微波基本参数的测量

引言

一    实验目的

 1 熟悉和掌握微波测试系统中各种常用设备的结构原理及使用方法；

2 掌握微波系统中频率、驻波比、功率等基本参数的测量方法；

3 按要求测出测量线中的驻波分布；

二 实验原理

    微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。要对这些参数进行测量，首先要了解电磁波在规则波导内传播的特点，各种常用元器件及仪器的结构原理和使用方法，其次是要掌握一些微波测量的基本技术。

(1) 导行波的概念：

由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。导行波的电场E 或磁

场H 都是x、y、z 三个方向的函数。导行波可分成以下三种类型：

(A) 横电磁波（TEM 波）：

TEM 波的特征是：电场E 和磁场H 均无纵向分量，亦即：,。电场E 和

磁场H，都是纯横向的。TEM 波沿传输方向的分量为零。所以，这种波是无法在波导中传播的。

(B) 横电波（TE 波）：

TE 波即是横电波或称为“磁波”（H 波），其特征是,而。亦即：电场E 是纯横向的，而磁场H 则具有纵向分量。

(C) 横磁波（TM 波）：

TM 波即是横磁波或称为“电波”(E 波)，其特征是，而。亦即：磁场H 是纯横向的，而电场E 则具有纵向分量。

TE 波和TM 波均为“色散波”。矩形波导中，既能传输波，又能传输波（其

中m代表电场或磁场在x 方向半周变化的次数，n 代表电场或磁场在y 方向半周变化的次数)。

(2) 色散波的特点：

由于TE 波及TM 波与TEM 波的性质不同。色散波就有其自身的特点：

(a) 临界波长：

矩形波导中传播的色散波，都有一定的“临界波长”。只有当自由空间的波长小于临界波长c 时，电磁波才能在矩形波导中得到传播。波或波的临界波长公式为：

                                      （1）

(b)波导波长和相速V、群速Vc：

色散波在波导中的波长用表示。波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速度称为相速V 。群速V c 是表示能量沿波导纵向传播的速度，其关系为。因为，波导中电磁波是成“之”字形并以光速传播的。所以，波导波长将

大于自由空间的波长。同时，相速V也大于光速C。它们之间的相互关系为：

                                               （2）

                                              （3）

图1 示出了电磁波在波导中传播的方向。

(3) 反射系数和驻波比：

波导终端接入负载后，由于负载性质

的不同，电磁波就将在终端产生不同程度

的反射。如用Zc表示传输线的特性阻抗，

用Z L 表示负载阻抗。则反射系数G为：

   （4）

可见，反射系数是个复数。当特性

阻抗与负载阻抗相等（即接入匹配

负载）时： = 0 ,入射波全部被负载吸

收而无反射。 当终端短路（微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即）时： =1，入射波被负载全部反射。           图1  平面波的传播

微波技术中，还经常使用驻波比r 来描述传输线阻抗匹配的情况。波导中驻波比r 被

定义为：波导中驻波电场最大值和电场最小值之比，即

                                        （5）

驻波比与反射系数之间的关系应为：

                                             （6）

由此，从图2中(a)、(b)、(c)可看出电场在波导中的分布情况。

图2  不同负载情况下电场在波导中的分布图

 (a) 在负载匹配情况下有： = 0及= 1；波导中传播的是“行波”，其幅值为；

(b) 在负载短路情况下有： = 1及；波导中传播的是“纯驻波”，其幅度值为；

(c) 在其它任意负载下有：0 < < 1及1 < <；波导中传播的是“行驻波”，其幅度 (1+)。传输线的目的是要无损的传输功率，故常希望工作在负载阻抗匹配的情况下。

(4)波：

由公式(1)可知，矩形波导中临界波长的最大值应出现在，n＝0的情况下（此时： =2a）。这就是波。波被称为矩形波导中的“主波”，也是最简单、最有用的波形。一般矩形波导所激励的都是波。

下面将讨论， 波中电磁场的简单结构。

(a)电场结构：

波中电场E 只有y E 分量。其电力线将与x-z 平面处处正交。如图3所示。在x-y平面内，说明电场强度只与x 有关，且按正弦规律变化。在x＝0及x＝a 处（即：波导中的两个窄边上）。。在x = a/2 处（即：波导宽边），

由于，能量是沿z方向传播的。因此， y E 将沿z方向呈行波状态，并在x = a/2 的纵剖

面内， 沿z 轴也是按正弦分布。

(b)磁场结构：

波中磁场H 只有及分量。其磁力线将分布在x-z 平面内。由于，和H x 决定

着电磁波沿z 方向传播的能量，就必然要求与同相，即沿z 方向在最大处，也

最大，在x 方向上,是呈正弦分布（与同相）。所以在横截面和纵剖面的分布情况也与相同。

在讨论分布时，必须注意到，在z＝0 的截面上，沿x 方向是呈余弦变化，即在及处，有最大值，而在x = a/2处，则有＝0。

波场的特点可以归结为：

a. 只存在，，三个分量；

b.和均按正弦规律分布，按余弦规律分布。因而和同相，并与反相。

图3 显示了波电磁场在矩形波导中的分布。应当注意到，这些电力线和磁力线的分布情况将随着时间的顺延，而以一定的速度沿方向在波导中向前移动着。

图3 矩形波导中H10波的电磁场分布图

 (5) 微波频率的测量：

频率的测量是微波测量技术中的一个重要方面。本实验将采用“直接”和“间接”两种不同的方法来测量频率。

(a) 直接测量法

使用外差式频率计或是数字微波频率计就能直接读出频率的数值。亦可以使用吸收式空腔波长计，利用空腔做为谐振系统，并通过机械装置进行调谐。当吸收式波长计的腔体被调节到谐振点时，输入到指示器的功率最小。此时即可由波长计中的螺旋测微计的读数D，通过D～f曲线查出被测的微波频率。本实验就是使用这种方法作为直接测量的。

