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。从图1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。与无线电波相比，微波有下述几个主要特点
图1 电磁波的分类
1．波长短(1m -0.1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成
方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而
确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。
2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9-10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。
3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。
4．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。
5．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。
综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。微波技术实验是近代物理实验的重要组成部分，也是通信工程专业重要的一门实验课程。
微波测量是微波技术的一个重要组成部分，它的发展和当代科学技术的新成就，如雷达、通讯、导航、电子对抗、空间技术、原子能研究、可控热核反应、射电天文学、气象学、波谱学、量子无线电等有着密切的联系。在从事微波应用、科研和教学工作中，微波测量占有十分重要的地位。尤其是微波技术中的某些问题在理论上尚未得到的解决，常常有赖于实际测量的结果。目前，由于微波技术广泛应用于国民经济的许多部门和科学研究的许多领域，微波测量已作为常用的实验技术列入了近代物理的实验内容，因此微波测量就显得格外重要。微波实验课是理解和巩固微波理论，培养学生科学实验的基本技能和工作能力的重要环节，是通信工程和电子信息工程专业的一门专业基础课。微波实验的目的在于让学生通过亲手实验，了解微波测量技术的特点，掌握微波测量中常用仪器及微波测量系统的调整，常用微波元器件的特性和测量方法。“微波实验讲义”根据“微波技术实验教材大纲”，参考2006年原用的“微波技术实验指导”讲义，结合两年来的教学实修订了原有的错误和对一些实验内容进行整合改编写而成，供通信工程专业和电子信息工程专业学生用。成稿后又经邬云文教授审阅。限于编者的实际经验与理论水平，疏漏和不当之处在所难免，希望读者批评指正。
微波实验须知
一、微波实验目的
微波实验的目的是学习微波理论与技术的重要环节之一，通过微波实验，学习常用微波参量（如驻波比、功率、频率、反射、相位等）的测量方法和技能；加深对微波理论的理解，以培养分析、解决实际问题的能力；学会微波测量中常用仪器和元件（如微波信号源、测量线、频率计、功率计等各种微波元件）及有关检波指示电路等调节与使用，进一步学习并提高基本实验技术（正确的操作和观察、数据处理、绘制曲线、写实验报告等）；培养科学的工作态度和严密、严格以及实事求是的工作作风。
二、微波实验各个环节的要求
a) 预习。预习是实验的一个重要环节，在每次实验之前，必须认真阅读实验讲义及指定参考书中有关内容，明确实验目的、要求、内容和原理；了解所用仪表的原理、使用方法和注意事项；在此基础上做好实验前必要的准备工作，如画好实验记录表格，计划好实验步骤等。实验中有自拟实验步骤的，预习时要写好实验步骤。未预习者不得做实验。
b) 实验中要养成仔细观察现象，准确熟练地测量，及时合理记录数据的习惯。培养实事求是的作风，忠实地记录原始数据和观察到的现象，并认真分析研究。发现数据不合理时，应分析其原因，必要时重测，切不可按自己主观想法擅自修改数据。
c) 实验完毕后，原始数据记录应交教师检查后，方可拆除线路，离开实验室。
三、实验报告
实验报告是实验训练中的一个重要环节，必须认真写好。实验报告的内容为：
1. 简述实验原理及有关的的测量公式。
2. 简述实验步骤，含实验线路（或框图）。
3. 数据处理。包括原始数据运算结果与误差分析。须把测试结果绘成曲线的，要按正确作图方法进行画图。
4. 除回答实验讲义后面指定的思考题外，还应分析实验中发现的问题，总结实验的心得体会以及提出对实验的改进意见等。
四、参考书
1、《微波测量技术》周清一编著
2、《微波测量》汤世贤编著
3、《微波实验指导书》钮茂德主编
五、注意事项
微波仪表和元件价格都很高，因此，不熟悉其性能和使用方法时，不准使用。严禁随意扳动仪表上各种开关，可调元件移动到头拧不动时，不要用力硬拧，搬动仪器和微波元件时，要轻拿轻放以防仪器和元件受到震动。凡由于违反操作规则损坏元器件者，该项实验成绩为不及格，并按规定赔偿经济损失。
目录
一、微波基础知识
二、常用微波元件及设备简介
三、实验部分
实验一、微波测试系统的认识与调试
实验二、晶体检波器校准
实验三、驻波比的测量
实验四、元件阻抗测量与调匹配技术
实验五、二端口微波网络参量的测量
实验六、谐振腔品质因素以及介电常数的测量
实验七、铁磁共振
一、微波基本知识
（1）、电磁波的基本关系
描写电磁场的基本方程是：
ρ=⋅∆D ， 0=⋅∆B
t B E ∂∂-=⨯∆，t D j H ∂∂+=⨯∆ ⑴
和 E D ∂=， H B μ=， E
j γ=。 ⑵
方程组⑴称为Maxwell 方程组，方程组⑵描述了介质的性质对场的影响。
对于空气和导体的界面，由上述关系可以得到边界条件(左侧均为空气中场量)
0=t E ，o n E εσ
=，
⑶
i H t = ，0=n H 。
方程组⑶表明，在导体附近电场必须垂直于导体表面，而磁场则应平行于导体表面。
（2）、矩形波导中波的传播
在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双
导线不能完全传输微波能量，而必须改用微波传输线。常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线，本实验用的是矩形波导管，波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线。
根据电磁场的普遍规律——Maxwell 方程组或由它导出的波动方程以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有两大类波能够在矩形波导中传播：①横电波又称为磁波，简写为TE 波或H 波，磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。②横磁波又称为电波，简写为TM 波或E 波，电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。在实际应用中，一般让波导中存在一种波型，而且只传输一种波型，我们实验用的TE 10波就是矩形波导中常用的一种波型。
