微波实验报告

微波实验

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指导老师：张慧云 实验日期：2012.5.9

微波实验实验报告

【摘要】：本实验通过研究波导测量系统，根据微波测量的一系列原理以及耿氏二极管原理，设计了几个实验对波导波长、参数α、驻波比进行了测量，对耿氏二极管工作特性进行了测量。实验过程中，通过控制变量发、数据采集并作图、现象观察等手段，使我们对微波测量系统有了更深入的了解。通过匹配调节和微波辐射观察，我们也对微波有了更形象的认识。 【关键词】：波导波长、驻波比、微波、耿氏二极管

一、 前言

1、 实验背景

微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。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。此外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。 2、 实验原理

1） 微波基本测量系统使用及驻波比测量

测量驻波比是微波测量的重要工作之一，测量多用的基本仪器为驻波测量线，如图.1

图.1驻波测量线

图.2探针等效电路图

① 驻波测量线的调谐

当探针插入波导时，在波导中将引起不均匀性，故在测量前须对驻波测量线调谐。探针等效电路如图.2。当终端接任意阻抗时，由于Gu 的分流作用，驻波腹点的电场强度要比真实值小，而Bu 的存在将使驻波腹点和节点的位置发生偏移。当测量线终端短路时，如果探针放

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在驻波的波节点B 上，由于此点处的输入导纳Y in→∞，故Yu 的影响很小，驻波节点的位置不会发生偏移。如果探针放在驻波的波腹点，由于此点上的输入导纳Yin→0 ，故Yu 对驻波腹点的影响就特别明显，探针呈容性电纳时将使驻波腹点向负载方向偏移。欲使探针导纳影响变小，尽量减小探针深度。而Bu 影响的消除是靠调节探针座的调谐电路来得到。 探针电路的调谐方法是将探针伸入长度放在适当深度（通常用1.0∼1.5mm），测量系统 终端短路，将探针移至二波节点之正中位置，调节内外导体的位置，直至输出指示最大， 此时Bu 已减至最小。必须指出，信号源频率或探针深度改变时，必须重新调谐。 ② 晶体检波特性校准

微波频率很高，通常用检波晶体（微波二极管）将微波信号转换成直流信号来检测的。虽然它非线性，但一定范围内有：I=kEα，其中k,α是和晶体二极管工作状态有关的参量。，当微波功率变化较大时α和k 就不是常数，且和外界条件有关，所以在精密测量中必须对晶体检波器进行校准。

校准方法：将测量线终端短路，这时沿线各点驻波的振幅与到终端的距离l 的关系应 当为: E=k`│sin(2πl/λg)│

上述关系中的l 也可以以任意一个驻波节点为参考点。将上两式联立，并取对数得到:

lgI= K + αlg│sin(2πl/λg)│

用双对数纸作出lgI---lg|sin(2πl/λg)│曲线，若呈现为近似一条直线，则直线的斜率即是α，若不是直线，也可以方便地由检波输出电流的大小来确定电场的相对关系。 ③ 电压驻波比测量

电压驻波系数：ρ=Emax/Emin

对于小驻波比情况（1.05<ρ<1.5）:移动探针到几个波腹和波节点，记录数据取平均值再算

对于中驻波比情况（1.5<ρ<6）:只需测一个，

对于大驻波比：(ρ>5)采用等指示度法，测出节点两旁指示度的值及他们的距离则有：

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2） 微波

① 矩形波导中波的传播：只有横电波、横磁波可在矩形波导中传播；实际运用中，一

般只让波导中存在一种波型。波导波长为：

② 波导管工作状态：若波导管终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波所有能量全部

被吸收，波导中存在行波；当波导终端不匹配时，有一部分反射，波导中不均匀性也会产生反射，形成混合波。

二、 实验

（一） 实验内容

1. 开启微波源，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. 用直读频率计测量微波频率，并计算微波波导波长。

4. 作短路负载时的Ｉ~l曲线，通过此曲线求出实测波导波长并与理论值进行比较。 5. 根据短路负载的lgI---lg|sin(2πl/λg)曲线，求出α。

6. 测量不同负载的驻波比（匹配负载、喇叭天线、开路及失配负载）。 7. 耿氏二极管工作特性的测量。 8. 微波辐射的观察。 （二）实验装置如图.3：

图.3实验装置图

三、实验数据处理及结论

1、用直读频率计测量微波频率，并计算微波波导波长。

微波频率：ν = 9.262GHz， 波导截面宽边长度：a = (22.86±0.07)mm .

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波长λ=c/ν = 32.4mm， 波导波长：λg=λ/√1−(𝜆/2𝑎)2 = 45.92mm . 2、 做短路负载时的I-l曲线，通过此曲线求出实测波导波长。  数据表格： l/mm I/μA 18.0 22.8 38.0 41.0 40.0 29.8 42.0 16.0 44.0 7.0 46.0 0 48.0 1.8 50.0 9.0 20.0 10.0 22.0 2.0 24.0 0 26.0 4.2 28.0 15.0 30.0 29.0 32.0 41.0 34.0 48.0 36.0 47.8 0.0 0 2.0 2.0 4.0 10.0 6.0 22.0 8.0 36.0 10.0 45.0 12.0 49.0 14.0 45.8 16.0 36.0 表1、I-l数据表  I-l曲线（图.4）

第一个波节和第三个波节的距离即为波导波长 则由曲线得： λg= 46.50mm

与理论值相对误差为：[（46.50-45.92）/45.92]x100%=1.2% 误差分析：原因可能有：频率计读，环境参量变化，数据不够多等。

60504030I201000102030L405060-10 图.4 I-l 曲线图

3、根据短路负载的lgI---lg|sin(2πl/λg)|曲线，求出α。

直接截取上步的表格，用origin作图得图.5：

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lnI4.03.53.02.52.01.51.00.5-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.2ln丨sin（2πl/λg)丨图.5

