实验二 微波测试实验Word文档下载推荐.docx
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实验中就是通过探测测量线中电磁场的分布达到测量微波的各种参数目的。
3、波导管
波导管是一种空心的、内壁十分光洁的金属导管或内敷金属的管子。
波导管用来传送超高频电磁波,通过它脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地,波导管内径的大小因所传输信号的波长而异,多用于厘米波及毫米波的无线电通讯、雷达、导航等无线电领域。
波导管的功率容量大,损耗小,特别适用于大功率微波系统,常见的有矩形波导和圆波导两种,本实验室用矩形波导管。
4、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。
实验中隔离器用于振荡器与负载之间,起隔离和单向传输作用。
5、可变衰减器
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,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
三实验内容与结果
实验1:
微波频率与波长测量实验
1、实验目的
1)学会调节E-H面阻抗调配器、晶体检波器、测量线等,使系统处于最佳状态——谐振输出最大状态;
2)掌握微波频率与波长的测量原理和方法。
2、实验原理
1)用PX16频率计测量微波频率
系统中的PX16频率计为吸收式频率计,其结构如下图所示:
图1吸收式频率计结构
频率计由传输波导与圆柱形谐振腔构成,连接处用长方形孔作耦合。
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,从刻度套筒可直接读出输入微波谐振频率。
2)用测量线测量波导波长
波导波长是指在波导管中传播的合成波的两个相邻波峰或波谷之间的距离,它在数值上等于相邻两个驻波极值点(波腹或波节)距离的两倍。
由于场强在极大值点附近变化缓慢,峰顶位置不易确定,而且探针位于波节点处对场分布的影响最小,所以实际采用测定驻波极小点的位置来求出波导波长。
如下图所示,为提高测量精度,通常采用交叉读数法确定波节点的位置,即在波节点附近找出指示器上输出幅度相等的两点的坐标,取这两点坐标的平均值作为波节点的坐标。
图2波导波长测量图3波节点附近场的分布
图中,
为波导波长,
为驻波节点相邻两旁的等指示值,
为等指示度之间的距离。
根据波导波长的定义,有:
化简得:
波节点附近输出幅度相等的两点坐标的测量精度对测量结果影响很大,因此必须用高精度的探针位置指示装置(如千分表)进行读数。
3)用可变短路器测量波导波长
实验原理基本与2)相同,但波节点附近输出幅度相等的两点坐标的测量是通过可变短路器实现的。
3、实验步骤
1)如下图所示连接好实验仪器,其中三厘米测量线后面接匹配负载。
首先将信号源的工作状态选定为“方波”,并将频率调节到10GHz;
然后将三厘米测量线连接到YS3892选频放大器,通过调整E、H阻抗调配器,使得选频放大器的示数最大;
再将晶体检波器连接到YS3892选频放大器,将频率计的示数调节到远离10GHz的位置,通过调整晶体检波器,使得选频放大器的示数最大。
调节完成后,整个系统将处于最佳状态,即谐振输出最大状态。
实验过程中一定要将频率计的示数调节到远离10GHz的位置,这是为了避免在调节谐振输出的过程中微波信号被频率计吸收掉。
图4实验系统连接图
2)测量微波频率的实验连接图主要是图4的上面部分,即如下图所示的部分:
图5微波频率测量连接图
将吸收式功率计的示数调整到10GHz附近,慢慢旋动频率计,直到选频放大器上显示的输出幅度有明显降低,在降低到最低的频率时,就是所测信号源的频率。
由于频率计的测量精度小于0.3%,所以测量的精度是很高的。
3)测量波导波长的实验连接图主要是图4的下面部分,即如下图所示的部分:
图6波导波长测量连接图
将TC26A测量线连接到YS3892选频放大器,移动测量线探针,同时适当调整放大器的增益避免在最大输出位置时使选频放大器的表头指针打表。
来回移动测量线的探针,找出驻波最小点附近的两个具有相同幅度的位置d1和d2,然后取其平均值,即为所需的最小点位置D1,用相同的方法找出相邻的最小点D2。
相邻两个最小点的距离即为半个波导波长。
4)同样可以用可变短路器找出最小位置D1和D2,寻找方法同上。
