第2章 微波测量技术实验 ●● 微波(microwave)是一种波长较短的电磁波，频率范围为300MHz~300GHz,对应 波长范围为1m~1mm。微波波段还可细分为分米波（波长为1m~10cm)、厘米波（波 长为10cm~1cm)和毫米波（波长为1cm~1mm)。波长在1mm以下至红外线之间的 电磁波称为亚毫米波或超微波，这是一个正在开发的太赫兹(terahertz,THz)波段。 微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，不仅在雷达、通信、导航、电子对抗 空间技术、工农业生产的各个方面有着广泛的应用，而且在高能粒子加速器、受控热核反 应、射电天文、气象观测、分子生物学、等离子体、遥感技术等当代尖端科学研究中也是一 种重要手段。微波测量技术(microwave measurement technique))作为微波技术的实验部 分，在科学研究和工程实际中具有重要作用。例如：微波加速器可用来研究原子和分子结 构，微波衍射仪可用来研究晶体结构，微波波谱仪可用来测定物质的许多基本物理量，微 波谐振腔可用来测量物质的介电常数和介电损耗，等等。因此，微波测量技术已成为重要 的近代物理实验技术。 微波测量技术实验的基本目的包含“学微波”和“用微波”两个方面：①学习微波基础 知识和掌握微波基本测量技术；②学习用微波作为观测手段或处理方法来研究物理现象 的基本原理和实验方法。通过一系列实验了解微波信号(microwave signal)的产生特点、 工作状态及传输特性，以及常用微波器件(microwave devices)的基本性能和使用方法：掌 握微波传输与测量系统的基本组成和调试技术，频率、功率及驻波比等基本参数的测量方 法和技术，以及微波传输系统的阻抗测量和匹配技术：学会微波网络特性参数和微波天线 基本特性参数的测量方法和技术，以及介质材料电磁特性参数的微波测量方法和技术。 本章共包括5个实验项目，分别为微波测量系统调试与频率测量、微波晶体检波律测 定与驻波比测量、二端口微波网络散射参量测量、微波天线方向图与极化特性测量、复介 电常数的微波测量，各实验项目都设计了基础性实验内容和设计性实验内容，后者主要结 合了石油或能源应用特色。 实验2-1微波测量系统调试与频率测量 在微波波段因工作频率的升高使普通导线的趋肤效应和辐射效应增大，传输微波能 44
— ４４ — 微波(microwave)是一种波长较短的电磁波,频率范围为３００ MHz~３００GHz,对应 波长范围为１m~１mm.微波波段还可细分为分米波(波长为１m~１０cm)、厘米波(波 长为１０cm~１cm)和毫米波(波长为１cm~１mm).波长在１mm 以下至红外线之间的 电磁波称为亚毫米波或超微波,这是一个正在开发的太赫兹(terahertz,THz)波段. 微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术,不仅在雷达、通信、导航、电子对抗、 空间技术、工农业生产的各个方面有着广泛的应用,而且在高能粒子加速器、受控热核反 应、射电天文、气象观测、分子生物学、等离子体、遥感技术等当代尖端科学研究中也是一 种重要手段.微波测量技术(microwavemeasurementtechnique)作为微波技术的实验部 分,在科学研究和工程实际中具有重要作用.例如:微波加速器可用来研究原子和分子结 构,微波衍射仪可用来研究晶体结构,微波波谱仪可用来测定物质的许多基本物理量,微 波谐振腔可用来测量物质的介电常数和介电损耗,等等.因此,微波测量技术已成为重要 的近代物理实验技术. 微波测量技术实验的基本目的包含“学微波”和“用微波”两个方面:① 学习微波基础 知识和掌握微波基本测量技术;② 学习用微波作为观测手段或处理方法来研究物理现象 的基本原理和实验方法.通过一系列实验了解微波信号(microwavesignal)的产生特点、 工作状态及传输特性,以及常用微波器件(microwavedevices)的基本性能和使用方法;掌 握微波传输与测量系统的基本组成和调试技术,频率、功率及驻波比等基本参数的测量方 法和技术,以及微波传输系统的阻抗测量和匹配技术;学会微波网络特性参数和微波天线 基本特性参数的测量方法和技术,以及介质材料电磁特性参数的微波测量方法和技术. 本章共包括５个实验项目,分别为微波测量系统调试与频率测量、微波晶体检波律测 定与驻波比测量、二端口微波网络散射参量测量、微波天线方向图与极化特性测量、复介 电常数的微波测量,各实验项目都设计了基础性实验内容和设计性实验内容,后者主要结 合了石油或能源应用特色. 实验２Ｇ１ 微波测量系统调试与频率测量 在微波波段因工作频率的升高使普通导线的趋肤效应和辐射效应增大,传输微波能