(b) 间接测量法

一般是使用测量线，先测出波导波长，然后由公式：

计算出待测微波信号在自由空间的波长l,最后再由波长l 与频率f 的关系求出频率。

上式中：——波导波长；——自由空间波长；

——波导的截止波长。

在三公分微波系统中，波导的尺寸：a×b＝22.86mm×10.16mm。对于波而言，截

止波＝2a＝45.72mm。

微波系统中接入不匹配负载时，就将出现驻波，使用测量线就能很方便地测量出相邻

两个波长点之间的距离：。

图4 示出了通过驻波波节点的位置来找出波导波长的方法：

由于在驻波波节处指示仪器的

数值很小，且驻波波节处波形的

变化很陡，因而就很难找到波节

点准确位置。为了提高测量的精

度，可利用波节点两侧波形对称

的特点，采用“等电位法”进行。          

所谓等电位法，就是先在任意一个          图4 用等电位法找驻波的波节

波节点D1 的左右两侧找出及两个位置，使指示仪器微安表的读数均为，则此波节点的正确位置为： 

同理，可在相邻波节点的左右两侧找出及，则： 

所以，                                (7)

(6) 驻波比的测量：

产生驻波的原因是由于负载阻抗与波导特性阻抗不匹配。因此，通过对驻波比的测量，就能检查系统的匹配情况，进而明确负载的性质。

本实验一般都是在小信号状态下进行测试，为此检波晶体二极管都是工作在平方律检波区域（检波电流），故应有： 

使用测量线测试驻波比，可直接由测量线探针分别处于驻波波腹及波节位置时的电流表读数及,求出驻波比。但是为了提高检测灵敏度，最好还是将微波信号源加以1KC的方波信号进行调制。此信号由选频放大器放大。在其指示电表上就能读出有关的电流值、分贝值或是直接读出驻波比值。

(7) 功率的测量：

本实验使用DH4861B型微瓦功率计来测量微波功率。当功率计探头接入系统终端时，就构成了微波系统的负载。探头内装有铋锑热电偶，可将微波产生的热能转换成电能，并直接由功率计表头上的读数得知被测功率值。

如果忽略传输线本身对信号的衰减，并假设功率计探头的阻抗与微波系统的特性阻抗相匹配（即：＝），则信号源输出的功率将全部为负载所吸收。但在一般情况下，功率计探头的输入阻抗ZL不可能做得完全与微波系统的特性阻抗相匹配（即：），则一部分功率将会由探头反射回来，它正比于探头的功率反射系数。这种损耗称为：“反射损耗”。此时功率计所吸收的功率应为： 

其中：——功率计所测得的功率值；——系统终端输出的真实功率；

        ——反射系数

另外，在传输系统中，传输线本身也会对信号源的输出功率P0产生一定的衰减，这种衰减称为“插入损耗”。它主要是由于系统中的隔离器、可变衰减器等元件对信号功率产生的衰减所致（其他元器件的衰减可忽略不计）。隔离器的正向功率衰减为1db（即：经隔离器后，输入功率就有1.259 倍的衰减）。只要可变衰减器的指针是放在“0”的位置，就不会引入衰减。为此，经传输系统衰减后，系统终端的实际功率为： 式中，是以倍数表示的微波元件的插入损耗；

至此，不难得出微波信号源所发出的功率应为：

                              (8)

(9) 光速的测量

光速是物理学中十分重要的一个基本常数。用微波测光速是所有测试手段中精度最高的一种。当然，使用高级专用设备进行测量这不是我们微波实验所必须要求的。我们主要是利用实验室中现有的设备去了解光速测量的基本原理。其方法仅需通过对频率f 及波导波长的测定，并由公式(2)换算出自由空间的波长l后，即可由C＝去计算光速。

三    实验装置

图5 实验装置框图

四    实验内容

根据讲义中介绍的常用微波器件和实验室提供的仪器使用说明书，掌握它们的工作原理及使用方法。

(1) 频率的测量：

(a) 直接测量法：

仔细旋转吸收式波长计上螺旋测微计的刻度细心观察微安表电流值的变化。在找到最大吸收点时，记下波长计的读数D。要求操作三次，取其均值，然后由给出的D～f曲线查出被测的频率。

(b) 间接测量法：

将吸收式波长计从吸收点移开。用等电位法，找出位于测量线中部两个波节点的位置(即：)。再计算出被测频率。

(2) 测出测量线中驻波场的分布：

在整段测量线范围内，使用用选频放大器做出驻波分布曲线，并绘制成图。为保证驻波曲线精度，请自行选择“步长”。同时还应注意测量线的空程。

(3) 驻波比的测量：

按下微波源“方波”按钮。

(a)在系统终端分别接短路板和全匹配负载，观察驻波场。

(b)在终端分别接失配负载A和B。选择合适的方法测出。

(4) 功率的测量：

在实验室预定衰减值和增加1/2 衰减下分别测出相对功率和绝对功率，并比较测量结果。

注意事项

(1) 用选频放大器测驻波比时，体效应微波源必须使用“方波”档。由于仪器的灵敏度很高切勿使电表指示超出,否则极易损坏电表。

(2) 微波系统各元件器件的波导口应注意对齐，以减少因电波在参差的波导口多次反射而引入的寄生波。

思考题

 (1) 选用不同测量驻波比方法的原则是什么？

(2)、、三种不同的功率值其含义有何不同？它们之间有何内在联系？

选作内容

微波元件衰减量定义为

其中，为匹配状态下的输入功率，为匹配状态下的输出功率。试测出衰减器衰减量。

参考资料