需要注意的是,不可以同时对测量线和可变短路器进行调节,在调节其中一个的时候,必须保证另一个不变,否则不方便读数。
4、实验结果及分析
1)用吸收式频率计测得的微波频率为:
2)用测量线测得的波节附近幅度相同的位置为:
第一个波节附近:
第二个波节附近:
根据波导波长的计算公式有:
3)用可变短路器测得的波节附近幅度相同的位置为:
4)结果分析:
用测量线和用可变短路器测量求出的波导波长相差很小,说明实验结果是准确可靠的。
为了使实验结果更加精确,可以将这两种方法得到的波导波长取平均值,得到波导波长
。
实验2:
电压驻波比与相位常数测量实验
1)学会驻波测量线的正确使用;
2)掌握中电压驻波系数的测量原理和方法;
3)了解大、小电压驻波系数的测量原理。
1)电压驻波比测量
电压驻波比是波导中电场最大值与最小值之比,即
电压驻波比的测量方法有未调制的频率法和调制的频率法,我们采用调制的频率法进行测量。
测量连接图如下所示:
图7电压驻波比测量连接图
根据电压驻波比的大小,我们将电压驻波比分为小驻波比、中驻波比和大驻波比,它们各自对应一种测量方法。
(1)小驻波比的测量
被称为小驻波比。
此时驻波的最大值和最小值相差不大,且不尖锐,不容易测准。
为了提高精确度,可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据,然后取平均值再进行计算。
若驻波波腹点和节点处读数分别为
、
,则电压驻波系数为:
(2)中驻波比的测量
被称为中驻波比。
此时只需要测一个驻波波腹和一个驻波波节,即直接读出
(3)大驻波比的测量
被称为大驻波比。
如果直接测量驻波的最大值,就会引入误差,驻波的最大值超出了指示器量程。
此时可以采用“双倍最小值法”来测量假定晶体工作在平方率建波,则只须读出读数为最小点二倍的两点间距离d及波导波长
,便可以由以下公式计算出驻波比:
当
时,d很小,有
本实验只需要测量中驻波比。
2)相位常数测量
对行波来说,传播系数表示某一入射波或反射波沿传输线行进时相位的改变和振幅的相对变化。
它的定义是
,其中
为相位常数。
在矩形波导中,
因此,只需要知道波导波长
,就可以计算出相位常数
1)将TC6A测量线连接到YS3892选频放大器,移动测量线探针,适当调整放大器的增益避免在最大输出位置时使选频放大器的表头指针打表。
此后保持选频放大器的增益不变,移动测量线的探针,找出驻波的波节点和波腹点,并读取选频放大器上的示数。
根据公式可以计算出驻波比。
2)我们也可以利用选频放大器上的驻波比刻度线来进行测量。
具体操作是:
移动测量线探针,找到驻波的波腹点,通过调节选频放大器的增益,使波腹点处的示数满偏;
保持增益不变,移动测量线探针,在找到驻波的波节点,此时可以直接通过选频放大器上的驻波比刻度线读出驻波比。
1)利用公式求驻波比
电压的波腹点处,选频放大器读数为:
电压的波节点处,选频放大器读数为:
取
根据公式计算出驻波比为:
2)直接读取驻波比
直接通过选频放大器上的驻波比刻度线读出驻波比为:
3)相位常数的计算
将实验一测得的波导波长数据带入公式,可以计算出相位常数:
4)实验分析
利用公式求出的驻波比和直接从选频放大器读出的驻波比基本相同,说明实验结果是准确可靠的。
为了使实验结果更加精确,可以将这两种方法得到的驻波比取平均值,得到驻波比为:
实验3:
功率与衰减测量实验
1)了解衰减器的原理及基本测量方法;
2)学会用GX2C-1功率计测量衰减器的衰减量。
1)衰减的定义
在传输线的工作中,某一指定器件的介入损失一般也同样随着信号源和负载的阻抗而改变,对于部件的衰减可规定为在两个方向都匹配的传输线中的插入时的介质损失,通常称为插入损耗。
这样规定的衰减和介入损失,包含被测件中有耗材料吸收功率而引起的损耗和在其两端失配而反射功率所引起的损耗,前者为损害性衰减,后者为反射性衰减。
衰减的定义为:
式中,A是衰减或介入2损耗,P1是在线路中未加入指定器件时负载所吸收的功率,P2是在信号源和负载之间加入指定器件时负载所吸收的功率。
衰减的测量方法有两种,分别是功率比法和替代法。
2)用功率比法测量衰减
直接利用公式
对衰减量进行测量,只要用功率计测出未加入指定器件时负载所吸收的功率P1和加入指定器件时负载所吸收的功率P2,就可以带入该公式计算出衰减量A。
3)用替代法测量衰减
利用公式
对衰减量进行测量。
具体操作为:
(1)测量所用的信号源输出频率不变,功率输出幅度不变,按下图接好测量系统。