微波测量技术实验第2章 量必须改用微波传输线，因此微波测量系统的原理和结构与普通电路测量系统的均不同 微波测量系统的调试是实现微波测量的基础，主要包括微波信号源，波导测量线和阻抗匹 配等方面的调整，日的是使测量系统法到最伴工作状态。通时本实验，在理解微波传播特 性的基础上重点学习微波测量系统的基本组成和常用微波器件，掌握微波测量系统的调 试方法和技术。 【实验目的】 ()了解微波信号源的工作原理及工作特性，熟悉微波测量系统的基本组成和常用 微波器件，学会微波测量系统的调试方法和技术。 (2)了解波导测量线的基本结构和原理，学会正确使用波导测量线。 (3)理解微波在波导中传播的特点，观测不同工作状态下波导中的电场分布。 (④)理解谐振法测量微波频率的基本原理，学会用谐振腔波长表测量频率和波长。 (5)理解波导波长测量的基本原理，掌握用波导测量线来测量波长和频率。 【预习要求】 (1)矩形波导中传播的微波有哪些特点？ (2)微波则量系统主要由那几部分组成？各部分有什么作用？ (3)测量微波频率有哪些基本方法？各怎样观测？ (4)仔细阅读使用说明书，学会微波信号源、各微波器件和选频放大器的基本使用方 法，了解使用注意事项。 【实验原理】 一、波导中微波的传播特性 1.导行电磁波的基本概念 由导波系统所引导，沿一定方向传播的电磁波称为导行电磁波（导行波）。电场E和 磁场H是空间坐标xy,之三个方向函数的导行波，若传播方向为方向即纵向，x和y 方向为横向，则电磁场纵向分量为E:,H,横向分量为E,E,H,H,。传播的导行波 一般可分为横申磁波、横申波和横磁波三种波型 ()横电磁波(TEM波，transverse electromagnetic wave,TEM wave) TEM波的电场E和磁场H均无纵向分量，即E。=O,H,=O。电场E和磁场H都 是纯横向的。TEM波沿传播方向的分量为零，无法在波导中传播。 (2)横电波(TE波，transverse electric wave,.TE wave)。 TE波也称为磁波(H波)，其特征是E=O,而H.≠O,即电场E是纯横向的，而磁 场H具有纵向分量。 (3)横磁波(TM波，transverse magnetic wave,TM wave) TM波也称为电波(E波)，其特征是H:=0,而E:≠0，即磁场H是纯横向的，而电 场E具有纵向分量。 TE波和TM波均为色散波(dispersive wave),TE波和TM波均能在矩形波导中 传插，m表示电场或磁场在x方向半周变化的次数，n表示电场或磁场在y方向半周变化 的次数。 45
— ４５ — 量必须改用微波传输线,因此微波测量系统的原理和结构与普通电路测量系统的均不同. 微波测量系统的调试是实现微波测量的基础,主要包括微波信号源、波导测量线和阻抗匹 配等方面的调整,目的是使测量系统达到最佳工作状态.通过本实验,在理解微波传播特 性的基础上重点学习微波测量系统的基本组成和常用微波器件,掌握微波测量系统的调 试方法和技术. 【实验目的】 (１)了解微波信号源的工作原理及工作特性,熟悉微波测量系统的基本组成和常用 微波器件,学会微波测量系统的调试方法和技术. (２)了解波导测量线的基本结构和原理,学会正确使用波导测量线. (３)理解微波在波导中传播的特点,观测不同工作状态下波导中的电场分布. (４)理解谐振法测量微波频率的基本原理,学会用谐振腔波长表测量频率和波长. (５)理解波导波长测量的基本原理,掌握用波导测量线来测量波长和频率. 【预习要求】 (１)矩形波导中传播的微波有哪些特点? (２)微波测量系统主要由哪几部分组成? 各部分有什么作用? (３)测量微波频率有哪些基本方法? 各怎样观测? (４)仔细阅读使用说明书,学会微波信号源、各微波器件和选频放大器的基本使用方 法,了解使用注意事项. 【实验原理】 一、波导中微波的传播特性 １．导行电磁波的基本概念 由导波系统所引导,沿一定方向传播的电磁波称为导行电磁波(导行波).电场E 和 磁场H 是空间坐标x,y,z 三个方向函数的导行波,若传播方向为z 方向即纵向,x 和y 方向为横向,则电磁场纵向分量为Ez,Hz,横向分量为Ex,Ey,Hx,Hy.传播的导行波 一般可分为横电磁波、横电波和横磁波三种波型. (１)横电磁波(TEM 波,transverseelectromagneticwave,TEM wave). TEM 波的电场E 和磁场H 均无纵向分量,即Ez ＝０,Hz ＝０.电场E 和磁场H 都 是纯横向的.TEM 波沿传播方向的分量为零,无法在波导中传播. (２)横电波(TE波,transverseelectricwave,TEwave). TE波也称为磁波(H 波),其特征是Ez ＝０,而 Hz ≠０,即电场E 是纯横向的,而磁 场 H 具有纵向分量. (３)横磁波(TM 波,transversemagneticwave,TM wave). TM 波也称为电波(E波),其特征是 Hz ＝０,而Ez ≠０,即磁场 H 是纯横向的,而电 场E 具有纵向分量. TE波和 TM 波均为色散波(dispersivewave),TEmn波和 TMmn 波均能在矩形波导中 传播,m 表示电场或磁场在x 方向半周变化的次数,n 表示电场或磁场在y 方向半周变化 的次数
物理实验教程一近代物理实险. 2.无限长波导中微波的传特性 为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响，需采用微波传输线传播微波。常用的 微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线以及金属波导管、介质波导等。引导微波 传播的空心金属管称为波导管，简称波导。电磁波在波导内有限空间中的传播与在自由 空间中的传播不同。在波导中不能传播TEM波，波导中所传插的电磁波必定存在电磁 场的传播方向分量。波导中波型的场结构是分析和研究波导中各种间题及设计波导器件 的基础。 在实际应用中，一般把波导设计成只能传 播单一波型的微波。最常使用的标准矩形波导 (rectangular waveguide)中只能传播TE,。波，即 H。波(m一1，n=0)。下面以TEo波为例，具体 分析这种波型的电磁场结构。 