1．TE 10型波
在一个均匀、无限长和无耗的矩形波导中，从电磁场基本方程组⑴和⑵出发，可以解得沿z 方向传播的TE 10型波的各个场分量为
)()sin(z t j x e a x a j H βωππβ-=， 0=y H ， )()c o s (z t j z e a
x a j H βωππβ-= 0=x E ， )(0)s i n (z t j y e a
x a j E βωππωμ--=， 0=z E ， ⑷ 其中：ω为电磁波的角频率，f πω2=，f 是微波频率；
a 为波导截面宽边的长度；
β为微波沿传输方向的相位常数β=2π/λg ；
λg 为波导波长，2)2(1a
g λλλ-= 图2和式⑷均表明，TE 10波具有如下特点：
①存在一个临界波长λ＝2α，只有波长λ<λC 的电磁波才能在波导管中传播
②波导波长λg >自由空间波长λ。
③电场只存在横向分量，电力线从一个导体壁出发，终止在另一个导体壁上，并且始
终平行于波导的窄边。
④磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线。 ⑤电磁场在波导的纵方向(z)上形成行波。在z 方向上，Ey 和Hx 的分布规律相同，
也就是说Ey 最大处Hx 也最大，Ey 为零处Hx 也为零，场的这种结构是行波的特点。
图 2 TE 10波的电磁场结构（a ）,（b ）,(c) 及波导壁电流分布(d)
2．波导管的工作状态
如果波导终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波的所有能量全部被吸收，这时波导
中呈现的是行波。当波导终端不匹配时，就有一部分波被反射，波导中的任何不均匀性也会产生反射，形成所谓混合波。为描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数Γ定义为
φj i r e E E Γ==Γ/。
驻波比ρ定义为：
m in m ax
E E =ρ
其中：max E 和min E 分别为波腹和波节
图 3
（a ）行
波,（b ）
混合波,(c)驻波
点电场E 的大小。
不难看出：对于行波，ρ=1；对于驻波，ρ=∞；而当1<ρ<∞,是混合波。图3为
行波、混合波和驻波的振幅分布波示意图。
二、常用微波元件及设备简介
1．波导管：本实验所使用的波导管型号为BJ —100，其内腔尺寸为α＝22.86mm ，b ＝10．16mm 。其主模频率范围为8．20～12．50GHz ，截止频率为6．557GHz 。
2．隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性(见图1)。隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。
3．衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成(见图2)，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。
4．谐振式频率计（波长表）：
图3 a 谐振式频率计结构原理图一图3 b 谐振式频率计结构原理图二
1. 谐振腔腔体 1. 螺旋测微机构
2. 耦合孔 2. 可调短路活塞
3. 矩形波导 3. 圆柱谐振腔
4. 可调短路活塞 4. 耦合孔
5. 计数器 5. 矩形波导
6. 刻度
7. 刻度套筒
电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。(图3a) 或从刻度套筒直接读出输入微波的频率(图3b)。两种结构方式都是以活塞在腔体中位移距离来确定电磁波的频率的，不同的是，图3a读取刻度的方法测试精度较高，通常可做到5×10－4，价格较低。而见图3b直读频率刻度，由于在频率刻度套筒加工受到，频率读取精度较低，一般只能做到3×10－3左右且价格较高。
5．驻波测量线：驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。在波导的宽边开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。
6．晶体检波器：从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调节其短路活塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率。
7．匹配负载：波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。
8．环行器：它是使微波能量按一定顺序传输的铁氧体器件。主要结构为波导Y形接头，在接头中心放一铁氧体圆柱(或三角形铁氧体块)，在接头外面有“U”形永磁铁，它提供恒定磁场H0。当能量从1-端口输入时，只能从2端口输出，3端口隔离，同样，当能量从2端口输入时只有3端口输出，1端口无输出，以此类推即得能量传输方向为1→2→3→1的单向环行(见图4)。
图4 Y行环形器图5 单螺调配器示意图
9．单螺调配器：插入矩形波导中的一个深度可以调节的螺钉，并沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝作纵向移动，通过调节探针的位置使负载与传输线达到匹配状态(见图5)。调匹配过程的实质，就是使调配器产生一个反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射而达到匹配。
10．微波源：提供所需微波信号，频率范围在8．6～9．6GHz内可调，工作方式有等
幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。
11．选频放大器：用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，经整流平滑后由输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。
12．特斯拉计(高斯计)：是测量磁场强度的一种仪器，用它可以测量电磁铁的电流
与磁场强度的对应关系。
实验一、微波测试系统的认识与调试
一、实验目的
1、熟练认识和了解微波测试系统的基本组成和工作原理。
2、掌握微波测试系统各组件的调整和使用方法。
3、掌握用交叉读数法测波导波长的过程。
二、实验所用仪器
微波信号源一台3cm测量线一台
隔离器一个定标衰减器一个
波长计一个检波指示器一台
晶体检波器一个选频放大器一台
三、实验原理
1、微波信号源(我们实验中在微波参数测试系统中用DH1121C型微波信号源，在铁磁共振中用
DH1121B型3cm固态信号源)：