拟合直线为：y=3.859+2.02x 直线斜率即为α：α=2.02

4、测量不同负载的驻波比（比配负载、喇叭天线、开路及失配负载）

1）匹配负载：采用求多组数据求平均值的办法来测量，测量数据如下表.2: Imin/uA Imax/uA 10.1 10.2 10.0 10.1 10.0 10.1 表.2 所以：ρ=α√Imin1+Imin2+Imin3 =1.0044

Imax1+Imax2+Imax3

2)喇叭天线：方法同匹配负载，测量数据如下表.3： Imin/uA Imax/uA 9.6 12 8.4 11 9.2 11.8 表.3 所以：ρ=α√

Imax1+Imax2+Imax3Imin1+Imin2+Imin3

=1.1297 Imax

3）开路： Imax=16.0uA， Imin=5.0uA, 故：ρ=α√Imin =1.7785 4）失配负载：Imax=28uA， Imin=0.8uA, 故：ρ=α√5、调节匹配练习

在调节前，Imax为28uA，Imin为0.8uA； 在测量线与失配负载间加入单螺旋调配器；经过调节，Imax为6.0uA，Imin为4.5uA，基本匹配。

调节匹配的原理是，单螺旋调配器也有一个探针，它反射的波与失配负载反射的波等抵消掉，则出现匹配状态，调节单螺旋调配器的探针深度，即是调节波的幅度，而调节L，则

Imax

=5.81 Imin

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在调节相位，当两个反射波的相位相差180度，且幅度相等时，即调节到匹配状态了。 6、耿氏二极管工作特性测量  数据表格

U/v I/mA 0.00 2 0.50 70 0 0.99 135 0 1.45 188 0 1.95 239 0 2.50 284 0 3.07 313 0 3.50 325 0 4.0 320 0 I。/uA 0 4.47 314 0 9.99 316 2.0 5.0 315 0 5.5 308 0 6.01 305 0 6.49 310 0 6.99 321 0 8.03 317 0 8.5 316 0 8.97 316 0.1 9.5 316 0.8 10.50 11.00 11.5 316 4.0 317 7.2 318 9.9 12.00 12.31 319 10 320 9.8 表.4

表格中U、I分别为微波源上的电压和电流示数，I1为选频放大器上电流的示数可作为功率的反映。  I-U曲线

图.6

由图.6可看出：耿氏二极管具有负阻效应，图像与理论大致相符，但是可能由于测量仪器本身的原因导致了曲线在中间下降不太明显。  I。-U曲线

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图.7

从图7可以看出，大约在U>9V之后，I。才有了较明显的变化，也就是说此时才有明显的微波信号产生。 7、微波辐射的观察 1）当两个喇叭相对放置：

①不放东西：I=50uA ②放置金属板：I=0 ③金属栅竖放：I=0 ④金属栅横放：I=8uA 2）当两个喇叭垂直放置：

①不放东西：I=0 ②放置金属板：I=50uA ③ 金属栅竖放：I=20uA ④金属栅横放：I=8uA

原因分析：两个喇叭天线相对放置并拉开一段距离时，由于微波是一种电磁波，微波的能量传递是由变化的电场和磁场传递的，所以尽管晶体检波器去微波发生装置没有直接相连，晶体检波器仍然接收到了微波传递的能量；在两个喇叭之间放一块金属板时，由于微波是由变化的电场和磁场传播的，金属会屏蔽电磁波，这样微波就不能传到晶体检波器了，从而I变为0；实验中所用的微波具有方向性，这使得竖着的栅框对其有很强的屏蔽作用，而横着的栅框对其作用较小，从而当金属栅框竖着放入时I=0.0uA，而金属栅框横着放入时，I=8uA。

而将喇叭垂直放置，电流表示值为0，其原因是微波频率很高、波长很短、具有直线传播特性；放上金属板和线框时，电流表有示值是由于金属能够反射电磁波，反射的电磁波传到了晶体检波器。放金属板时电流表示值比较大是由于用金属板微波透射相对少，损失的能量相对较少，晶体检波器接收到的能量相对较大；用线框（无论是竖框还是横框）损失的能

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量比较大。

四、思考与讨论

1、开路波导的ρ不为无穷大，为什么？

因为，微波在真空中传播是速度为C，但在介质中群速度将小于C，且在介质与介质交界处会有变化，且由于探针因素影响，波导管内并不均匀，微波信号受到干扰等，所以开路波导波长不会为无穷大。而喇叭天线和开路的区别就在于，介质交界面是缓慢过度的，所以喇叭天线的驻波比小于开路。

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？

可以在实验中波节处连续的多测几个点，然后做图连出数据点的走势线，从中读出波节的位置。

3、 如何比较准确的测出波导波长？

①把微波的功率调大一点，可以减小干扰信号的影响；

②每次改变测量线的位置后，等到选频放大器上的示数稳定再读数； ③认真做测量线的调谐； ④测量时可将测量范围扩大。

4、 在对测量线调谐后，进行驻波比测量时，能否改变微波的输出功率或衰减大小？ 可以。进行前面测量要用到公式lgI =K + αlg| sin

2 lg|，要求K、α工作在同一检波律

下，微波频率变化较大时K、α不再是常数，且与外界条件有关，将无法求出α。因此不能调微波输出功率和衰减。但测量驻波比时，不要求α是常数，由公式 IkE 和公式

Imax1Imax2......Imax6 可知，只要在测量同一组Imax 和 Imin时保持α固定就可以

Imin1Imin2......Imin6了，测量不同组数据时α可以改变，不会影响到计算结果。