准 负 载 ， 记 下 此 时 检 波 器 的 读 数 为αs， 则 K=αs， 再 换接 待 测 未 知 负 载 ， 则λg=(x1¿+x1//)−(x2¿+ x2//)ρ=EmaxEmin=√ImaxImin α=αs|ΓL|2或|ΓL|=√α /αs3）矢量反射计法在十字型定向耦合器的 3 口接短路活塞，4 口接检波器，便可构成一种可测波导波长和复数反射系数的矢量反射计。当在此反射计终端（2 口）接任意负载 Γ 时，除负载反射波的一部分耦合到第 4 口的检波器外，耦合到第 3 口的一部分入射波被短路活塞全反射后也到达该检波器。如图 3.2-7 所示,这时检波器对两部分波发生同等的耦合，当移动 3 口的短路活塞时，达到检波器的两部分波的相位差不断发生变化，则检波器读数不断发生化.当 2 口接全反射负载时，便可用以测量波导波长（等于两个相邻极小值之间距离的二倍）。改接被测负载后，当 3 口的短路活塞在至少超过λg/4范围内连续移动时，从检波器指示中会出现minmaxaa 和，待测负载的驻波比S=√αmax/αmin；此方法也可测量驻波比的相位,现简略叙述如下：先在 2 口接短路活塞，移动 3口的短路活塞记下检波器读数最小时短路活塞所在的位置 x1；然后换接被测负载，向远离微波源方向移动 3 口的短路活塞，记下检波器第一次出现最小值时短路活塞的位置 x2，则反射系数的相位ϕ=4 πλ|x1−x2|。4）魔 T 反射计法一般的资料中都是用魔 T 构成微波电桥，强调魔 T 的电桥平衡思想。我们在实验中引入魔 T 是把它看成耦合器中的一种（理想的 3dB 定向耦合器）。魔 T 和其它理想的定向耦合器一样，属于互易无耗四口网络，当TE10波自 E 臂或 H 臂输入时，功率分为两部分，由 2 口和 3 口输出；当TE10波自口 2 或口 3 输入时，功率也分为两部分，由 E 臂和 H 臂输出。根据禁戒规则，E 臂和 H 臂是隔离的，所以保证了方向性良好；又由于内部加入了电抗性匹配元件，根据“以反制反”原理[3]，金属圆杆和金属膜片的放入可以分别抑制E臂和H臂的自身反射，还使2口和3口彼此隔离。所以魔T的方向性误差和“本身各口驻波比”带来的误差都可忽略。因而魔 T 与一般的定向耦合器相比，隔离度更高、耦合更强。魔 T 反射计法测量波导波长和驻波比的原理与 2)相同。【实验装置】魔 T 反射计法的实验线路如图 6-8 所示，其中 2、3 口可以互换。3被测负载被 测负 载～1 234短路活塞Cг—Cгe-j2βl图 6-7 移动活塞法矢量反射计图 6-6 单定向耦合器反射计 ～短路器被 测负 载a2 b2精密定度衰 减 器DAABb3=c2b2Bg= 常数Γg=0场效应管振 荡 器场效应管振 荡 器 【实验内容】1. 测量波导波长，计算光速、相速和群速在魔 T 反射计的 3 端口接上短路片，依原理所述方法测量波导波长，根据有关公式计算光速、相速和群速。2. 驻波比、波导波长测量在魔 T 反射计的 3 端口换接被测负载，测量相应的驻波比。～E2H匹配负载短路器图 6-8