产生一定频率和功率的微波信号，同低频信号源一样，其信号可以是连续波也可以是调制波，也有点频和扫频信号源之分。微波振荡管有电子管式与半导体管式，但它们的工作原理与低频振荡管不同。在微波频率下，工作于静电方式的低频电子管，不仅辐射损耗和引线分布参数效应严重，更主要的是电子由阴极飞达阳极所需的渡越时间不能忽略，已与微波周期可比拟，根本失去振荡、放大作用基于微波电子学的微波电子管，应用谐振腔很好地解决了辐射损耗和引线分布参数效应问题，但渡越时间不能为零，电子需要渡越时间在谐振腔内完成电子的速度调制、密度调制、振荡和能量交换等物理过程。工作于点频常用的微波振荡管为：中小功率为反射速调管，大功率的为磁控管；返波管为微波扫频振荡管。微波半导体振荡管典型的有耿试二极管、雪崩二极管和隧道二极管等，它们均利用一定的物理结构在外加场的作用下，体内能级之间能势产生骤然聚变形成负阻区而提供功率。半导体微波扫频源采用电调谐，一般为变容管调谐(谐振线宽很窄的单晶铁氧体)，后者的调谐频宽和调谐线性度优于前者。虽然半导体管式在小型化、轻量化方面，微波电子管式无法相比，但单管所能提供功率的大小，半导体管式是无法相比的，而且由于半导体热噪声的作用，半导体式在未经特殊的技术处理，功率和频率的自然稳定度比微波电子管式差。因此，要辨证的地看待和合理选用此两类微波源。在不强调小型化、轻量化下点频工作时，中小功率常选用反射速调管信号源。微波电路由分布参数电路组成，同一系统或元部件在不同频率其性能可能差别很大，因此，微波信号源稳定地工作在所需频率上是非常必要的。
2、隔离器：当微波信号源接于有反射波的系统，若此反射波进入信号源，其输出信号的频率将发生变化，即所谓频率牵引，这当然是不希望的。为此，在信号源输出端接一个仅对反射波衰减而对入射波不衰减的单向隔离器。
3、波长计：正是由于微波元器件的性能与频率密切相关，所以测试系统中总是接有测频率的装置，用来测量表明所测得参数之相应频率，波长计即属此种装置。波长计有一园柱形腔与波导壁以小孔耦合。通过移动活塞改变腔的高度而改变腔的体积，从而可改变腔的固有频率。当腔的固有频率与信号频率相同时即产生谐振现象。根据表征谐振活塞位置的千分尺上之刻度l，可在所示该波长计的频率刻度对照表查得频率f。波长计的谐振腔与波导的耦合方式有两种：一是腔与波导窄壁磁耦合，此种称为反应式波长计；另一种是腔与波导宽壁电合，此种称为通过式波长计，两种波和的谐振现象不一样。
4、可变衰减器：测试过程中有时要求改变功率的大小，这时不能直接去调信号源的输出功率，否则会导致频率牵引。为此，接入可变衰减器来调整功率的大小。因h10波的电场沿宽边按正弦分布，两垂直于电场的率耗片向中间移动时，衰减最大，向两窄边移动，衰减逐渐减小。
5、测量线：测量线是常用来点频测量驻波参数的较为精密的仪器，故又称驻波测量仪。它的基本工作原理如图所示。
沿波导宽边中线开一窄槽，探针平行于电场擦入槽中耦合能量。探针能沿中线移动且耦合度始终保持不变。因此，耦合到的能量经晶体检波后，由指示器表征的指示度，正比于所在处的场| E|。由| E|max与| E|min
λ和驻波相位l min，这三个参数把驻波场的分布规律完可得驻波系数；根据| E|min的位置可求得波导波长
g
全锁定，因此，测量线是在点频上研究驻波场分布的很好的仪器。
6、全匹配负载：它是在一段传输线中，放置无反射地连续吸收微波功率的材料，直到把微波功率全部吸收完的器件。矩形波导全匹配负载是在宽边沿中线放置与电场平行的微波能量吸收片，为了减少不连续性，并作成尖劈形。
7、短路器：短路器有两种：一种是短路面不能调动的短路板，另一种是短路面可调动的短路活塞。短路面不应有接触电阻，否则不能形成全反射。精密短路活塞的法兰盘上作有抗流环，以达到电气上完全短路。微波的开路是通过短路经四分之一波导波长倒置后实现的，即距短路面两侧四分之一波导波长处为开路面。
8、指示器：指示器有交流型与直流型之分，可简单到一个表头，也可复杂到一台精密仪器。如果指示器为交流型时，微波源应工作在调制状态，直流型对应连续波状态。
四、实验步骤与内容
1.微波信号源的调整：
我们使用的是DH1121C型3cm固态信号源，频率表在点频工作下，显示等幅波工作频率，在扫频工作下显示扫频工作频率，在教学下，此表黑屏。电压表显示体效应管的工作电压，常态时为12.0±0.5V，教学工作下可通过“电压调节钮”来调节。电流表显示体效应管的工作电流，正常情况小于500毫安。
2.测量线探针的调谐：我们使用的是不调谐的探头，所以在使用中不必调谐，只是通过探头座锁紧螺钉可以将不调谐探头活动2mm。
3.用波长计测频率：
(1)在测量线终端接上全匹配负载。
(2)仔细微旋波长计的千分尺，边旋边观测指示器读数。由于波长计的q值非常高，谐振曲线非常尖锐，
千分尺上0.01mm的变化都可能导致失谐与谐振两种状态之间切换，因此，一定慢慢地仔细微旋千分尺。
记下指示器读数为最小时（注意：如果检流指示器出现反向指示，按下其底部的按钮，读数即可）的千分尺读数并使波长计失谐。
(3)由读得的千分尺刻度可在该波长计的波长表频率刻度对照表上读得信号源的工作频率。
4.交叉读数法测量波导波长：
（1）检查系统连接的平稳，工作方式选择为方波调制，使信号源工作于最佳状态。
（2）用直读式频率计测量信号频率，并配合信号源上的频率调谐旋钮调整信号源的工作频率，使信号
源的工作频率为9370MHz 。
（3）测量线终端换接短路板，使系统处于短路状态。将测量线探针移至测量线的一端。 （4）按交叉读数法测量波导波长：测量三组数据，求平均值。
d 01=(d 11+d 12)/2
d 02=(d 21+d 22)/2 则得：λg=2⨯|d 02-d 01|
五、实验报告要求
1.实验目的与任务；
2.正确画出微波测试系统的基本框图
3.阐述系统的组成元件的基本原理与作用以及整个系统的工作原理；
4.说明用波长计测频率的方法；
5.计算用交叉读数法测得的波导波长：
⎪⎭
⎫ ⎝⎛-
=
a g 2012
λλλ
其中，0
λ＝C/f 0 ,a=22.86mm
六、思考题：
1.为什么信号源后要接隔离器?
2.为什么测完频率后波长计要失谐?
3.探针调谐的唯一标志是什么?不调谐有何害处?
七、注意事项
1、频率计的使用：频率计是用来测量频率的仪器，而不是用来调整频率的微波元器件。
2、波导波长的测量方法中要注意I 值不要太大，尽量不要在测量线的两端进行测量，读数要细心。
3、在测量最小点D 01和D 02位置时，选频放大器的增益要随时调整以防止输出太大而打坏表头。
一、实验目的
1、熟悉测量线的使用方法.
2、掌握校准晶体检波器特性
二、实验仪器
微波信号源一台3cm测量线一台
隔离器一个定标衰减器一个
波长计一个检波指示器一台
晶体检波器一个选频放大器一台
三、实验原理
在λg /4范围内移动探针，使其偏离驻波节点不同位置d，各点读取指示电表读数Ｉ，即能做出Ｉ～sin2πd/λg│关系曲线，也就是晶体二极管定标曲线。
对式(1)两边取对数，并令k’=1，得到logＩ=nlog│sin2πd/λg│根据上式，曲线的斜率即为晶体检波n。