如图2-1-1所示，设矩形波导横截面积为α X,波导壁为理想导体，则由麦克斯韦方程组 图2-1-1矩形波导示意图 和边界条件可推导出矩形波导中沿：方向传插 的TE。波的各场分量为： E,-jg共H,in(）e H,=-ip2H,sin(）e-w (2-1-1) H:=Hcos(）e E.=E.=H=0 式中，H。为磁场纵向分量的幅值：为复数的虚数单位：为时间：m为输入管内电磁波的 角频率，w=B/√E::和e分别为管内介质（一般为空气）的磁导率和介电常数：B为相 位常数，B=2x/a.:a:为波导波长(waveguide wavelength)。 (2-1-2) +爱 式中，A。-2a称为波导截止波长：入为自由空间波长 (l)减止波长(cut-off wavelength)。 在波导中传播的电磁波存在截止波长入.=2，只有波长1入，光速c-入f,相速度=入f,因此电磁波在波导中传播的剂 速度大于光速。这里的相速度只是相位变化的速度，并不是波导中电磁波能量的传播速 46
— ４６ — ２．无限长波导中微波的传播特性 为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响,需采用微波传输线传播微波.常用的 微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线以及金属波导管、介质波导等.引导微波 传播的空心金属管称为波导管,简称波导.电磁波在波导内有限空间中的传播与在自由 空间中的传播不同.在波导中不能传播 TEM 波,波导中所传播的电磁波必定存在电磁 场的传播方向分量.波导中波型的场结构是分析和研究波导中各种问题及设计波导器件 的基础. 图２Ｇ１Ｇ１ 矩形波导示意图 在实际应用中,一般把波导设计成只能传 播单一波型的微波.最常使用的标准矩形波导 (rectangularwaveguide)中只能传播 TE１０波,即 H１０波(m＝１,n＝０).下面以 TE１０波为例,具体 分析这种波型的电磁场结构. 如图２Ｇ１Ｇ１所示,设矩形波导横截面积为a ×b,波导壁为理想导体,则由麦克斯韦方程组 和边界条件可推导出矩形波导中沿z 方向传播 的 TE１０波的各场分量为: Ey ＝jwμ a π H０sin( πx a )ej(ωt－βz) Hx ＝－jβ a π H０sin( πx a )ej(ωt－βz) Hz ＝H０cos( πx a )ej(ωt－βz) Ex ＝Ez ＝Hy ＝０ ì î í ï ï ï ï ï ï ïï (２Ｇ１Ｇ１) 式中,H０ 为磁场纵向分量的幅值;j为复数的虚数单位;t为时间;ω 为输入管内电磁波的 角频率,ω ＝β/ με;μ 和ε 分别为管内介质(一般为空气)的磁导率和介电常数;β 为相 位常数,β＝２π/λg;λg 为波导波长(waveguidewavelength). λg ＝ λ １－ ( λ λc ) ２ λ＝ λg １＋ ( λg λc ) ２ ì î í ï ï ï ï (２Ｇ１Ｇ２) 式中,λc ＝２a 称为波导截止波长;λ 为自由空间波长. (１)截止波长(cutＧoffwavelength). 在波导中传播的电磁波存在截止波长λc＝２a,只有波长λ＜λc 的电磁波才能在矩形 波导中传播. (２)波导波长、相速度和群速度. 由于波导波长λg ＞λ,光速c＝λf,相速度vg＝λgf,因此电磁波在波导中传播的相 速度大于光速.这里的相速度只是相位变化的速度,并不是波导中电磁波能量的传播速
微波测量技术实验第2章 度（群速度u)。vg,u和c的关系为 Vau-c2 (2-1-3) 从式(2-1-3)可以看出，群速度4小于光速c。 (3)电磁场结构。 TE波的电磁场结构即电磁场振幅随x和y的分布如图2-1-2所示。TE波中电场 E只有E,分量，垂直于波导宽壁(x:平面)：磁场H有H,及H.分量，在平行于波导宽 壁的平面内。沿之方向E,和Hz的分布、变化规律相同，在E,最大处H也最大，在E 为零处H,也为零。在xy平面上，沿x方向E,和H,皆呈正弦分布，在x=0和x=a处 截 纵截 (a)TE,波电场结构图 (6)T正波感场结制图 /2 (e)TE波电磁场构总图 图21-2TE波的电磁场结构 47-
— ４７ — 度(群速度u ).vg,u 和c的关系为: vgu＝c２ (２Ｇ１Ｇ３) 从式(２Ｇ１Ｇ３)可以看出,群速度u 小于光速c. (３)电磁场结构. TE１０波的电磁场结构即电磁场振幅随x 和y 的分布如图２Ｇ１Ｇ２所示.TE１０波中电场 E 只有Ey 分量,垂直于波导宽壁(xz 平面);磁场 H 有 Hx 及 Hz 分量,在平行于波导宽 壁的平面内.沿z 方向Ey 和Hx 的分布、变化规律相同,在Ey 最大处Hx 也最大,在Ey 图２Ｇ１Ｇ２ TE１０波的电磁场结构 为零处Hx 也为零.在xy 平面上,沿x 方向Ey 和Hx 皆呈正弦分布,在x＝０和x＝a处
