微
波
技
术
基
础
实
验
指
导
书
电子信息工程学院微波技术基础实验课程组编
2013.02
实验一 微波测量系统的认识与调试
一、实验目的与要求
应用所学微波技术的有关理论知识,理解微波测量系统的工作原理,掌握调整和使用微波信号源的方法,学会使用微波测量系统测量微波信号电场的振幅。了解有关微波仪器仪表,微波元器件的结构、原理和使用方法。
二、实验内容
1.掌握下列仪器仪表的工作原理和使用方法
三厘米标准信号发生器(YM1123)、三厘米波导测量线(TC26)、选频放大器(YM3892)。
2.了解下列微波元器件的原理、结构和使用方法
波导同轴转换器(BD20-9)、E-H 面阻抗双路调配器(BD20-8)、测量线(TC26)和可变短路器(BD20-6)等。
三、实验原理
本实验的微波测试系统的组成框图如图一所示
图 1
它主要由微波信号源、波导同轴转换器、E-H 面阻抗双路调配器、测量线和选频放大器主要部分组成。下面分别叙述各部分的功能和工作原理,其它一些微波元器件我们将在以后的实验中一一介绍。
1.微波信号源(YM1123)
1.1基本功能
1.1.1提供频率在7.5~1
2.5GHz 范围连续可调的微波信号。
1.1.2该信号源可提供“等幅”的微波信号,也可工作在“脉冲”调制状态。本系统实验中指示器为选频放大器时,信号源工作在1KHz “”方波调制输出方式。
信号源
波导同轴转换器 单螺钉调配器 功率探头
数字功率计 微波频率计 E-H 面调配器
魔T
定向耦合器 H 面弯波导 晶体检波器 测量线 选频放大器 可变衰减器
1.2工作原理
1.2.1本信号源采用体效应振荡器作为微波振荡源。体效应振荡器采用砷化镓体效应二极管作为微波振荡管。振荡系统是一个同轴型的单回路谐振腔。微波振荡频率的范围变化是通过调谐S型非接触抗流式活塞的位置来实现的,是由电容耦合引出的功率输出。
1.2.2本信号源采用截止式衰减器调节信号源输出功率的强弱。截止式衰减器用截止波导组成,其电场源沿轴线方向的幅度是按指数规律衰减。衰减量(用dB 表示)与轴线距离L成线性关系,具有量程大的特点。
1.2.3本信号源用微波铁氧体构成隔离器。
在微波测量系统中,一方面信号源需要向负载提供一个稳定的输出功率;另一方面负载的不匹配状态引起的反射破坏信号源工作的稳定性,使幅、频发生改变、跳模等。为了解决这个问题,往往在信号源的输出端接一“单向传输”的微波器件。它允许信号源的功率传向负载,而负载引起的反射却不能传向信号源。这种微波器件称之“隔离器”。
这类隔离器在3cm波段可以做到正向衰减小于0.5dB,反向衰减25dB。驻波比可达1.1左右。隔离器上箭头指示方向即为微波功率的正向传输方向。
1.2.4本信号源采用PIN管作控制元件,对微波信号进行方波、脉冲波的调制。
1.2.5本信号源功率输出端接有带通滤波器。它滤去7.5~12.5GHz频率范围的谐波,使信号源输出信号频谱更纯净。
注1:打开信号源的上盖板,即可看到信号源的同轴谐振腔、截止式衰减器、PIN调制器和带通滤波器等结构。
注2:有些单位采用本公司生产的YM1124信号发生器。它是9.37GHz点频信号源,采用介质振荡技术。频率稳定度高、输出功率大、有“等幅”和“1KHz”方波两种工作状态。输出为BJ100波导口。