(2) 第二种方法：测量线终端短路，测出半峰值读数间的距离W，
如图所示则n=log0.5/logcos(πW/λg) 根据测定的晶体检波律，即能得
到晶体平方律检波的工作范围。实验中大多数微波测试系统属于小信
号工作状态，因此，晶体检波律基本为平方律，如果不是精密测量，
通常可取n=2。
四、实验内容及步骤
1．依照实验原理，连接各微波元件
2．调整测量线
2．1测量线终端接晶体检波器，调整微波信号源，使获得最佳方波调制输出功率.。
2．2用频率计测量工作频率，记录数据，随即失谐频率计。
2．3调整测量线：
a．测量线终端接匹配负载，并将探头晶体检波输出端接指示器。
b．移动探针至测量线的中间部位，调节探头活塞，使电表偏转最大，如果发现探针可调谐在几个峰值上时，应选取峰值最大位置，此时测量线处于最佳工作状态。
3．校准晶体二极管的检波特性
a.测量线输出端接短路片。
b.调节信号源加到测量线上的微波功率，使放大器或指示器的指示最大,做好为满刻度。并检查驻波图形的对称性．
c.用交叉读数法确定相邻两节点的距离（即半个波导波长），求出波导波长gλ。
λ／４场度内，分为10个等距间隔，即确定10个测试点，找出每个测试点上对应
d.从波节到波腹的
g
的放大器或指示器的读数，完成下表。
其中Ｕ为测量放大器或指示器的读数
e．根据上表的Ｅ，Ｕ值，画出Ｅ（Ｕ）曲线，即检波律校准曲线。
我们可以看到，实际上检波律校准曲线是测量放大器的指示U与纯驻波图形的半个正弦波相对应的关系。使用检波律校准曲线时应注意保持测量放大器输入衰减和放大量与制作曲线时一致。
六、注意事项
1．测量波导波长和其他微波参量时，测量线探针位置及短路器活塞位置必须朝一个方向移动，以免引起回差。
2.用交叉读数法测纯驻波节点时，微波衰减器衰减量须置于最小值,以提高指示器灵敏度.但在移动测量线时必须同时加大衰减量或降低指示器灵敏度，以防晶体烧毁或指示电表过载而损坏。
3.当微波信号源工作频率改变时，测量线必须重新调整。
实验三、驻波比的测量
一、实验目的
1、掌握用等指示度法测量大、中驻波比的测量原理和方法。
2、掌握用功率衰减法测量大、中、小驻波比测量原理和方法。 二、实验仪器
微波信号源 一台 3cm 测量线 一台 隔离器 一个 定标衰减器 一个 波长计 一个 检波指示器 一台 晶体检波器 一个 选频放大器 一台 各种负载 三、实验原理
驻波系数的测量是微波测量中最基本的测量。通过驻波系数测量不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、波导波长、相位移、衰减、Q 值等其他参量。在微波能量的传输时，如果匹配不好，形成驻波，能量就不能有效地传给负载，这就增大了损耗。在大功率传输时，由于驻波的存在，驻波电场的最大点处可以产生击穿打火，因而驻波测量及匹配技术是十分重要的。
电压驻波比是传输线中电场最大值与最小值之比，表示为：
min
max E E S =
（1）
测量驻波比的方法很多，测量仪器也较多。本实验主要让同学们通过测量线法、等指示度法、功率衰减法测量一些负载的驻波比，掌握三种方法所适用的测量范围、测量原理、测量步骤。
1. 直接法测驻波系数
直接法测量驻波系数，就须将测量线探头沿线移动直接测出测量线上最大场强E max （实际测量的是它对应的检波电流I max ）和最小场强E min （实际测出的是它对应的检波电流I min ），直接代入公式（1）得到驻波系数。
如果测量线上的晶体检波律为n ，则驻波系数为：
n
I I S 1m i n m a x ⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛= （2）
通常在实验条件下，检波功率电平较小（检波电流小于微安），可以认为检波特性为平方律，即n=2，有： min
max I I S =
（3）
为了提高测量精度，必须尽量使指示器的电表指示到满量程的二分之一以上，当待测元件的驻波比在
1.02 < 0 < 1.5 时，驻波的最大值和最小值相差不大，且波节、波腹平坦难以准确测定。为了提高测量精度。可移动探针测出几个波腹和波节点的数据。然后取平均值：
n
n I I I I I I I I S min 3min 2min 1min max 3max 2max 1max ++++++++⋯⋯=
（4）
当驻波系数1.0<ρ<3 时，可直接读出场强的最大值与最小值，按公式（2）计算。
直接法测驻波系数是一种最简单而又最常用的方法。但这种方法仅适用于驻波系数小于3 左右的情况，即适用于中、小驻波系数的测量。在大驻波比时，最大场强指示与最小场强指示相差悬殊。若要使I max 不超出量程，I min 就必定很小，而低量程时电表读数误差较大。若要使I min 保持较大的读数，则I max 就必定要超出电表的量程。同时，当被测器件的驻波系数大于3 时，由于驻波最大与最小时电压相差很大，在驻波最大点由于电压较大，往往使晶体的检波特性偏离平方律而转向直线律。这样用直线法测量驻波系数就将引入较大的误差。因此，在大驻波系数的条件下，直接法不适用。需要寻求其他的方法，如下面介绍的等指示度法就是其中之一。
2、等指示度法测量大、中驻波比（适用于S>5）
当待测器件驻波比大于５时，驻波波腹和波节相差很大。因而使晶体检波输入处于不同的检波律。这样用直接法测量驻波比会带来较大的误差。而等指示度法是采用测量驻波波节点附近驻波分布规律来进行驻波比测量的方法。方法具体描述如下：
我们只需要测量驻波波节点处的幅值I min 和2I min 时测量线探针间距W ＝｜d 1-d 2｜。 当检波器的检波律是平方检波时，负载的驻波比可以按下式作近似计算：
)
(
sin 112
g
w S λπ+
=
当S 较大时，)sin(
g
w λπ很小，上式可以简化为：w
S g πλ≈
上式可以看出，在等指示度法中，宽度W 和波导波长λg 的测量精度对我们的测量结果影响很大，所
以在测量过程中，我们测量宽度W 和波导波长λ
g 时要细心，力求精确。
3、功率衰减法测量大、中、小驻波比 (目前实验室的衰减器精度不够高，但还是可以测量一些数据)
功率衰减法是一种操作简单、测量准确的适用于大、中、小驻波比的测量方法。它的测量精度与晶体检波器的检波律没有关系，而主要取决于衰减器的校正误差和系统的匹配状况。改变精密衰减器的衰减量，使探针位于驻波波节点时和探针位于驻波波腹点时的检波电流值相同，根据在波节点时和波腹点时精密衰减器所对应的衰减量（角度查表换算成分贝数）A min ，A max ；然后根据如下公式计算负载的驻波比：
20
min
max 10
A A S -= （5）
其具体测量方法描述如下：
首先将精密衰减器的衰减量置于０分贝（角度对应为０），即A min =0。将测量线探针移到波节点的位置，改变信号源上的衰减调节或可变衰减器，使此时选频放大器上检波电流指示合适，记录些时检波电流大小I(uA)。将精密衰减器的衰减器置于最大值（角度最大），逐渐减小精密衰减器的衰减量，使选频放大器指示的检波电流值与波节点时相同，即为I(uA)，记录些时精密衰减器的衰减角度，并查表得出分贝数A max 。