物理实验教程一代物理实险 naO 为零，在x=a/2处最大：H.呈余弦分布，在x=0和x=a处最大，在x=a/2处为零。 可见，电磁场在波导宽边(x方向)上形成一驻波半波。而沿y方向E,H:和H,均无变 化，表示电磁场沿y方向是均匀分布的。符号TE。下标中的“1”表示电磁场在宽边上有 一个半波的变化，而“0”表示在窄边(y方向)上均匀分布。因此，TE。波电磁场的特点可 归结为：只存在E,H,和H,三个分量：E,和H,均呈正弦分布，H呈余弦分布。因而 E,与H.同相，并与H:反相。 在图2-1-2所示的矩形波导内TE。波电磁场结构中，电场线和磁场线的分布将随着 时间的延长以一定速度沿：方向在波导中向前移动。 (4)TE。波的物理图像。 如图2-1-3所示，矩形波导中TE。波的物理图像为：一个以入射角中射向波导窄壁 (y:平面)的平面电磁波，经过窄壁的往复反射后，由入射波和反射波叠加而成TE波。 因此，沿波导轴向传播的相速度。白然要比倾斜入射的平面波传播速度©大。 -d- 图21-3电磁波在波导中的传播 3。有限长波导中微波的传特性 上面讨论的是在均匀、无限长波导中TE。波只有沿：方向传播的波，没有反射波。 如果波导不是均匀和无限长的，则在波导中存在入射波(incident wave)和反射波 (reflected wave.),二者互相干步使波导中的电磁场形成驻波(standing wave)。在电场驻 波的腹点和节点上所出现的电场极大值和极小值分别等于人射波电场E,和反射波电场 E,的模数之和与差，即 (Em =E+IE.I E.-IE.I-IE,I (2-1-4) 反射系数(reflection coefficient)与驻波比(standing-wave radio,.SWR)是描述波导中 匹配和反射程度的物理量，也是描述驻波性质的物理量。反射系数下定义为： r-rle (2-1-5) 式中，9为E:和E.的相位差。 驻波比p定义为： 48
— ４８ — 为零,在x ＝a/２处最大;Hz 呈余弦分布,在x ＝０和x ＝a 处最大,在x ＝a/２处为零. 可见,电磁场在波导宽边(x 方向)上形成一驻波半波.而沿y 方向Ey,Hz 和Hx 均无变 化,表示电磁场沿y 方向是均匀分布的.符号 TE１０下标中的“１”表示电磁场在宽边上有 一个半波的变化,而“０”表示在窄边(y 方向)上均匀分布.因此,TE１０波电磁场的特点可 归结为:只存在Ey,Hx 和Hz 三个分量;Ey 和Hx 均呈正弦分布,Hz 呈余弦分布.因而 Ey 与Hx 同相,并与 Hz 反相. 在图２Ｇ１Ｇ２所示的矩形波导内 TE１０波电磁场结构中,电场线和磁场线的分布将随着 时间的延长以一定速度沿z 方向在波导中向前移动. (４)TE１０波的物理图像. 如图２Ｇ１Ｇ３所示,矩形波导中 TE１０波的物理图像为:一个以入射角ϕ 射向波导窄壁 (yz 平面)的平面电磁波,经过窄壁的往复反射后,由入射波和反射波叠加而成 TE１０波. 因此,沿波导轴向传播的相速度vg 自然要比倾斜入射的平面波传播速度c大. 图２Ｇ１Ｇ３ 电磁波在波导中的传播 ３．有限长波导中微波的传播特性 上面讨论的是在均匀、无限长波导中 TE１０ 波只有沿z 方向传播的波,没有反射波. 如果波导 不 是 均 匀 和 无 限 长 的,则 在 波 导 中 存 在 入 射 波 (incidentwave)和 反 射 波 (reflectedwave),二者互相干涉使波导中的电磁场形成驻波(standingwave).在电场驻 波的腹点和节点上所出现的电场极大值和极小值分别等于入射波电场Ei 和反射波电场 Er 的模数之和与差,即 Emax ＝|Ei|＋|Er| Emin ＝|Ei|－|Er| (２Ｇ１Ｇ４) 反射系数(reflectioncoefficient)与驻波比(standingＧwaveradio,SWR)是描述波导中 匹配和反射程度的物理量,也是描述驻波性质的物理量.反射系数Γ 定义为: Γ＝ Er Ei ＝|Γ|ejφ (２Ｇ１Ｇ５) 式中,φ 为Ei 和Er 的相位差. 驻波比ρ定义为:
0 微波测量技术实验第2章 (2-1-6) T与p的关系为： 1+r (-i Iri-e-1 (2-1-7) 0+1 由于终端负载不同，波导中电磁场的分布也不同，可以把波导的工作状态归结为三 种一 一行波状态、驻波状态和混波状态。各工作状态下的电场分布如图21-4所示。 E (+IEI (a)行被状态 (b)驻波状态 图2-1-4波导中电场随距终端距离1变化的分布曲线 (1)行波状态。 当微波功率全部为终端负载所吸收时，波导中只有行波，这种状态称为行波状态，也 称为匹配状态，相应的负载称为匹配负载。在匹配状态，不存在反射波，电场E,=E, IrI=0,p=1. (2)驻波状态。 当波导终端接短路片、开路或接纯电抗性负载时波导中形成纯驻波，这种状态称为驻 波状态。在纯驻波状态，终端发生全反射，电场E=E,则有E=2E,E=0, lrl=1,p→o。 (3)混波状态。 在一般情况下，负载吸收部分入射波，产生部分反射波，于是有00。 二、微波测量系统 微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成。等效电源部分即微 波发送器，包括微波信号源、工作状态（频率、功率等）监视单元、隔离器等。测量装置部分 也称测量电路，包括波导测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等） 以及电磁能量检测器（如品体检波器、功率传感器等）。指示仪器是显示测量信号特性的 仪表，如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等。在对信号 频率和功率稳定度要求不太高的情况下，常用微波测量系统一般可简化为如图2-1-5所示 的几部分。 -49
