北邮-电磁场与电磁波实验报告--用谐振腔微扰法测量介电常数、天线的特性和测量

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实验六 用谐振腔微扰法测量介电常数

微波技术中广泛使用各种微波材料，其中包括电介质和铁氧体材料。微波介质材料的介电特性的测量，对于研究材料的微波特性和制作微波器件，获得材料的结构信息以促进新材料的研制，以及促进现代尖端技术(吸收材料和微波遥感)等都有重要意义。 

一、 实验目的 

1． 了解谐振腔的基本知识。 

2． 学习用谐振腔法测量介质特性的原理和方法 

二、 实验原理 

 本实验是采用反射式矩形谐振腔来测量微波介质特性的。反射式谐振腔是把一段标准矩形波导管的一端加上带有耦合孔的金属板，另一端加上封闭的金属板，构成谐振腔，具有储能、选频等特性。 

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QL由下式确定： 

式中：f0为腔的谐振频率，f1，f2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。

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tanδ可由下列关系式表示： 

其中：ε’和ε’’分别表示ε的实部和虚部。 

选择TE10n，(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2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V0，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：

式中：f0,fs分别为谐振腔放人样品前后的谐振频率，Δ (1／QL)为样品放人前后谐振腔的有载品质因数的倒数的变化，即 

QL0，QLS分别为放人样品前后的谐振腔有载品质因数。 

三、 实验装置 

1. 微波信号源需工作在最佳等幅、扫描状态。 

2. 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)。 

3. 检波指示器用来测量反射式谐振腔的输出功率，量程0～100μA。 4. 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。 

5. 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。 

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 

四、 实验内容 

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。 

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．测量空腔的有载品质因数，注意： f1， f2与f0的差别很小，约0．003GHz。 

6．加载样品，重新寻找其谐振频率，测量其品质因数。 

7．测量介质棒及谐振腔的体积。 

8．计算介质棒的介电常数和介电损耗角正切。

五、实验数据与分析

ε=δ= -0.010

六、思考题 

1.如何判断谐振腔是否谐振？ 

    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，可以用示波器观察出谐振时的驻波。若有，则发生了谐振。      

2.本实验中，谐振腔谐振时，为什么“必须是奇数”？ 

因为谐振腔发生谐振时，腔长必须是半个波导波长的整数倍，此时，电磁波才能在腔内连续反射，产生驻波。n是半个波导波长的倍数，n是奇数时才满足条件。     

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。

实验一 天线的特性和测量

一、实验目的

1.了解天线的发射和接收信号的基本工作原理； 

2.认识和了解测量天线接受强度的基本装置； 

3.了解天线的接受强度和接收天线与发射天线之间夹角的关系；

4.了解喇叭天线的方向图特性； 

5.掌握天线方向图的测试方法。

二、天线工作原理

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介中传播的电磁波，或者进行相反的变换。天线特性测量实验，将通过控制接收天线和发射天线之间夹角而改变和测量接收天线接收信号的强弱，掌握天线的接受强度和接收天线与发射天线之间夹角的关系。 

1）辐射效率ηr

辐射效率ηr定义为： 

式中，Pr为天线辐射出的功率，单位为W；Pi为馈入天线的功率，单位为W。

2）辐射方向图

用极坐标图来表示天线的辐射场强度与辐射功率的分布，天线的方向图是表征天线辐射时电磁波能量(或场强)在空间各点的分布情况。天线方向图能直观地反映出天线辐射能量集中程度、方向图越尖锐，表示辐射能量越集中，相反则越分散

1.方向图主瓣宽度  通常图形方向图有多个叶瓣，其中最大辐射方向是叶瓣，称主瓣，其余称为旁瓣。在方向图中，主瓣信息使我们最关心的

2.方向图主瓣零点角

方向图零点角是指主瓣两侧零辐射方向之间的夹角，用2θ0来表示

3.方向图旁瓣电平  旁瓣：在主辐射波瓣旁，还有许多旁瓣，其中HPBW为半功率波束宽度，辐射最大功率下降3dB时的角度；FNBW为第一零点波束宽度；SLL为旁瓣高度，辐射最大功率与最大旁瓣的差。 

4.方向图旁瓣功率电平 

5.方向系数D  

在同一距离及相同辐射条件下，某一天线最大辐射方向上辐射功率密度Smax5.方向系数D  在同一距离及相同辐射条件下，某一天线最大辐射方向上辐射功率密度S0之比，用D来表示

可见，方向性越尖锐的天线D越大，相反则D越小；若D=1，则表示为无方向性天线，是一个理想点源辐射场。

3）天线增益G

定义为 

其中，Pr为被测天线距离R处所接收到的功率密度，单位为W/ ㎡;Pr为全向天线距离R处所接收到的功率密度，单位为W/ ㎡。增益为G的天线距离R处的功率密度应为接收功率密度，即： 

4）天线输入阻抗Zin定义为

其中，U为在馈入点上的射频电压，I为在馈入点上的射频电流

三、天线方向图的测试内容与步骤

测量的方法有两种：  

1.固定天线法：北侧的天线不动，以它为圆心在等圆周上测得场强的方式； 

2.旋转天线法：标准天线不动为发射天线，而待测天线为接受天线，而自身旋转一周所测的方向图。演示实验采用的是旋转天线的方法。 

测量步骤如下： 

旋转天线法：可动天线每改变一个角度(大约为1°)记录下来一个数值(检波器或小功率计指示），改变一周即得到360度范围内的方向图

方向图的自动测量与手动测量原理相同，不同的是利用电子和计算机技术，实现了数据采集、处理和方向图绘制的自动化。

方向图的自动测量属于动态测量。测量时被测天线连续转动，并接受信号源通过喇叭天线发送的微波信号。接收信号送天线幅度信号采集电路，经变换放大及A/D转换后送给微机。这样就可以得到测量范围内，每一位置的幅度信号电平，根据这组数据，微机就可以进行数据处理并由输出装置输出计算结果。

四、方向图测试实验数据

（1）微波天线方向图测试报告

测试日期 : 2016-04-11  20:20

测试人 : XXX

测试内容  : 3G 4单元板状-1920-E-1

极化方式  : 水平极化 

旁瓣宽度--- 频谱1

-3db : 21.88

-6db : 34.85

-10db : 50.21

-15db : 201.08

前后比 : 19.16

轴比0: 0.00

轴比1: 11.00

轴比2: 5.00

轴比3: 5.00

轴比4: 22.00

轴比5: 11.00

轴比6: 6.00

轴比7: 10.00

轴比8: 20.00

轴比9: 10.00

轴比10: 4.00

轴比11: 12.00

轴比12: 11.00

（2）微波天线方向图

（3）测试数据