1、调整测量系统，使信号源工作于方波调制状态，信号源频率调整到9370MHz，使系统处于较佳的工作状态。要使检波器处于平方律检波状态，调节选放增益档，使选放指示电流大于2/3量程。
2、在测量线后接匹配负载。用直接法测量其驻波系数。（对小驻波系数,应多次测量后按公式（4）求平均值。）
3、在测量线后接短路板，用交叉读数测出两相邻节点的位置，求波导波长λg，测λg 记四个数据，取平均值。
4、用直接法、等指示度法和功率衰减法测量螺钉不同插入深度时的驻波系数。
（a）在测量线后换接成“单螺钉调配器 + 匹配负载”。
（b）将螺钉插入深度置于0mm 处，测量线探针置于波腹处，调整衰减器使指示器的指示值在满量程的三分之二以上，移动测量线探针，用直接法测出最大值与最小值，由式（3）计算其驻波系数。
（c）螺钉插入深度每增加1mm，按上述步骤(b)进行一次测量。
（d）每次测量前，都要调整可变衰减器指示器的灵敏度，使在波节处指示器有明显的指示（满量程的三分之一以上），当波节处指示器有明显的指示值而波腹外指示值超过满量程时，改用等指示度法和功率衰减法同时测量不同深度下螺钉的驻波系数。
（e）移动探针至测量线中段某波节点，调节可变衰减器，使波节处指示器的指示明显，但不得超过
满量程的二分之一，记下此时读数I
min 移动探针，记录波节点两旁指示器读数为2I
min
（K=2）时两探针位置
d1和d2。计算W＝｜d1-d2｜。
（f）移动测量线探针至波节处，记录此时可变衰减器的刻度d min及指示器的指示值I min，向波腹点缓慢移动探针，并随时增加标准衰减器的衰减量，使探针在波腹点时指示器的指示值仍为I min。记录此时标准衰减器的刻度d max，从标准衰减器的“刻度-衰减量”曲线表查出d min和d max应的衰减量A min和A max计算其驻波系数。
（g）改变螺针深度，重复步骤（e）和（f）。每改变1mm 作一次测量，将测得的数据填入表里，表格的格式如下：
（h）绘制出驻波系数（纵坐标）与螺钉深度的曲线，比较等指示度与功率衰减法测得的结果。
五、思考题
1. 试比较实验中所用的三种驻波系数测量方法的特点。
2. 测量线法测驻波系数，为什么要在待测元件后面接匹配负载？
3. 如果驻波系数极大，用等指示度法或功率衰减法测驻波系数有什么困难？
4. 试分析用测量线法测驻波系数时主要的误差来源和修正（或减小）的方法。
六、说明
1、因为实验室没有精密衰减器，我们用的是定标衰减器，所以不要看角度，只要看上面的刻度值就可以了
2、本实验中功率衰减法测驻波系数时，未进行调配，这将引入失配误差。在精密测量中，此项工作必不可少。
。
2
g λ实验四、阻抗测量与阻抗匹配
一、 实验目的
１、掌握用测量线测量微波元件阻抗的原理和方法 ２、熟悉Smith 园图在阻抗测量上的应用
3、熟悉阻抗匹配的作用，学会用阻抗调配器对失配元件进行调配 二、实验仪器
微波信号源 一台 3cm 测量线 一台 隔离器 一个 定标衰减器 一个 波长计 一个 检波指示器 一台 晶体检波器 一个 选频放大器 一台 各种负载 三、实验原理
１、阻抗测量的基本原理
在微波测量技术中，阻抗测量占有很重要的地位。微波元件的阻抗是微波系统匹配设计的依据,也是研究复杂微波结构的微波网络中确定等效电路参数的依据。阻抗测量不仅应用于微波器件特性阻抗的研究及微波系统的阻抗匹配，同时也是一些复杂测量（如微波网路参量的测量）的基础。因而微波阻抗测量是一项非常重要的测量。
由波导理论可知波导中的电磁场不是均匀分布的，因而不可能象双线传输线那样用行波电压（或电场强度）对行波电流（或磁场强度）之比，来规定出一个只决定于传输线本身尺寸的特性阻抗。波导的等效阻抗值因定义方法不同而不同，因而一般并不进行阻抗绝对值的测量。经常遇到的实际问题是电磁波在负载与传输线不匹配的传输系统上传播而产生的问题，在这一类问题中仅需知道被测元件的归一化阻抗。阻抗测量的方法很多，但应用较为广泛的方法是测量线法。根据传输线理论，传输线上任一点的归一化阻抗为：
在电压最小点。即L=L min 时，有Z =1/ρ，代入上式可解得归一化负载阻抗为：
由于β=
g
λπ
2，这样λg 、ρ、Lmin 就是确定负载归一化阻抗的三个参数，即阻抗测量就归结为对上述
三个参量的测量。
2、确定驻波最小点位置L min 的测量原理
由于测量线标尺的两端点不是延伸到线体的两端口，直接测量输入端口到第一个电压最小点的距离Lmin 是不可能的，但根据阻抗分布的重复性原理，在传输线上每隔2n ⨯λg 处的阻抗相等，所以
min
min
1=
Z L jtg L tg j βρβρ--L
jZ L Z L jZ L Z Z L C C L ββββsin cos sin cos ++=
只要找到与待测阻抗相等的面作为等效参考面即可，这就是在测量中常采用的方法“等效截面法”。实际测量过程如下图所示。
首先将待测元件接在测量线的输出端，其驻波分布图形如图下中所示，元件的输入参考面（如图中TE 截面）与第一个驻波最小点D 1的距离为Dmin ，用测量线测出其输入驻波系数ρ，记录波节点在测量线上的位置D min (D min = 2 n •λg + l min )，然后取下待测元件，将测量线短接，这时在测量线中测得与D min 相邻的驻波节位置D T ，如下图（b ）从图中可以看出，因为D T 是测量线终端短路时的驻波波节位置，所以它离终端
的距离必为n ⨯ ，根据n ⨯ 阻抗变换原理。D T 点的输入阻抗应等于终端所接的待测器件的阻抗。D T
参考面则被称为测量线终端的“等效参考面”。这样在测量线上的D min 和D T 之间的距离即为所要求的输入参考面到第一最小点的距离l min 。如图（c ）所以，（图中实线表示终端接被测元件时的驻波图形，虚线表示终端短路时的驻波图形）。
负载阻抗可由Smith 圆图进行求解。在查Smith 圆图时必须注意，如果D T 在D min 的右边，查图时要按逆时针方向转（即转向负载），反之如D T 在D min 的左边，则按顺时针方向转（即向信号源）。利用圆图求输入阻抗的具体过程如下图所示。我们知道无耗传输线接任意负载时，沿线输入阻抗的变化轨迹是一个圆，称为等ρ圆。而波节点的输入阻抗是一个纯电阻，其轨迹为图中“0-1轴线”。因此，等ρ线圆与“0-1”轴线交点A 即为驻波节点阻抗值，所以，当驻波节点与等效参考面D T 的距离l min 已知时，就可以按已知输入阻抗求负载阻抗的方法，求出被测器件的阻抗。这时只需从A 点出发，沿着等ρ圆逆时针方向（即朝负
2g
λ2
g
λ
载方向）转过l min /λg 的距离到达B 点，则B 点所代表的阻抗就是被测器件的归一化阻抗L Z 。
3. 匹配负载法测定膜片的电纳