— ４９ — ρ＝ Emax Emin (２Ｇ１Ｇ６) Γ 与ρ的关系为: ρ＝ １＋|Γ| １－|Γ| |Γ|＝ ρ－１ ρ＋１ (２Ｇ１Ｇ７) 由于终端负载不同,波导中电磁场的分布也不同,可以把波导的工作状态归结为三 种———行波状态、驻波状态和混波状态.各工作状态下的电场分布如图２Ｇ１Ｇ４所示. 图２Ｇ１Ｇ４ 波导中电场随距终端距离l变化的分布曲线 (１)行波状态. 当微波功率全部为终端负载所吸收时,波导中只有行波,这种状态称为行波状态,也 称为匹配状态,相应的负载称为匹配负载.在匹配状态,不存在反射波,电场|Ey|＝|Ei|, |Γ|＝０,ρ＝１. (２)驻波状态. 当波导终端接短路片、开路或接纯电抗性负载时波导中形成纯驻波,这种状态称为驻 波状态.在纯驻波状态,终端发生全反射,电场|Er|＝|Ei|,则有|E|max＝２|Ei|,|E|min＝０, |Γ|＝１,ρ → ¥. (３)混波状态. 在一般情况下,负载吸收部分入射波,产生部分反射波,于是有０＜|Γ|＜１,１＜ρ ＜ ¥.波导中传播的既不是行波,也不是纯驻波,而是一个行波和一个驻波的叠加,呈行驻 波状态,这种状态称为混波状态.在混波状态,终端发生部分反射,电场 |Er|＜|Ei|, Emax ＝|Ei|＋|Er|＜２|Ei|,Emin ＝|Ei|－|Er|＞０. 二、微波测量系统 微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成.等效电源部分即微 波发送器,包括微波信号源、工作状态(频率、功率等)监视单元、隔离器等.测量装置部分 也称测量电路,包括波导测量线、调配元件、待测元件、辅助器件(如短路器、匹配负载等) 以及电磁能量检测器(如晶体检波器、功率传感器等).指示仪器是显示测量信号特性的 仪表,如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等.在对信号 频率和功率稳定度要求不太高的情况下,常用微波测量系统一般可简化为如图２Ｇ１Ｇ５所示 的几部分
物理实验教程一近代物理实检 0 微波信号源 指示仪器 [指示仪器 隔离器一一督银驼波长表可变复诚器一一波导测量线待测元件一品体检波器 图？-1-5常用微波测量系统的组成 1.波导(waveguide) 波导是常用的微波传输线之一，常见的有矩形和圆柱形两种。实验中常使用3cm矩 形波导（波长3cm左右），基本参数为a=22.86mm,b=10.16mm。在波导中能够传播 的电磁波可分为两大类：一类为横电波(TE波)，磁场可有纵向和横向分量，但电场只有横 向分量：另一类为横磁波(TM波)，磁场只有横向分量，但电场可有纵向和横向分量。 2.谐振腔(resonant cavity) 在颗率处于微波频段时，电感、电容之类的集中参数已失去了意义，此时不能再用普 通的RLC谐振电路，而要采用由金属导体围成的，封闭的、有一定几何形状的空间作为微 波的谐振回路，即谐振腔。 金属波导谐振腔就是两端用金属板封闭的一段波导空腔，金属板上开有耦合孔。常 用的金属波导谐振腔有矩形谐振腔和圆柱形谐振腔两种。谐振腔与波导的耦合是在腔与 波导公共壁上开小孔（耦合孔）作为耦合元件。谐振腔中的波型与波导中的相似，也存在 TE波和TM波两种，由于在一段波导的：方向上被两个短路片短接，故在此方向上也形 成驻波。除以m和n分别表示在x和y方向上的半个驻波的数目外，还以p表示在：方 向上的半个驻波的数日。因此，用TE或TM,表示谐振腔中的波型. 3.衰减器(attenuator) 衰减器是一种用来衰诚微波功率的微波器件，也可作为微波信号源与负载间的去耦 元件。衰减器分为固定衰减器和可变衰减器两种。前者衰减量固定，后者衰减量在一定 范围内连续可调。固定衰减器常用于微波信号源的退耦或用作等效负载，而可变衰减器 常用于功率控制。 4.隔离器(isolator) 隔离器相当于一种不可逆的衰诚器，对微波具有单向吸收的特性。隔离器在正方向 (需要传输信号的方向)上的衰减量（插入损耗）很小，在0.1B左右：在反方向上的衰诚 量则很大，达几十分贝。两个方向上的衰减量之比为隔离度。在微波信号源后面加隔离 器可消除微波信号源和负载之间的有害耦合，既可保证信号的正常传输，又可消除反射波 对振荡器正常工作的影响，从而避免因负载变化使微波信号源的频率及输出功率发生变 化，在微波信号源和负载间起到隔离作用。在使用时一定要注意隔离器的方向性，输入口 和输出口不能接反。 5,定向耦合器(directional coupler) 定向耦合器是一种有方向性的耦合功率的微波器件。主波导中入射行波或反射行波 的部分功率可通过定向耦合器耦合至副波导，用来监视功率或频率变化等。 6.环行器(circulator 环行器是一种非互易的多端口器件。在微波测量技术中，常用环行器控制功率的流 50
— ５０ — 图２Ｇ１Ｇ５ 常用微波测量系统的组成 １．波导(waveguide) 波导是常用的微波传输线之一,常见的有矩形和圆柱形两种.实验中常使用３cm 矩 形波导(波长３cm 左右),基本参数为a＝２２．８６mm,b＝１０．１６mm.在波导中能够传播 的电磁波可分为两大类:一类为横电波(TE波),磁场可有纵向和横向分量,但电场只有横 向分量;另一类为横磁波(TM 波),磁场只有横向分量,但电场可有纵向和横向分量. ２．谐振腔(resonantcavity) 在频率处于微波频段时,电感、电容之类的集中参数已失去了意义,此时不能再用普 通的 RLC谐振电路,而要采用由金属导体围成的、封闭的、有一定几何形状的空间作为微 波的谐振回路,即谐振腔. 金属波导谐振腔就是两端用金属板封闭的一段波导空腔,金属板上开有耦合孔.常 用的金属波导谐振腔有矩形谐振腔和圆柱形谐振腔两种.谐振腔与波导的耦合是在腔与 波导公共壁上开小孔(耦合孔)作为耦合元件.