2.波导同轴转换器(BD20-9)
2.1基本功能
提供从同轴输入到波导输出的转换。
2.2工作原理
波导同轴转换器是将信号由同轴转换成波导传输。耦合元件是一插入波导内的探针,等效于一电偶极子。由于它的辐射在波导中建立起微波能量。探针是由波导宽边中线伸入,激励是对称的。选择探针与短路面的位置,使短路面的反射与探针的反射相互抵消,达到较佳的匹配。
3.E-H面阻抗双路调配器(BD20-8)
3.1基本功能
微波传输(测量)系统中,经常引入不同形式的不连续性,来构成元件或达到匹配的目的。
E-H面阻抗调配器是双支节调配器。在主传输波导固定的位置上的E面(宽边)和H面(窄边)并接两个支节。通过调节二个支节的长度以达到系统调配。
3.2结构和工作原理
E-H面阻抗调配器是由一个双T波导和两只调节活塞组成。调节活塞是簧片式的接触活塞。调节E面活塞,等于串联电抗变化,调节H面活塞等于并联电纳的变化(两者配合使用)。
4.微波测量线(TC26)
4.1基本功能
微波测量线是用来测量微波传输线中合成电场(沿轴线)分布状态(含最大值、最小值和其相对应的位置)的设备。利用微波测量线(系统)可以测得微波传输中合成波波腹(节)点的位置和对应的场幅、波导波长(相波长)和驻波比等参数。微波测量线有同轴测量线和波导测量线。本实验采用波导测量线。
4.2结构和工作原理
本实验中的测量线采用BJ-100型矩型波导,其宽边尺寸为a=22.86mm ,窄边尺寸为b=10.16mm ,频率范围为8.2~12.5GHz 。测量线一般包括开槽线、探针耦合指示机构及位置移动装置三部分。
当测量线接入测试系统时,在它的波导中就建立起驻波电磁场。众所周知,驻波电场在波导宽边正中央最大,沿轴向成周期函数分布。在矩形波导的宽边中央于它轴的方向开一条狭槽,并且伸入一根金属探针2,则探针与传输波导1电力线平行耦合的结果,必然得到感应电压,它的大小正比于该处的场强,交流电流在同轴腔3组成的探针电路内,由微波二极管4检波后把信号加到外接指示器,回到同轴腔外导体成一闭合回路。因此指示器的读数可以间接表示场强的大小。
图2 波导测量线工作原理示意图
当探针沿槽移动时,指示器就会出现电场强度E max 和E min 。从而求得:
min
max E E S = 由标尺指出探针位置可以测出极小点至不连续面的距离dmin ,从而可以测量阻抗。调谐活塞5在检波头中使晶体处于驻波的腹点以得到最大指示。检波滑座6用来支持检波头,并可沿轴向移动。在移动时保证探针与波导的相对位置不变。
5.选频放大器(YM3892)
本实验采用选频放大器对微波二极管的检波电流进行(线性)放大。
1、传输波导
2、探针
3、同轴腔
4、微波二极管
5、调谐活塞
6、检波滑座
5.1基本功能
本选频放大器由四级低噪声运算放大器组成的高增益音频放大和选频网络组成。可使放大电路在“窄带内”对微弱音频信号进行放大,以减小噪声和微波信号源中寄生调频的影响,保证测量的精度。
5.2结构和工作原理
在信号源内用1KHz的方波对微波信号(如10GHz)进行调幅后输出。此调幅波在测量线内仍保持其微波特征。测量线输出端所接负载的特性决定其分布状态。由小探针检测经微波二极管检波所得的1KHz方波包络表征其微波性能指标。选频放大器则对此1KHz方波进行有效放大。