在波导中放置如图3所示的开有窗口的全金属片称为膜片，当膜片的厚度满足δ< 在精密测量中，往往对阻抗匹配提出很高的要求，电压反射系数由公式： C L C L Z Z Z Z +-= Γ 可知，当Z L ≠Z c 时，即阻抗不匹配，就会产生反射，所以掌握匹配的原理和技巧，对分析和解决微波技术中的实际问题具有十分重要的意义。在小功率时构成微波匹配源的最简单的办法是在信号源的输出端口接一个衰减器或一个隔离器，使负载反射的波通过衰减进入信号源后的二次反射已微不足道，可以忽略。匹配的基本原理是利用一个调配器，使它产生的附加反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等，而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射从而达到匹配。阻抗匹配的装置与方法很多，可以根据不同的场合要求灵活选用。对于固定的负载，通常可以在系统中接入隔离器（主要用于源端匹配）、膜片、销钉、谐振窗等以达到匹配目的；而在负载变动的情况下，可接入单螺钉调配器，EH 阻抗调配器，短截线等类型的调配器，这里仅就实验室常用的介绍一种。 单螺钉调配器 在一段开槽波导段宽边中心装置一个位置可移动的螺钉，而螺钉伸入波导里的深度可调，就构成可移动的单螺钉调配器，它是利用螺钉产生适当的电纳达到匹配目的，其调配原理由下图说明。设系统终端的归一化导纳为Y L ，在圆图上处于位置A 点，移动单螺钉，现在要找到这样一个位置，在这个位置参考面上，向负载端看入的输入导纳为 B j Y in ±=1 在圆图上相当于从A 点沿等ρ圆移动距离d 到等ρ圆与G =1圆的交点B （图上B 点导纳值为B j ±1），在这个位置上改变螺钉深度，在螺钉插入深度t<λg/4时，其作用相当于在传输线上并联了一个正的电纳（为容性的）。再改变螺钉的深度，即能改变容性电纳值jB ，这相当于在输入端并联一电纳值，使之与原来的电纳值相加抵消。此参考面上总的导纳为1，实现匹配。在圆图上相当于从B 点沿G=1 的等G 圆移动到原点，即匹配点，从而使系统达到匹配。如果滑动单螺钉调配器的长度可以半波长范围内变化，同时调节螺钉深度提供的并联电纳可以0～∞之间任意调节，则该调配器能对任何有耗负载调配，故理想情况下没有禁区。 1. 测量线后接匹配负载。调整测试系统，用频率计测量并记录工作频率（调到9.37GHz） 2. 匹配负载法测量“膜片+匹配负载”的总导纳，最后求出其出膜片本身的归一化电纳。 ，（a）测量线后接“膜片+匹配负载”，用交叉读数法测量测量线标尺中间部位的一个驻波波节位置D min 记录测得的数据。 （b）用直接法（或等指示度法）测量其驻波系数ρ ，并（c）测量线后接“膜片+匹配负载”，用交叉读数法测量测量线相邻的右边（或左边）波节点位置D T 另找一个与D 相邻的波节点，以确定波导波长λg。 T （d）根据实验原理，用smith方法处理数据，求出膜片的归一化电纳，分析实验结果。 3. 测量线后换接成晶体检波器，重复2的步骤（a）至(d)。 4.用滑动螺钉进行调配 方法（I）用单螺钉调配器调配“膜片+匹配负载” 。 （a）测量线后接“膜片+匹配负载”，用直接法（或等指示度法）测量其驻波系数ρ 1 。 （b）测量线后换接上接有匹配负载的单螺钉调配器，调节螺钉深度，使其驻波系数仍等于ρ 1 （c）保持单螺钉调配器的螺钉深度及其位置不变，测量线后依次接上单螺钉调配器，“膜片+匹配负载”，移动单螺钉调配器的螺钉位置，使其驻波系数ρ<1.05。 方法(ii) 测量线终端依次接上单螺钉调配器、膜片、匹配负载，使调配器的单螺钉稍伸入波导，然后调节其位置，并用测量线跟踪波腹点或波节点，直到单螺钉在某一位置时，驻波的波腹有下降，或波节点值有上升的趋势。然后反复调节螺钉穿伸度，微调其位置，用测量线跟踪驻波大小，直到驻波系数ρ<1.05 止。四、思考题 如何确定？为什么能用测等效参考面阻抗的方法确定待测阻抗？ 1. 测量阻抗时，驻波节点的位置D T 2. 测量膜片电纳时，为什么后面要接匹配负载？ 3. 为什么要进行阻抗匹配？在微波测试系统中，调配器调到什么情况时，传输到负载的功率最大？若传输负载的功率为3dB，则测得的驻波系数应为何值？ 4. 通过实验，试总结调匹配的技巧。 实验五、二端口微波网络参量的测量 一、实验目的 1、掌握实现波导终端开路的方法。 2、掌握用“三点法”和“短路活塞法”测量双口网络散射参量的基本原理与测量技术，加深对网络参数的认识。 二、实验仪器 微波信号源一台3cm测量线一台 隔离器一个定标衰减器一个 波长计一个检波指示器一台 晶体检波器一个选频放大器一台 各种负载 三、实验原理 研究微波元件的特性，通常有两种方法，一种是场的方法，一种是网络分析法。每个微波元件，如衰减器、定向耦合器等，都可以看成一个网络，这些网络的特点是输出功率比输入功率小，所以称为无源网络。测量无源网络的参量，有很多的方法，并且有多种表达形式，如阻抗参量［Z］，导纳参量［Y］，散射参量［S］等。微波频段通常采用［S］参量，它可以比较容易用实验方法测量出来，并且可以通过相关的公式换算成其它的参量。 一个二端口微波元件用二端口网络来表示，示意图如下： a a２ b b２ 微波网络的入射波和反射波示意图 各个符号表示意义如下： 图中a１，a２分别为网络端“1”，“2”向内的入射波，b１，b２分别为网络端“1”，“2”向外的反射波。对于线性网络，可以用如下线性代数方程表示： b２=S11 a１+S12 a2 b1=S21 a１+S22 a2 式中S11 ，S12，S21，S22组成[S]参量,它们的物理意义如下： S11=b1/a1表示2端口匹配时，1端的反射系数； S21=b2/a1表示2端口匹配时，1端至2端的传输系数； S12=b1/a2表示1端口匹配时，2端至1端的传输系数； S22=b2/a2表示1端口匹配时，2端的反射系数。 测量微波网络[S]参量的方法很多，本实验主要掌握用三点法测量任意二端口网络的[S]参量。 三点法介绍如下： 三点法是通过三次的测量所得的数据来确定互易双口网络参量的方法。 对于互易的两端口网络。S12=S21 则只有三个的参量S11、S21 、S22，而这三个参数可由三次的测量来确定。 将待测网络的输出面依次短路（反射系数为－1）、开路（反射系数为1）和接匹配负载（反射系数为0），并在输入端面依次测量反射系数的方法。然后根据测量得到的数据代入如下公式计算得出［S］参量：Γ1S应短路点的反射系数； Γ1O开路点的反射系数； Γ1L对应接匹配负载时的反射系数 S11＝Γ1L S22=((Γ1O+Γ1S)-2Γ1L)/( Γ1O-Γ1S) S212=S11S22+[Γ1L(Γ1O +Γ1S)-2Γ1OΓ1S]/( Γ1O-Γ1S) 输入端面的反射系数Γ1的测量方法如下： L 输入、输出端面的等效位置 d T为待测网络输入端面（“1”端口）在测量线上的等效位置，l T为网络输出端面（“2”端口）在可调短路器上的等效位置。因为Γ1=|Γ1| e jψ中，首先测量驻波比S，可以求得反射系数模值： ｜Γ1｜＝（S-1）/(S+1) 然后测量d T左边（向信号源一边）相邻驻波节点的位置d min；对反射系数的相角而言，离波源越近，相角越滞后，故： ψ=720。(d/λg)-180。 式中d=| d min- d T| 三点法只需三次数测量就可以测出双口网络的S 参量，测量步骤相当简单，但是三次测量中任何一次测量数据的误差对于网络参量测量的准确度都有很大影响，因此，这种方法的误差较大。 