谐振腔中的波型与波导中的相似,也存在 TE波和 TM 波两种,由于在一段波导的z 方向上被两个短路片短接,故在此方向上也形 成驻波.除以m 和n 分别表示在x 和y 方向上的半个驻波的数目外,还以p 表示在z 方 向上的半个驻波的数目.因此,用 TEmnp或 TMmnp表示谐振腔中的波型. ３．衰减器(attenuator) 衰减器是一种用来衰减微波功率的微波器件,也可作为微波信号源与负载间的去耦 元件.衰减器分为固定衰减器和可变衰减器两种.前者衰减量固定,后者衰减量在一定 范围内连续可调.固定衰减器常用于微波信号源的退耦或用作等效负载,而可变衰减器 常用于功率控制. ４．隔离器(isolator) 隔离器相当于一种不可逆的衰减器,对微波具有单向吸收的特性.隔离器在正方向 (需要传输信号的方向)上的衰减量(插入损耗)很小,在０．１dB 左右;在反方向上的衰减 量则很大,达几十分贝.两个方向上的衰减量之比为隔离度.在微波信号源后面加隔离 器可消除微波信号源和负载之间的有害耦合,既可保证信号的正常传输,又可消除反射波 对振荡器正常工作的影响,从而避免因负载变化使微波信号源的频率及输出功率发生变 化,在微波信号源和负载间起到隔离作用.在使用时一定要注意隔离器的方向性,输入口 和输出口不能接反. ５．定向耦合器(directionalcoupler) 定向耦合器是一种有方向性的耦合功率的微波器件.主波导中入射行波或反射行波 的部分功率可通过定向耦合器耦合至副波导,用来监视功率或频率变化等. ６．环行器(circulator) 环行器是一种非互易的多端口器件.在微波测量技术中,常用环行器控制功率的流
微波测量技术实验第2章 向。环行器的种类很多，功能各有差异。例如，波导三端口Y形环行器的功能为：从端口 1输入的功率全部从端口2输出，从端口2输入的功率全部从端口3输出，从端口3输入 的功率全部从端口1输出。 7.调配器(impedance tuner) 调配器是用来调节其后面的微波器件达到匹配的一种微波器件。通俗地讲，所谓匹 配就是使微波完全进人而一点也不反射回来。常用的调配器有单螺钉调配器和三螺钉调 配器，这两种调配器仅用于功率不太大的情况。 8.晶体检波器(crystal detector) 在微波各频段，因频率太高需用特制的微波晶体二极管作为检波元件。晶体检波器 由一段波导和装在其中的微波二极管组成，可实现对微波信号的检波功能。微波二极管 (检波晶体)插入波导宽壁中心，对波导两宽壁间的感应电动势（与该处电场强度成正比） 进行检波。为了获得大的检波信号输出，可调节品体检波器后部的短路活塞位置，使检波 品体处于电场最大处（驻波波腹）。有些品体检波器的前方装有三螺钉调配器，以便使它 后面与输入波导相匹配，提高检波效率。 9.谐振腔波长表(cavity resonator wavemeter) 谐振腔波长表是用来测量微波频率或波长的微波器件，主要由谐振腔、输入耦合，输 出耦合、监视装置和读数装置等部分组成。常用的圆柱形谐振腔波长表由一段波导和带 有调谐短路活塞的圆柱腔构成。旋转螺旋测微头可调节调谐短路活塞的行程进而改变腔 的长度，当谐振腔恰好谐振于待测信号的频率时，就有一小部分微波能量耦合到腔中，致 使微波输出功率下降，指示仪器读数上出现一极小值。腔长可从蝶旋测微头读出，根据蹈 长与谐振频率的对应关系可绘制腔长-频率校正曲线，从而依据腔长获得频率或波长。 l0.波导测量线(waveguide slotted line) 波导测量线是微波测量系统中常用的微波器件，可用来测量波导中的微波波长、频 率，驻波分布特性等。波导测量线可分为两类：一类是电场测量：另 一类是磁场测量。目 前广泛应用的是电场测量。应用电场测量原理设计的波导测量线的主要组成部分包括一 段开槽波导，探头装置（耦合探针，调谐短路活塞、检波晶体）、探头移动机构和位置测量装 置等。实验中使用的是3cm波导测量线，沿槽可移动探针与波导中TE波的电场耦合。 探针与波导中的电场平行，电场的变化在探针上产生感应电动势，经品体二极管检波后由 指示仪器读出。指示仪器读数表示沿槽线分布的场强大小，场强大小的位置由平行于槽 的标尺读出，从而可测得驻波比、驻波相位、波导波长等。 三、谐振腔法测量微波频率 谐振腔法是测量微波短率的直接方法，通过调节谐振腔的谐振频率，使之与待测微波 频率谐振来实现测量。谐振腔波长表是测量频率的常用仪器，可用传输式方法（最大读数 法)和吸收式方法（最小读数法）两种方法与微波测量系统连接。传输式谐振腔波长表的 谐振腔有两个耦合元件：一个将能量从微波测量系统输入谐振腔，另一个将能量从谐振腔 输出到指示仪器。当谐振腔调谐于待测频率时，能量传输最大，指示仪器的读数也最大 如图2-1-6()所示。吸收式谐振腔波长表的谐振腔只有一个输入端与传输线相接。当谐 振腔调谐于待测频率时，能量传输最小，指示仪器的读数也最小，如图2-1-6(b)所示。 51