YM3892选频放大器是一个增益60dB,可调带宽40Hz,中心频率1KHz的放大器,满足不同输入幅度的可调。表头指示弧线2条,第一条上标值为线性指示,下为相应的对数(dB)指示。第二条为驻波比指示,上为驻波比1~3,下为3.2~10。
6.可变短路器(BD20-6)
可变短路器由短路活塞与一套传动读数装置构成。活塞为两节抗流形式,传动丝杆带动活塞作相对于波导轴线移动,并由读数装置上读得其相对行程。
改变短路面的位置,也就改变参考面的电抗和电纳,使节点的位置发生偏移。
四、实验步骤
1.按图1连接微波仪器仪表和微波元器件。将选频放大器的输入端和测量线同轴腔用Q9电缆线相连。接通选频放大器电源开关。
2.微波信号源开机后,工作状态的指示灯在最右边位置,此工作状态下没有微波功率输出。由于本实验中指示器为选频放大器,故信号源“重复频率”量程置于“×10”,园盘刻度置于“100”处(在信号源的左中、下角)(调好将不再变动)。
信号源面板有“衰减”和“频率”显示值。
输出功率由“衰减”调节旋钮调节,顺时针输出减小,逆时针输出变大。
本实验只调节“衰减”调节旋钮来获得适合的功率(两旁的旋钮即“调零”和“衰减调零”是在接上附件“电平探头”时才起作用)。
3.“调谐”旋钮调节使信号源的工作频率发生改变,顺时针频率升高,逆时针频率降低。置工作频率在自己所需的频率点,如10.00GHz(从数字显示上直读)。4.接可变短路器在测量线的输出端,移动可变短路器刻度到0.00。
5.通过信号源工作状态键,置工作状态在“”方波状态。此时信号源输出的是1KHz方波调制下的(10GHz)微波功率。
注意:为防止在拆装微波元器件时,微波功率从波导中辐射,请将工作状
选择在最右边位置“外整步”后再拆装。测试时置于“”方波状态。
6.选频放大器输入阻抗置于“200K ”,“正常5dB ”开关置于“正常”状态,(5dB 为使输入信号减小5dB )。右上部“通带”放在“40Hz ”(带宽越窄,通带Q 值越高,增益越高)。
7.此时整个系统已工作。依次调节E-H 调配器、E 面和H 面罗盘,改变信号源功率输出。
调节选频放大器“频率微调”,使信号发生器1KHz 方波调制信号与选频中的频率相一致。一般开机时调准,开机半小时后再微调一下。
本实验中根据输入信号的大小,调节“分贝”档位开关及“增益”电位器来满足波腹节的读数需求。实际使用中尽量把增益开关置于“40~60dB ”三档中使用。使信号源基本满足测量线检波器的平方律检波段。
8.移动TC26测量线的检波滑座和调谐活塞(指探头侧面的园螺盘)的位置,使探针位于波腹点,即选频放大器指示值最大,并按步骤7、8反复调节。
9.记下测量线标尺值L1,移动可变短路器一定距离,如5mm 。转动测量线检波滑座重新找到最大值,记下测量线标尺值L2。此时12L L 应有5mm 左右。 重复上述步骤,熟悉短路面的位置改变,会改变参考面的电抗和电纳,使腹节点的位置发生偏移。
思考题:
1.YM1123信号源是由哪些微波元器件组成,各部分起什么作用?
2.测量线由哪几个部分组成,它们的作用是什么?