图8替代法测量衰减连接图
(2)先不接被测件,将TS7精密衰减器调到衰减较大的位置
,改变YS3892选频增益,使之有较大的指示,并确定一指示值记下TS7精密衰减器的读数,并查表得到
的
数。
(3)接上被测件,将TS7精密衰减器的衰减调小,调到原定的YS3892选频的指示值。
需要注意,两次转动TS7的衰减调节旋钮方向要一致,要消除机械回差所引起的误差,再一次记下TS7精密衰减器的读数,查表得到
(4)根据公式
即可计算出被测件衰减量。
我们采用功率比法测量衰减,具体的实验步骤如下:
(1)按下图接好测量系统。
由于我们测量衰减的对象就是可变衰减器本身,所以图中的被测件不需要加上。
图9功率比法测量衰减连接图
(2)调整可变衰减器的示数,分别测出可变衰减器的示数分别是2、4、6、8、10时功率计显示的输出功率P2。
(3)将可变衰减器去掉,用功率计测出可变衰减器的输入功率P1。
(4)根据
即可计算出可变衰减器的衰减量。
实验结果如下表所示:
输入功率
1510
可变衰减器示数
2
4
6
8
10
输出功率
1230
658
150
15.2
0.70
衰减量
0.8907
3.6075
10.0289
19.9713
33.3388
实验4:
定向耦合器和隔离器测量实验
1)理解定向耦合器的工作原理;
2)了解定向耦合器的耦合度和方向性的概念;
3)掌握对波导定向耦合器辅线的耦合度。
1)定向耦合器
定向耦合器在微波工程中有着广泛的应用,如可用来监视功率、频率和频谱,测量传输系统和元器件的反射系数、插入损耗,还可以用作衰减器、功率分配器等。
定向耦合器的主线是一段传输线,带着可“取样”的功率辅线也是一段传输线,它在向前方向上带着功率“试样”,在辅线输出端的对面末端接有终端,用以吸收在反向或在不需方向上行进的功率,并防止其被反射至输出端,其表示法如下图所示。
图10定向耦合器表示法
本实验中使用的是波导定向耦合器,就是主线、辅线皆为矩形波导的定向耦合器。
波导定向耦合器大都通过主、副波导公共壁上的耦合孔(或槽、缝)进行耦合。
主波导中的场通过耦合孔(或槽、缝)进行耦合,并在副波导中激励起主模场。
波导定向耦合器一般可按耦合孔的规格分为单孔、双孔、多孔定向耦合器、十字形孔耦合器以及裂缝电桥等。
定向耦合器有三个技术指标:
耦合度
、方向性
和驻波
2)耦合度
耦合度是主线输入端的输入功率和辅线输出端的输出功率之比,由于功率流入主线的输入端,常用正的分贝数表示耦合度
3)方向性
方向性是定向耦合器对于主线两个方向上行动的波的鉴别力的量度,当把一定量的功率顺序地输入主线的每一端时,在i辅线输出端所测得两输出功率之比,称为定向耦合器的方向性,而在这测量中,定向耦合器的不用端都接有匹配负载,方向性
用
的分贝表示。
本实验需要测量波导定向耦合器的耦合度,具体的步骤如下:
1)按下图连接实验仪器。
图11耦合度测量连接图
2)调整YS1123信号源的输出频率和输出电平。
3)由于定向耦合器的主线损耗很小,可以认定为
将辅线上的功率读数和主线上的功率读数计算一下,即可算出耦合度
的值。
耦合度的计算公式为:
1)耦合度计算
主线输入端的输入功率为:
辅线输出端的输出功率为:
根据耦合度的计算公式,定向耦合器的耦合度为:
2)结果分析
由耦合度的定义可见,耦合度的分贝数越大,耦合越弱。
通常来说,我们把耦合度为0~10dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器,把耦合度为10~20dB的定向耦合器称为中耦合定向耦合器,把耦合度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。
根据这个分类标准,本实验测量的定向耦合器的耦合度为24.474dB>
20dB,所以该定向耦合器为弱耦合定向耦合器。
四实验总结
通过本次实验,我了解了微波在规则波导内传播的基本特点,熟悉了各种常用元器件及仪器的结构原理和使用方法,并掌握了频率、驻波比、功率这些微波系统中的基本参量的测量原理和方法。
在这次实验中,我还有两点体会:
一是任何微波系统在进行实验前都应该对阻抗进行调整,使系统处于最佳状态,即谐振输出最大状态;
二是当实验需要测量最值时,如果最值不好进行测量,可以采用“平均法”,找出最值附近具有相同幅度的两个点的位置,然后取其平均值,即为所需最值位置。
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