— ５１ — 向.环行器的种类很多,功能各有差异.例如,波导三端口 Y 形环行器的功能为:从端口 １输入的功率全部从端口２输出,从端口２输入的功率全部从端口３输出,从端口３输入 的功率全部从端口１输出. ７．调配器(impedancetuner) 调配器是用来调节其后面的微波器件达到匹配的一种微波器件.通俗地讲,所谓匹 配就是使微波完全进入而一点也不反射回来.常用的调配器有单螺钉调配器和三螺钉调 配器,这两种调配器仅用于功率不太大的情况. ８．晶体检波器(crystaldetector) 在微波各频段,因频率太高需用特制的微波晶体二极管作为检波元件.晶体检波器 由一段波导和装在其中的微波二极管组成,可实现对微波信号的检波功能.微波二极管 (检波晶体)插入波导宽壁中心,对波导两宽壁间的感应电动势(与该处电场强度成正比) 进行检波.为了获得大的检波信号输出,可调节晶体检波器后部的短路活塞位置,使检波 晶体处于电场最大处(驻波波腹).有些晶体检波器的前方装有三螺钉调配器,以便使它 后面与输入波导相匹配,提高检波效率. ９．谐振腔波长表(cavityresonatorwavemeter) 谐振腔波长表是用来测量微波频率或波长的微波器件,主要由谐振腔、输入耦合、输 出耦合、监视装置和读数装置等部分组成.常用的圆柱形谐振腔波长表由一段波导和带 有调谐短路活塞的圆柱腔构成.旋转螺旋测微头可调节调谐短路活塞的行程进而改变腔 的长度,当谐振腔恰好谐振于待测信号的频率时,就有一小部分微波能量耦合到腔中,致 使微波输出功率下降,指示仪器读数上出现一极小值.腔长可从螺旋测微头读出,根据腔 长与谐振频率的对应关系可绘制腔长Ｇ频率校正曲线,从而依据腔长获得频率或波长. １０．波导测量线 (waveguideslottedline) 波导测量线是微波测量系统中常用的微波器件,可用来测量波导中的微波波长、频 率、驻波分布特性等.波导测量线可分为两类:一类是电场测量;另一类是磁场测量.目 前广泛应用的是电场测量.应用电场测量原理设计的波导测量线的主要组成部分包括一 段开槽波导、探头装置(耦合探针、调谐短路活塞、检波晶体)、探头移动机构和位置测量装 置等.实验中使用的是３cm 波导测量线,沿槽可移动探针与波导中 TE１０波的电场耦合. 探针与波导中的电场平行,电场的变化在探针上产生感应电动势,经晶体二极管检波后由 指示仪器读出.指示仪器读数表示沿槽线分布的场强大小,场强大小的位置由平行于槽 的标尺读出,从而可测得驻波比、驻波相位、波导波长等. 三、谐振腔法测量微波频率 谐振腔法是测量微波频率的直接方法,通过调节谐振腔的谐振频率,使之与待测微波 频率谐振来实现测量.谐振腔波长表是测量频率的常用仪器,可用传输式方法(最大读数 法)和吸收式方法(最小读数法)两种方法与微波测量系统连接.传输式谐振腔波长表的 谐振腔有两个耦合元件:一个将能量从微波测量系统输入谐振腔;另一个将能量从谐振腔 输出到指示仪器.当谐振腔调谐于待测频率时,能量传输最大,指示仪器的读数也最大, 如图２Ｇ１Ｇ６(a)所示.吸收式谐振腔波长表的谐振腔只有一个输入端与传输线相接.当谐 振腔调谐于待测频率时,能量传输最小,指示仪器的读数也最小,如图２Ｇ１Ｇ６(b)所示
物理实险教程一近代物理实经 检人可空和减酒一居茶国一西不权习植人可变戏因一质不收 谐报整 指示仪器读数 指示仅器读数 谐振点 皆振 剥游尺寸 6 测谐尺寸 (a 图2-1-6谐振腔波长表与微波测量系统的连接及相应的谐振曲线 谐振腔波长表的精确度在1%~0.01%范围内。提高精度的主要途径是提高谐振腔 的品质因数Q。因此，谐振腔波长表都是使用高品质因数的谐振腔。 四、驻波法测量波导波长 测量波长的常用方法有谐振法和驻波法。使用谐振腔波长表测量微波频率和波长采 用的就是谐振法。驻波法使用波导测量线测量波长，议也是测量微被箱率的间接方法 当波导测量线终端短路时，传输线上形成纯驻波。波导波长是指波导中导行电磁波的波 长，在数值上等于驻波相邻两个极值点（波腹或波节）之间距离的2倍。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，因此采 用驻波极小值点的位置米测定波导波长。 测量时移动波导测量线探针，通过测出驻 波相邻两个波节点之间的距离即可求得波与 波长。为了提高测量精度，通常采用“交叉话 数法”确定驻波波节点的位置。如图2-1-7所 id 示，测量波节两侧检波电流均为M的两点，取 这两点位置坐标的平均值作为波节点的坐标 22 则相邻两波节点的位置分别为： 图2-1-7用“交叉读数法”确定驻波节点位置 d-山td,d=+d 从而波导测量线中的波导波长为： 入m=2(dn-dn）=(d,+d:)-(d,+dz) (2-1-8) 式中，d,和dz为波节点d附近左右两点位置：d,和d,为相邻波节点d附近左右两点 位置。 波导测量线的开槽会影响波导波长，在精确测量中需求出无槽波导中的波导波长入， 由理论分析可得，有槽波导测量线中的波导波长入m与相同截面的无槽波导中的入。的关 系为： -.+) (2-1-9) —52
— ５２ — 图２Ｇ１Ｇ６ 谐振腔波长表与微波测量系统的连接及相应的谐振曲线 谐振腔波长表的精确度在１％~０．０１％范围内.提高精度的主要途径是提高谐振腔 的品质因数Q.因此,谐振腔波长表都是使用高品质因数的谐振腔. 四、驻波法测量波导波长 测量波长的常用方法有谐振法和驻波法.使用谐振腔波长表测量微波频率和波长采 用的就是谐振法.驻波法使用波导测量线测量波长,这也是测量微波频率的间接方法. 当波导测量线终端短路时,传输线上形成纯驻波.波导波长是指波导中导行电磁波的波 长,在数值上等于驻波相邻两个极值点(波腹或波节)之间距离的２倍.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,因此采 用驻波极小值点的位置来测定波导波长. 图２Ｇ１Ｇ７ 用“交叉读数法”确定驻波节点位置 测量时移动波导测量线探针,通过测出驻 波相邻两个波节点之间的距离即可求得波导 波长.为了提高测量精度,通常采用“交叉读 数法”确定驻波波节点的位置.如图２Ｇ１Ｇ７所 示,测量波节两侧检波电流均为 M 的两点,取 这两点位置坐标的平均值作为波节点的坐标, 则相邻两波节点的位置分别为: dmin ＝ d１ ＋d２ ２ ,d′min＝ d３ ＋d４ ２ 从而波导测量线中的波导波长为: λgm ＝２(d′min－dmin)＝(d３ ＋d４)－ (d１ ＋d２) (２Ｇ１Ｇ８) 式中,d１和d２为波节点dmin附近左右两点位置;d３和d４为相邻波节点d′min附近左右两点 位置. 波导测量线的开槽会影响波导波长,在精确测量中需求出无槽波导中的波导波长λg. 由理论分析可得,有槽波导测量线中的波导波长λgm 与相同截面的无槽波导中的λg的关 系为: λgm ＝λg(１＋ Δx２λ２ g ８πa３b ) (２Ｇ１Ｇ９)