实验二频率测量
一、实验的目的和要求
应用所学过的微波技术有关理论知识,理解和掌握微波频率的测量方法,了解晶体检波器的工作原理,掌握晶体检波器在微波测量中的应用。
二、实验内容
1.掌握微波频率计(PX16)和晶体检波器(BD20-4)的工作原理和使用方法。2.了解定向耦合器(BD20-5)、H面弯波导(BD20-14)等微波元器件的结构、原理和使用方法。
三、实验原理
在微波测量中,测量频率的方法很多,本实验所采用的是利用圆柱形谐振腔通过耦合吸收传输波导中的能量而使传输波导能量减少的方法。
本实验的微波测量系统的组成如图一所示
下面叙述有关部分的功能和工作原理
1.定向耦合器(BD20-5)
定向耦合器的外形成十字形,它的耦合元件是主副波导相对宽边之间的一对十字槽,能量通过这一对十字槽耦合到副波导中。当主波导的能量沿正方向传输时,副波导耦合所得能量在它的传输方向是迭加,而与此相反的方向则互相抵消。副波导中的这一端装有一匹配负载,以吸收未抵消尽的能量。
本实验是利用副线中传输的能量进行频率测量。
2.H面弯波导(BD20-14)
H面弯波导采用平缓弧形转弯,改变波导宽边的轴线。由于波导之间的连接是硬连接,因此根据传输方向的改变和微波元器件所放位置的需要,衔生出E 面、H面的各种弯波导、扭波导等器件以供测量传输中选用。
3.微波频率计(PX16)
微波频率计是由传输波导与圆柱形谐振腔和直读显示机构构成。它利用长方形孔磁耦合来激励,谐振腔的活塞为抗流形式。此频率计是吸收直读式频率计。当频率计的腔体谐振频率与被测频率一致时,由指示器可明显看出传输功率有一个明显的跌落
4.晶体检波器(BD20-4)
微波测量中常用经晶体检波器的感应电压来反映微波功率的大小。
晶体检波器由前置三螺钉调配器、晶体管座和调节活塞组成。螺钉调配器的原理与支节匹配的原理相同。晶体管座是一节可以插入晶体管的波导。当晶体插入时,相当于在波导中引入一个电的探针,感应电压经过晶体检波,它的输出接到指示器上,可以得到微波功率的相对指示。调节活塞用来使晶体处于驻波的腹点以得到最大指示。
四、实验步骤
方法一:
1.将测量线上Q9电线接头拔下,接头连接到晶体检波器Q9插座上。本实验选频放大器将指示晶体检波器输出的大小。
2.调节晶体检波器的短路活塞圆盘,使晶体检波管的位置处于波腹点,选频放大器指示最大。
3.分别仔细调节晶体检波器的三个螺钉。(上面二个,下面一个),使其匹配,获得最大指示。可通过调节选频放大器“分贝”、“增益”使指示在表头3221~的位置左右。
4.重复2、3步骤。
5.缓慢旋转频率计转盘,并观察选频放大器的表头指针的变化。当表头指针突然跌落,细调指针到最小点。读取频率计二横红尺间与竖红线的交叉点的刻度值。此值即为信号源的工作频率。例:信号源的工作频率置于10.00GHz ,则可在频率计10.00GHz 附近寻找吸收峰。此时频率计刻度若为10.05GHz ,则信号源的实际工作频率为10.05GHz 。
6.将测得数据填入下表,并计算出平均测量功率及相对误差。
方法二:
1.在测量线的输出端接上短路板。
2. 信号源置于“”方波状态,并记下此时信号源工作频率。例?=10.00GHz 。
3.由于测量线终端接短路片,波导内形成驻波状态。移动测量线到波节点附近,记下1号波节点的位置读数,继续旋转测量线,记下2号波节点的位置读数。两个读数之差就是半个波导波长λg 。
5.根据 2 1 2???? ??+a g g
λλ=,其中a=2.286cm ,计算出三个λ数值,填入下表
平均λ=
再根据λc
f =,即可求得所求频率。
思考题:
1.吸收式频率计使用哪些微波工作原理?
2.本实验中晶体检波器起什么作用?
