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第八章 微波测量

§8.1概述

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    微波测量是研究微波理论和技术的定量实验方法。微波理论是否正确,只有通过生产实践和科学实验才能加以检

验。各种微波设备和微波元件、器件的设计、生产过程、以及成品、半成品的检验。都需要利用微波测量获得必要的

数据,检验其质量。微波测量技术还作为一种常用的实验项目列入实验物理的内容。

 
 
 

§8.2 大驻波比的测量

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实验目的

1.了解大驻波比的测量方法。   2.掌握用等指示法和功率衰减法测量大驻波比。

一、实验原理

1.等指示度法

    基本原理:当驻波比大于6时,驻波最大点和最小点的电平相差很大,有时即使将最大点读数放在指示器上接近

满度偏转的地方,也不能准确获得最小点的读数,或者在最小点,检波晶体的输出能使指示电表有一定的偏转,则在

最大点处,由于输出很大,将使检波晶体的检波特性由平方律转变为直线律,按直接法测量驻波比会有较大的误差。

因此,大驻波比的测量,通常改用测量最小点附近驻波分布规律的间接方法,最常用的是二倍最小功率法,它通过测

量波导波长及二倍最小点之间的距离,从而求得驻波比。

如图所示,在驻波最小点两侧取场强为最小点倍的两点1和2,其宽度为W,K值可任意选定,以驻波最小点为参考

点,可导出距离驻波最小点为W/2处的相对场强。

在驻波最小点处相对场强的大小为:

那么,距离驻波最小点为W/2处的相对场强的大小为

K的规定有

因为

所以

,代入(3-3a)式得

整理后可得驻波比为:

设检波晶体为平方律检波,测量时取,即测量点为驻波最小功率的两倍,同时利用的关系,则式

(3-4)可改写为:

      (3-5)

当驻波比S>10时,,上式可化简为

      (3-6)

因此,利用二倍最小功率法就可以把测量大驻波比的问题归结为测量波导波长和二倍于最小点功率的宽度W。而波

导波长的测量,则可用测量线测定两相邻最小点的距离而确定。

为了测量大驻波比,必须提出一些改进的方法。

2.功率衰减法

    功率衰减法是一种比较简便而又准确的驻波测量方法,它避免了晶体检波律的影响,把驻波最大值、最小值的测

量转化为测量衰减量的改变,可测任意驻波比,特别适合于测大驻波比,其测量装置如图所示。
    测量时,先把测量线的探针置于驻波最小点,记下电表指示读数及精密衰减器的读数,再移动探针置于驻波最大点,改变精密衰减器的衰减量,使电表读数仍为,这时衰减器的读数,则有:

所以     即

用这种方法测量的驻波比可达1000以上。

二、实验装置

三、实验内容和步骤

1.用等指示法测量单螺钉的电压驻波比。

(1)测量线中断接匹配负载,按操作规程使信号源工作在方波调制状态,并获得最佳输出。

(2)调整测量线的调谐探针电路,使测量线工作在最佳状态。
(3)测量线终端换接短路板,测量波导波长,重复三次。

(4)测量线终端换接单螺调配器和匹配负载,调节单螺钉穿伸度约为7mm,测量线探针移至驻波节点,调整微波可变

衰减器和指示器的灵敏度,必要时可加深测量线探针的穿伸度,使指示电表指针接近满度的一半,读取驻波节点幅值
(5)慢慢移动探针,在驻波最小点两旁找电边指示读数为的两个等指示度点,应用测量线标尺刻度或指针式测微计(百分表)读取这二个等指示度点对应的探针位置读数值,重复三次。
(6)根据公式计算驻波比,式中

2.用功率衰减法测量单螺钉的驻波比。

(1)不改变测量线终端待测负载的状态,移动测量线探针至 驻波最小点,调整微波可变衰减器和指示器灵敏度,使指示电表读数大于满度的三分之二,读取电表指示值及精密可变衰减器的衰减量,并记录数据。

(2)慢慢移动测量线探针,同时调整精密可变衰减器,使电表指示值不超过满度,直至探针移到驻波最大点处,仔细调整精密衰减器的衰减量,使指示电表读数仍为,读取此时精密可变衰减器的衰减量,并记录数据。

(3)根据公式(3-9)计算驻波比S。

 

 
 

§8.3 互易二端口网络S参数的测量

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一、三点法

二、多点法

三、测量实例

 

§8.4 互易多端口网络S参数的测量

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一、N端口网络S参数的测量方法

二、多端口网络S参数的测量方法




 
 

§8.5 定向耦合器方向性的测量

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实验目的:

1.研究定向耦合器的特性及应用。

2.掌握定向耦合器主要特性参量的测量。

一、实验原理

    定向耦合器是微波测量和其它微波系统中的常用元件,更是近代扫频反射计的核心部件,因此,熟悉定向耦合器

的特性,掌握其测量方法是很重要的。定向耦合器是一种有方向性的微波功率分配器件,通常有波导、同轴线、带状

线及微带等几种类型。定向耦合器包含主线和副线两部分,在主线中传输的微波功率经过小孔或间隙等耦合元件,将

一部分功率耦合到副线中去,由于波的干涉和迭加,使功率仅沿副线的一个方向传输(称“正方向”),而在另一方

向几乎没有(或极少)功率(称“反方向”)。图示出两种波导定向耦合器。

1.定向耦合器的特性参量

定向耦合器的特性参量主要是1)耦合度,2)方向性,3)输入驻波比,4)带宽范围。

(1)耦合度(过渡衰减)

输入至主线的功率与副线中正向传输的功率之比称为定向耦合器的耦合度C,也称过渡衰减。

      (9-1)

式中分别为主线输入端的功率及电压,分别为副线正方向传输的功率及电压。

(2)方向性

副线中正方向传输的功率与反方向传输的功率之比称为定向耦合器的方向性D。

      (9-2)

式中分别为耦合至副线正方向传输的功率及电压;分别为耦合至副线反方向传输的功率及电压。有时,

反映定向程度的指标也用隔离度来表示。隔离度表示输入至主线的功率与副线反方向传输的功率之比,即

      (9-3)

根据以上定义可知:

      (9-4)

故定向耦合器的方向性等于隔离度与耦合度之差。

一个理想的定向耦合器,方向性为无穷大,即功率由主线“1”输入,则副线端仅“3”有输出,而端“4”无输出;反

之,若功率由主线端“2”输入,副线端仅“4”有输出,端“3”无输出。然而实际情况并非如此。

(3)输入驻波比

在匹配的传输线中插入定向耦合器时产生的驻波比即为输入驻波比。

(4)带宽范围

满足上述参量的一定要求的工作频率范围即为带宽范围。

2.定向耦合器测量电压驻波比的原理
根据公式,可知,测量一个元件的驻波比,只需分别测量入射波和反射波的电场幅度。而利用定向耦合器即

能将入射波和反射波分离出来。测量时,把定向耦合器反向接入测量系统,先在其主线输出端接待测微波元件,则副波导输出端指示器读数即为反射波参考电平;再以全反射短路器代替待测元件,副波导指示器读书即为入射波参

考电平,因而反射系数

      (9-5)

式中n为晶体检波律。由于必须知道晶体检波律,这就给测量带来麻烦。通常可改测“回波损失”,再加以换算。这种

方法可采用精密衰减器,分别测定向耦合器主线输出端接待测元件和短路时,副线输出端有相同指示读数的精密衰减器读数,则待测元件的“回波损失”,而反射系数与“回波损失”具有下列关系:

      (9-6)

二、实验装置

三、实验内容及测量步骤

内容

1.测量十字形定向耦合器的耦合度及方向性。

2.用定向耦合器测量电压驻波比。

步骤

1.耦合度的测量

    测量时,首先测量主波导输入端的功率电平,然后将耦合器正向接入测量系统,如下图所示,测出波导正向输出端的

功率电平,则耦合度C可根据公式(9-1)计算;也可以改变精密衰减器的衰减量,使两种情况下的检测指示器读数相等,则

衰减器的读数即为耦合度C。

2.方向性的测量

    测量定向耦合器的方向性可根据不同的精度要求选用不同的方法,本实验采用直接衰减法测量。反向连接定向耦合

器,主波导输出端接匹配负载,使副波导端“3”输出指示读数在满度的三分之二以上,读取精密衰减器的衰减量。然

后正向连接定向耦合器,加大精密可变衰减器的衰减量,直至端“3”输出指示恢复到原来的偏转读数,读取此时精密

衰减器的衰减量,两次衰减量之差即为待测定向耦合器的方向性。

3.测量滑动单螺钉的驻波比

滑动单螺钉置于正中位置,螺钉穿伸度置于5-6mm处:

(1)用驻波测量线测量滑动单螺钉的驻波比。

(2)用被测的定向耦合器测量滑动单螺钉的驻波比。首先用精密可变衰减器测出“回波损失”,然后用式(9-6)计

算出反射系数,再求出驻波比。

 

 
 

§8.6 介质复介电常数的测量

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一、复数超越方程的图解法

二、复数超越方程的数值解法

 

 
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