微波测量技术实验第2章 式中，△x为波导测量线的槽宽：和b分别为波导的截面宽度和高度。这样，只要测出 入，并给出△x,和b的数值，就可用迭代法求出λ。在开惜影南很小的情况下，一般 量中不区分入m和入，测出的入即为入。 无槽波导中的波导波长入也可直接测量。在波导测量线的输出端接精密可变短路器 (可变电抗器)，用波导测量线确定某一驻波节点位置，探针置于该位置不变：向微波信号 源方向或其反方向移动调谐短路活塞，使探针检测到相邻的另一个驻波节点。这时，调谐 短路活塞移动的距离使等于半个波导波长。 通过波导波长入.可计算出自由空间中的波长入，频率∫、相速度和群速度“，即 (2-1-10) 1+( g=入，f (2-1-11) u-ve (2-1-12) 式中，c为自由空间中的光速。 【实验器材】 实验器材包括微波信号源、隔离器、谐振腔波长表、可变衰减器(variable attenuator) 波导测量线、环形器、谐振腔、单螺钉调配器、匹配负载(matched load)、短路片、可变短路 器(variable short end))、晶体检波器、检波指示器、双踪示波器、选频放大器、数字万用 表等 【实验内容】 一、基础性实验内容 1,调试微波测量系统 实验所用微波测量系统的基本组成如图2-1-5所示，可变衰减器置于度减量较大的位 置，指示仪器灵敏度置于较低位置，以防止电表过载而损坏。微波信号源选择“等幅”工作 方式，调整系统的始端，终端的调谐短路活塞，使晶体检波指示器的指示值最大。这时，微 波测量系统大致处于匹配状态。 (1)观测微波信号源输出特性 ①微波信号源分别选择“等幅”和“调幅”工作方式，用双踪示波器观察输出信号波 形，分析“等幅”和“调幅”两种工作方式时输出信号的区别。 ②微波信号源选择“扫频”工作方式，用双踪示波器观察吸收式谐振腔波长表的吸收 谷波形，估测扫频范围。 (2)调整波导测量线， 波导测量线是微波实验不可缺少的基本仪器之一，可用来测量微波波长、频率，驻波 比、阻抗、相位等多种微波参量。波导测量线的耦合探针由传动机构带动，沿开槽缝平稳 移动，耦合开槽线中的高频能量，经品体二极管检波后送至指示仪器。由于耦合探针穿入 波导而引入不均匀性，其作用相当于在传输波导上并联一个导纳（阻抗的倒数），从而影响 系统的工作状态，因此测量前必须仔细调整波导测量线，以减少其影响。 -53
— ５３ — 式中,Δx 为波导测量线的槽宽;a 和b 分别为波导的截面宽度和高度.这样,只要测出 λgm ,并给出 Δx,a 和b 的数值,就可用迭代法求出λg.在开槽影响很小的情况下,一般测 量中不区分λgm 和λg,测出的λgm 即为λg. 无槽波导中的波导波长λg也可直接测量.在波导测量线的输出端接精密可变短路器 (可变电抗器),用波导测量线确定某一驻波节点位置,探针置于该位置不变;向微波信号 源方向或其反方向移动调谐短路活塞,使探针检测到相邻的另一个驻波节点.这时,调谐 短路活塞移动的距离便等于半个波导波长. 通过波导波长λg可计算出自由空间中的波长λ、频率f、相速度vg 和群速度u,即 λ＝ λg １＋ ( λg ２a ) ２ (２Ｇ１Ｇ１０) vg ＝λgf (２Ｇ１Ｇ１１) u＝ c２ vg (２Ｇ１Ｇ１２) 式中,c为自由空间中的光速. 【实验器材】 实验器材包括微波信号源、隔离器、谐振腔波长表、可变衰减器(variableattenuator)、 波导测量线、环形器、谐振腔、单螺钉调配器、匹配负载(matchedload)、短路片、可变短路 器(variableshortend)、晶体检波器、检波指示器、双踪示波器、选频放大器、数字万用 表等. 【实验内容】 一、基础性实验内容 １．调试微波测量系统 实验所用微波测量系统的基本组成如图２Ｇ１Ｇ５所示,可变衰减器置于衰减量较大的位 置,指示仪器灵敏度置于较低位置,以防止电表过载而损坏.微波信号源选择“等幅”工作 方式,调整系统的始端、终端的调谐短路活塞,使晶体检波指示器的指示值最大.这时,微 波测量系统大致处于匹配状态. (１)观测微波信号源输出特性. ① 微波信号源分别选择“等幅”和“调幅”工作方式,用双踪示波器观察输出信号波 形,分析“等幅”和“调幅”两种工作方式时输出信号的区别. ② 微波信号源选择“扫频”工作方式,用双踪示波器观察吸收式谐振腔波长表的吸收 谷波形,估测扫频范围. (２)调整波导测量线. 波导测量线是微波实验不可缺少的基本仪器之一,可用来测量微波波长、频率、驻波 比、阻抗、相位等多种微波参量.波导测量线的耦合探针由传动机构带动,沿开槽缝平稳 移动,耦合开槽线中的高频能量,经晶体二极管检波后送至指示仪器.由于耦合探针穿入 波导而引入不均匀性,其作用相当于在传输波导上并联一个导纳(阻抗的倒数),从而影响 系统的工作状态,因此测量前必须仔细调整波导测量线,以减少其影响