实验三 波导波长(导内波长)的测量和驻波测量
一、实验目的和要求
应用所学理论知识,理解和掌握单模矩形波导短路情况下内部电场沿轴线的分布规律。学会利用微波测量系统测量波导内部导行波的相波长(波导波长或称导内波长λg )。
驻波系数的测量是微波测量中最基本的测量。本实验要求学会利用测量线进行驻波测量。
二、实验内容
1.利用微波测量系统测量波导内部的波导波长λg 。
2.用直接法测量电容性、电感性膜片和匹配负载(BD20-7)等的驻波系数。
3.用等指示度法测量短路情况下(接上短路板)的大驻波系数。
三、实验原理
当矩形波导(单模传输TE 10模)终端(Z =0)短路时,将形成驻波状态。波导内部电场强度(参见图3之坐标系)表达式为:
Z a X E E E Y βπsin sin 0)(== 在波导宽面中线沿轴线方向开缝的剖面上,电场强度的幅度分布如图3所示。
将探针由缝中插入波导并沿轴向移动,即可检测电场强度的幅度沿轴线方向的分布状态(如波节点和波腹点的位置等)。
终端短路面
Y
b
Z 0
a
X 图 3
1. 测量波导波长(λg )
将测量线终端短路后,波导内形成驻波状态。调探针位置旋钮至电压波节点处,选频放大器电流表表头指示值为零,测得两个相邻的电压波节点位置(读得对应的游标卡尺上的刻度值Z 1节和Z 2节),就可求得波导波长为: 2 21节节-=Z Z P λ
由于在电压波节点附近,电场(及对应的晶体检波电流)非常小,导致测量线探针移动“足够长”的距离,选频放大器表头指针都在零处“不动”(实际上是眼睛未察觉出指针有微小移动或指针因惰性未移动),因而很难准确确定电压波节点位置,具体测法如下:
把小探针位置调至电压波节点附近,尽量加大选频放大器的灵敏度(减小衰减量),使波节点附近电流变化对位置非常敏感(即小探针位置稍有变化,选频放大器表头指示值就有明显变化)。记取同一电压波节点两侧电流值相同(I 0)时小探针所处的两个不同位置(Z 1左及Z 1右)(电流值越小越精确),则其平均值即为理论节点位置:
() 2
1 211右左节=Z Z Z + 用相同的方法测得相邻电压波节点(Z 2节)处的Z 2左及Z 2右
() 2
1 222右左节=Z Z Z + 最后可得
2 21节节-=Z Z g λ(参见图4)
注意:① 测出一个电压波节点位置之后,将小探针向相邻波节点移动时,要随时加大选频放大器的衰减量,以防选频放大器电流表过载损坏!
② 为检验测量的准确性,可以应用理论公式进行验算: 2 1 2??? ??-a g λλ
λ=
其中:f g /1038?=λ,cm a 286.2=
Z
I
I 0
Z 2节
Z 1节 Z 1左 Z 1右 Z 2左 Z 2右 Z 腹 图 4
2. 测量电压驻波比(ρ)
驻波系数测量是微波测量中最基本的测量。通过驻波测量,不仅可以了解传输线上的场分布,而且可以测量阻抗、波长、相位移、衰减、Q 值等其它参量,传输线上存在驻波时,能量不能有效地传到负载,这就增加了损耗;大功率传输时,由于驻波的存在,驻波电场的最大点处可能产生击穿打火,因而驻波的测量以及调配是十分重要的。
根据驻波系数定义,可知ρ的取值范围为1≤ρ<∞,通常按ρ的大小可分三类:
ρ<3为小驻波比 ; 3≤ρ≤10为中驻波比 ; ρ>10为大驻波比。 驻波系数的测量方法很多,有测量线法、反射计法、电桥法和谐振法等,用测量线进行驻波系数测量的主要方法及应用条件由表1列出:
这里我们将介绍用测量线测量驻波比的直接法和等指示度法。
(1)直接法:测试方框如图1。在测量线的端口连接待测的微波元器件。将测量线探头沿线移动,测出相应各点的驻波场强分布,找到驻波电场的最大点与最小点,直接代入如下公式就可以得到其驻波比。
如测量线上的晶体检波律为n ,则:n
a a 1min max ???