四、实验内容及步骤 1、测试系统的调整： 1．1调整系统，使信号源工作频率为9370MHZ，调整衰减，使信号源输出信号合适。 1．2测量线终端接短路板，用交叉读数法测量波导波长λg 1，选定等效截面d T （一个波节点的位置）， 记录相关数据。 1．3测量线终端换接可调短路器。测量线探针准确地位置于d T 位置。可调短路器活塞由“0”刻度开 始缓慢向后移动，直至测量线上d T 位置又出现驻波波节点，按交叉读数法确定些时短路活塞位置刻度值 l 01,并选作l T ，这一刻度值就被定义为被测网络的输出端刻度值。也就是使网络输出端短路时的活塞位置 的刻度。即S短路=l T 。记录测量数据。 1．4、继续向后移动短路器活塞，使位置d T 再次出现驻波波节点，按交叉读数法确定时活塞位置的刻 度l 02，计算输出波导的波导波长λg 2 ，记录测量数据。 1.5、使网络输出端开路时，短路活塞的位置刻度值为：S短路=l T + 4 2 g 2、用三点法测量“单螺调配器＋微波衰减器”的散射参量： 2．1测量线与可调短路器中间接入待测元件（单螺调配器＋微波衰减器），使单螺调配器位于正中位置，单螺钉深度约3mm，微波衰减器衰减量约1-22db。 2．2可调短路器活塞置于l T 位置，即待测网络处于输出端短路状态。用功率衰减法或等指示法（最好 用等指示法）测量待测量元件的输入驻波比S 短路，用交叉读数法测量出d T 左边相邻波节点位置d min ，按公 式计算Γ 1S ，记录测量数据。 2．3可调短路器活塞置于（l T ＋λg 2 ／4）位置，即待测网络片于输出端开路状态，按2.2同样方法测 量S 开路和d min ，计算Γ 1O ，记录测量数据。 2．4取下可调短路器，待测元件终端接匹配负载，按2.2至2.4步骤测出S和d min ，计算Γ 1L ，记录 测量数据。 2．5根据理论给出的公式计算待测负载的散射参量：S11 、S12 、S22 五、思考题 1、根据测量数据计算负载的散射参量 2、并分析“三点法”测量的主要误差来源 3、如果用三点法或短路活塞法测量单螺钉（后面不接衰减器）的散射参量有什么困难？ 4、如何实现待测器件输出端开路？ 5、双口非互易网络的参量能否用本实验的方法进行测量？为什么？ 实验六、品质因数和介电常数测量 一、 实验目的 1.掌握微波谐振腔Q 值测量方法和原理 ２.了解谐振腔的基本知识。 ３.掌握用谐振腔法测量介质特性的原理和方法 二、实验装置： 微波信号源最好要用扫源，也可用其他带有窄带扫频的信号源 晶体检波器接头最好是满足平方律检波的，这时检波电流表示相对功率(I ∝P)。 实验装置示意图 1— 微波信号源 2—隔离器 3—衰减器 4—波长表 5—测量线 6—测量线晶体 7—选频放大器 8—环形器 9—反射式谐振腔 10—隔离器 11—晶体检波器 检波指示器用来测量反射式谐振腔的输出功率，量程0～100μA 。微波的频率用波长表测量刻度，通过查表确定微波信号的频率。用晶体检波器测量微波信号时，为获得最高的检波效率，它都装有一可调短路活塞，调节其位置，可使检波管处于微波的波腹。改变微波频率时，也应改变晶体检波器短路活塞位置，使检波管一直处于微波波腹的位置。 三、实验原理及内容： 谐振条件：谐振腔发生谐振时，腔长必须是半个波导波长的整数倍，此时，电磁波在腔内连续反射，产生驻波。 谐振腔的有载品质因数Q L 由下式确定： 2 10f f f Q L -= （１） 式中：f 0为腔的谐振频率，f 1，f 2分别为半功率点频率。谐振腔的Q 值越高，谐振曲线越窄，因此Q 值的高低除了表示谐振腔效率的高低之外，还表示频率选择性的好坏。 如果在矩形谐振腔内插入一样品棒，样品在腔中电场作用下就会极化，并在极化的过程中产生能量损失，因此，谐振腔的谐振频率和品质因数将会变化。 a 反射式谐振腔谐振曲线 b 微扰法TE 10n 模式矩形腔示意图 电介质在交变电场下，其介电常数ε为复数，ε和介电损耗正切tan δ可由下列关系式 表示： εεε''-'=j ， εεδ' ''= tan ， （２） 其中：ε ， 和ε ， 分别表示ε的实部和虚部。 选择TE 10n ，(n 为奇数)的谐振腔，将样品置于谐振腔内微波电场最强而磁场最弱处，即x ＝α／2，z ＝l ／2处，且样品棒的轴向与y 轴平行，如图b 所示。 假设： 1．样品棒的横向尺寸d(圆形的直径或正方形的边长)与棒长九相比小得多(一般d ／h<1／10)，y 方向的退磁场可以忽略。 2．介质棒样品体积Vs 远小于谐振腔体积V 0，则可以认为除样品所在处的电磁场发生变化外，其余部分的电磁场保持不变，因此可以把样品看成一个微扰，则样品中的电场与外电场相等。 这样根据谐振腔的微扰理论可得下列关系式 ) 1(2V V f f f S s -'-=-ε （３） 41V V Q S L ε' '=∆ （４） 式中：f 0,fs 分别为谐振腔放人样品前后的谐振频率，Δ (1／Q L )为样品放人前后谐振腔的有载品质因数的倒数的变化，即 0 11)1( L LS L Q Q Q - = ∆ （５） Q L0，Q LS 分别为放人样品前后的谐振腔有载品质因数。 四、实验方法和步骤 1．按图接好各部件。注意：反射式谐振腔前必须加上带耦合孔的耦合片，接入隔离器及环形器时要注意其方向。 2．开启微波信号源，选择“等幅”方式，预热30分钟，使信号源处于扫频工作状态。 3．测量谐振腔的长度，根据公式计算它的谐振频率，一定要保证n 为奇数。 4．将检波晶体的输出接到电流表上，用电流表测量微波的大小，在计算的谐振频率附近微调微波频率，使谐振腔共振，用直读频率计测量共振频率。 ５.在样品未插入腔内时，找出样品谐振腔的谐振频率。（即改变扫频信号源的扫频范围），从示波器观察谐振腔的谐振曲线，用波长表测量腔的谐振频率f 0。（注：精密衰减器需单独配备）。利用波长表在示波器上形成的“缺口尖端”为标志点，测定示波器横轴的频标系数K （即单位长度所对应的频率范围，以兆赫/格表示）作法是：调节波长表，使吸收峰在示波器横向移动适当距离△L ，由波长表读出相应的频率差值△f,则频标系数K=△f/△L,一般可以做到K=0.4兆赫/格,谐振曲线的半功率频宽│f 1-f 2│可以由K 和半功率点的距离│L 1-L 2│决定。利用公式算出Q L （样品放入前的品质因数） f f f Q L 2 1 -= f 0……谐振腔未放入样品前的谐振频率 ６.在样品插入后，改变信号源的中心工作频率，重新寻找其谐振频率，使谐振腔处于谐振状态，再用上述方法测量的谐振频率f s 和半功率频宽︱f’1-f’2︱。 利用公式算出Q’L （样品放入后的品质因数） f f f Q s L ' -'= '2 1 f s ……谐振腔放入样品后的谐振频率 7．测量介质棒及谐振腔的体积。（谐振腔内腔长68mm ，长为22.86mm ，宽为10.16mm ，介质棒半径为0.7mm ） 8．计算介质棒的介电常数和介电损耗角正切。 五、实验报告要求 1、测量空载品质因数和有载品质因数 2、测量介质棒及谐振腔的体积，计算介质棒的介电常数和介电损耗角正切。 六、注意事项 １、f 1，f 2与f 0的差别很小，约0．003GHz 。测量时要仔细看好读数。多测几次，求平均值。 ２、作样品谐振腔的谐振曲线需用扫频信号源，若没有扫频信号源，则应逐点改变信号源的频率，并保持每个频率上有相同的输出功率。 七、思考题 1．如何判断谐振腔是否谐振? 2．本实验中，谐振腔谐振时，为什么"必须是奇数? 3．若用传输式谐振腔如何测量介质的介电常数，可否画出实验装置。 实验七、铁磁共振 一、实验目的 1．熟悉微波信号源的组成和使用方法，掌握有关谐振腔的工作特性的基本知识。 2．了解用谐振腔法观测铁磁共振的测量原理和实验条件。通过观测铁磁共振和测定有关物理量，认识磁共振的一般特性。 二、实验仪器 用传输式谐振腔观测铁磁共振的实验线路如下图所示。传输式谐振腔采用TE lop 型矩型谐振腔(一般取P ＝偶数)，样品是多晶铁氧体小球，直径约1mm 。 铁磁共振实验装置图 1：微波信号源 2：隔离器 3 ：衰减器 4.：波长表 5：测量线 6：检波晶体 7：选频放大器 8：谐振腔 9：隔离器 10 ：检波器 11：检流计 晶体检波接头最好是满足平方律检波的，这时检波电流表示相对功率(I ∝P)。 检流计G 用来测量传输式谐振腔的输出功率，量程0～100μA 。 微波的频率用波长表测量。 用晶体检波器测量微波时，为获得最高的检波效率，它都装有一可调短路活塞，调节其位置，可使检波管处于微波的波腹。改变微波频率时，也应改变晶体检波器短路活塞位置，使检波管一直处于微波波腹的位置。 电磁铁由磁共振实验仪控制，提供0～5000Gs 的磁场，极头直径一般不小于3cm 即可。磁铁的磁场强度与线圈电流的关系由学生用特斯拉计测出。 三、实验原理 １、铁磁共振现象 在铁磁物质中由于电子自旋之间存在着强耦合作用，使铁磁物质内 存在着许多自发磁化的小区域，叫磁畴。在恒磁场中，磁导率可用简单 的实数来表示，但当铁磁物质在稳恒磁场B 和交变磁场B ，的同时作用 下时，其磁导率μ就要用复数来表示 μμμ''+'=j (1) 实部μ，为铁磁性物质在恒定磁场B 中的磁导率，它决定磁性材料中贮存 的磁能，虚部μ ,,, 则反映交变磁能在磁性材料中的损耗。当交变磁场B ， 频率固定不变时，μ,, ,μ ， 随B 变化的实验曲线如右图所示。在ω与B o 满足 图B -'μ和B -''μ曲线 00B g B B μγω== (2) 处，μ ， 达到最大值，这种现象称为铁磁共振。通常将B 0称为共振磁场值，而μ ， ＝μ ， max ／2 两点对应 的磁场间隔B 2—B 1称为共振线宽ΔB ，ΔB 是描述铁氧体材料性能的一个重要参量，它的大小标志着磁损耗的大小，是铁氧体内部能量转换微观机制的测量ΔB 对于研究铁磁共振的机理和提高微波器件性能是十分重要的。 发生铁磁共振现象的原因,从宏观唯象理论来看，铁氧体的磁矩M 在外加恒磁场B 的作用下绕着B 进动，进动频率ω=γВ,γ为回磁比。由于铁氧体内部存在阻尼作用，M 的进动角会逐渐减小，结果M 逐渐趋于平衡方向(B 的方向)。当外加微波磁场B ’的角频率与M 的进动频率相等时，M 吸收外界微波能量，用以克服阻尼并维持进动，这就发生共振吸收现象。 从量子力学观点来看，在恒磁场作用下，原子能级成等间隔的几条，当微波电磁 场的量子ω 刚好等于两个相邻塞曼能级间的能量差时，就发生共振现象。这个条件是 m B E B g ∆=∆=μω 吸收过程中发生选择定则Δm ＝－1的能级跃迁，这时上式变成B =∆E = γω，与经典结果一致。 当磁场改变时，M 趋于平衡态的过程称为驰豫过程。M 在趋于平衡态过程中与平衡态的偏差量减小到初始值的l ／e 时所经历的时间称为驰豫时间。M 在外磁场方向上的分量趋于平衡值所需的特征时间称为纵向驰豫时间τ1。M 在垂直于外加磁场方向上的分量趋于平衡值的特征时间称为横向驰豫时间τ2。在一般情况下，τ1≈τ2τ2=2/γΔB 为了方便，把τ1τ2统称为驰豫时间τ,则有 B ∆=γτ2 (3) ２、传输式谐振腔 观察铁磁共振通常采用传输式谐振腔法。其原理如图所示。传输式谐振腔是一个封闭的金属导体空腔，由一段标准矩形波导管，在其两端加上带有耦合孔的金属板，就可构成一个传输式谐振腔。 1．谐振条件：谐振腔发生谐振时，腔长必须是半个波导波长的整数倍。 2．谐振腔的有载品质因数Q L 由下式确定： 2 10f f f Q L -= 式中：f o 为腔的谐振频率，f 1，f 2分别为半功率点频率。 图a 铁磁共振实验原理图 图b P-B 曲线 当把样品放在腔内微波磁场最强处时，会引起谐振腔的谐振频率和品质因数的变化。如果样品很小， 29 可看成一个微扰，即放进样品后所引起谐振频率的相对变化很小，并且除了样品所在的地方以外，腔内其他地方的电磁场保持不变，这时就可以就用谐振腔的微扰理论：当固定输入谐振腔的微波频率和功率，改变磁场B ，则与腔体输出功率户之间存在着一定的对应关系。图b 是户随B 变化的关系曲线，图中P 。为远离铁磁共振区域时谐振腔的输出功率，P r 为共振时的输出功率，与μ， max 对应，P 1/2为半共振点，与μ， 1／2对应。在铁磁共振区域，由于样品的铁磁共振损耗，使输出功率降低。P 1/2由P 0和P r ，决定，且 200)(2pr p P P Q r L += (4) 因此在铁磁共振实验中，可以将测量μ ，-B 曲线求ΔB 的问题转化为测量P-B 曲线来求。 应该指示的是：实验时由于样品μ， 的变化会使谐振频率发生偏移(频散效应)，为了得到准确的共振曲线和线宽，在逐点测绘铁磁共振曲线时，对于每一个恒磁场B ，都要稍微改变谐振频率，使它与输入谐振腔的微波频率调谐。这在实验吕难以做到，通常是考虑到样品谐振腔的频散效应后，对式(4)进行修正，修正公式为 R r P P P P P +=002/12 (5) 四、实验内容与步骤 1．按图接好各部件。注意：传输式谐振腔两端都必须加上带耦合孔的铜片，接入隔离器时要注意其方向。 2．开启微波信号源，选择“等幅“方式，预热30分钟。 3．测量谐振腔的长度，根据公式计算它的谐振频率，一定要保证传输式谐振腔"为偶数。 4．将晶体检波器的输出接到电流表上，用电流表测量微波的大小，调节微波频率，使谐振腔共振，用直读频率计测量共振频率f 。 5．断开扫场，逐点测绘P-B 曲线。 6．考虑频散效应，计算P 1/2，并得到相应的B 值。 五、思考题 1.计算你测量ΔH 用的矩形谐振腔的腔长l （已知：腔的尺寸a ＝22．86mm ，b ＝10．16mm ，振荡模式TE 10p ，谐振频率f 0）。讨论样品可放在腔内哪些位置。 2.在本实验中，传输式谐振腔"为什么取偶数?
Copyright © 2019-2025 51dongshi.net 版权所有
违法及侵权请联系：TEL:177 7030 7066 E-MAIL:11247931@qq.com 本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务