? ??=ρ a 为输出电表指示。
通常在实验室条件下检波功率电平较小,可以认为基本特性为平方律,即n =2,有 2
1min max ???? ??a a =ρ 为提高测量精度,必须尽量使电表指针偏在满刻度2
1以上。当驻波系数在1.05<ρ<1.5时,由于驻波场的最大与最小值相差不大,且变化不尖锐,不易测准。为提高测量准确度,可移动探针到几个波腹与波节点,记录数据,然后取其平均值。
直接法的测试范围受限于晶体的噪声电平及平方律检波范围。
本实验中使用的选频放大器已近似按平方律检波的规律,直接标出驻波比小
于10的刻度,可读出驻波比值。方法是:测量线滑座调到波腹点,调节选频放大器的衰减旋钮,使表头指示值到满刻度。然后调节测量线滑座至波节点(即指示最小值)。此时选频放大器驻波比刻度的值即为负载的驻波比。如驻波比>4,则“分贝”开关增加10dB ,读下刻度3.2~10的刻度值。
(2)等指示度法(二倍最小法):当被测器件的驻波系数大于10时,由于驻波最大与最小处的电压相差很大,若在驻波最小点处使晶体输出的指示电表上得到明显的偏转,那么在驻波最大点时由于电压较大,往往使晶体的检波特性偏离平方律,这样用直接法测量就会引入很大的误差。
等指示度法是通过测量驻波图形在最小点附近场强的分布规律,从而计算出驻波系数,如图五所示。若最小点处的电表指示为Z ,在最小点两边取等指示点1a ,两等指示度点之间的距离为W ,有min 1Ka a =,设晶体检波律为n ,由驻波场的分布公式可以推出:
g W g
W K n λπλπρ22
/2sin cos -= (1)
通常取K =2(二倍最小法),且设n =2,有
???? ??+g W λπρ2sin 1
1= (2)
a
min Ka
min a
D
图五 最小点附近场分布
当ρ>10时,上式可简化为 W
g πλρ≈ ………………………… (3) 只要测出波导波长及相应于两倍最小点读数的两点Z 1节、Z 2节之间的距离W ,代入(3)式,即可求出驻波比ρ。
可以看到,驻波系数ρ越大,g W λ/的值就愈小,因而,宽度W 和波导波1节min 2节
的测量精度对测量结果的影响很大,特别是在大驻波比时,须要用高精度长g
的位置指示装置如千分表,测量线探针移动时应尽可能朝一个方向,不要来回晃动,以免测量线齿轮间隙的“回差”影响精度,在测量驻波最小点位置时,为减小误差,亦必须采用“交叉读数法”。
3.BD20-7匹配负载ρ≤1.05
BD20-7匹配负载在一个终端短路的波导中沿电场方向,即波导的轴线位置有一劈形的镀镍铬的玻璃吸收片。吸收片相对于法兰的距离是固定的。
四、实验步骤
1.用直接法测量驻波比小于10的负载的驻波比。
在测量线的输出端分别接上①容性膜片+匹配负载ρ≈1.3
②感性膜片+匹配负载ρ≈1.9
③N8探头(功率计附件)ρ≤1.6
④匹配负载ρ≤1.05
1.1按实验一连接微波测试系统。在测量线的输出端接上容性膜片+匹配负载。1.2接通信号源电源,工作状态置“”方波工作方式。选频放大器的输入电缆接测量线Q9插座,接通选频放大器电源。按实验一要求调整微波测试系统。
1.3调节测量线调谐活塞,使选频放大器指示最大。调节“衰减”旋钮,使指针位于满度(1000)处。移动测量线滑座,找到波节点。在选频放大器的第二根曲线上直读出电容膜片插入的驻波比。例:ρ=1.35。
实验者可移动测量滑座找不同的波腹点、波节点,并读出驻波比。
注:在拆负载前,请将信号源工作状态置于“外整步”,装好后再置“”方波状态。
2.波导波长(λg)的测量
2.1在测量线的输出端接上短路板。
2.2信号源置于“”方波状态,并记下此时信号源工作频率。例?=10.00GHz。
2.3由于测量线终端接短路片,波导内形成驻波状态。移动测量线到波节点附近。
注意:再按实验原理中的有关讲解,用“平均值法“测得有关数据(或经计算)填入下表: