物理实验教程 一近代物理实验 信号很小的现象？如何调节？ (3)微波测量系统匹配调节的实质是什么？ (4)在微波测量系统中用吸收式谐振腔波长表测量频率后，为什么要使谐振腔波长 表失谐？ (5)测量波导波长的主要误差来源有哪些？为什么要选择驻波节点来测量？ 【参考文献】 [1]顾继慧.微波技术[M门.北京：科学出版社，2014. [2]赵春晖.微波技术一测量与仿真[M们.哈尔溪：尔滨工程大学出版社，2013. [3]彭沛夫.微波技术与实验[M门.北京：清华大学出版社，2007. [4]王琦.电磁场与微波技术实验教程[M们.北京：北京邮电大学出版社，2013. [5]赵东风，黎鹏.微波系统实验教程[M门.昆明：云南大学出版社，2010。 [6]POZAR DAVID M.微波工程[M].张肇仪，周乐柱，吴德明，等译.北京：电子 工业出版社.2006. [7]袁广字，李光源.用微波实验测定光速[].准北煤炭师范学院学报，2005,26 (2).88-89. [8]李明标，张使，赵梦漫.应用微波驻波法测光速[].渤海大学学报（自然科学 版)，2010,31(1)：70-72. 实验2-2微波品体检波律测定与驻波比测量 在微波传播过程中因负载阻抗与波导特性阻抗不匹配而产生驻波，驻 回 波比是描沭肆波特性和表征系统匹程程度的某本参量。通过驻波测量，不 仅可以了解微波传输线上的场分布，而且可以测量波长、阻抗、相移量、衰 减量、Q值等其他参量。因此，微波驻波的测量是微波测量中最基本、最重 10 要的内容之 。在微波测量系统中，品体检波器是微波测量的基本器件。 微波品体检 需要测量的微波信号通过晶体检波器中的晶体二极管检波后，转换为直流 或低频电流信号送至指示仪器，指示仪器的示数是检波电流的有效值。 被比 般晶体检波器的检波电流与所测的微波高颜电压之间的关系是非线性的，因此，想要准确 测出驻波比等参量，必须知道晶体检波器的检波特性，通过测量驻波来确定晶体检波特性 是一种常用的方法。通过本实验重点学习通过测量驻波来测定品体检波律的原理与技 术，以及测量驻波比的三种常用方法一直接法、等指示度法和功率衰诚法。 【实验目的】 ()了解晶体检波器的基本结构和工作原理，学会测定晶体检波律的基本方法和 技术。 82-
— ８２ — 信号很小的现象? 如何调节? (３)微波测量系统匹配调节的实质是什么? (４)在微波测量系统中用吸收式谐振腔波长表测量频率后,为什么要使谐振腔波长 表失谐? (５)测量波导波长的主要误差来源有哪些? 为什么要选择驻波节点来测量? 【参考文献】 [１] 顾继慧．微波技术[M]．北京:科学出版社,２０１４． [２] 赵春晖．微波技术———测量与仿真[M]．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,２０１３． [３] 彭沛夫．微波技术与实验[M]．北京:清华大学出版社,２００７． [４] 王琦．电磁场与微波技术实验教程[M]．北京:北京邮电大学出版社,２０１３． [５] 赵东风,黎鹏．微波系统实验教程[M]．昆明:云南大学出版社,２０１０． [６] POZARDAVID M．微波工程[M]．张肇仪,周乐柱,吴德明,等译．北京:电子 工业出版社,２００６． [７] 袁广宇,李光源．用微波实验测定光速[J]．淮北煤炭师范学院学报,２００５,２６ (２):８８Ｇ８９． [８] 李明标,张健,赵梦遥．应用微波驻波法测光速[J]．渤海大学学报(自然科学 版),２０１０,３１(１):７０Ｇ７２． 实验２Ｇ２ 微波晶体检波律测定与驻波比测量 在微波传播过程中因负载阻抗与波导特性阻抗不匹配而产生驻波,驻 波比是描述驻波特性和表征系统匹配程度的基本参量.通过驻波测量,不 仅可以了解微波传输线上的场分布,而且可以测量波长、阻抗、相移量、衰 减量、Q 值等其他参量.因此,微波驻波的测量是微波测量中最基本、最重 要的内容之一.在微波测量系统中,晶体检波器是微波测量的基本器件, 需要测量的微波信号通过晶体检波器中的晶体二极管检波后,转换为直流 或低频电流信号送至指示仪器,指示仪器的示数是检波电流的有效值.一 般晶体检波器的检波电流与所测的微波高频电压之间的关系是非线性的,因此,想要准确 测出驻波比等参量,必须知道晶体检波器的检波特性,通过测量驻波来确定晶体检波特性 是一种常用的方法.通过本实验重点学习通过测量驻波来测定晶体检波律的原理与技 术,以及测量驻波比的三种常用方法———直接法、等指示度法和功率衰减法. 【实验目的】 (１)了解晶体检波器的基本结构和工作原理,学会测定晶体检波律的基本方法和 技术
0 微波测量技术实验第2章 (2)理解波导中的驻波特性，掌握直接法，等指示度法和功率衰减法测量驻波比的基 本原理和方法。 【预习要求】 (1)在微波测量系统中晶体检波器的作用是什么？ (2)什么是品体检波律？在微波测量中为什么要测定品体检波律？有哪些基本测量 方法？ (3)波导在什么工作状态下会传播驻波？用哪些物理量来描述驻波特性？怎样调整 微波测量系统来产生不同特性的驻波？ (4)什么是驻波比？测量驻波比有哪些基本方法？ 【实验原理】 一、晶体检波律的测定 在微波测量系统中，微波信号通常是经过品体二极管检波后送至指示仪器的，所以从 指示仪器上读到的是检波电流的有效值而不是微波高频电压。晶体二极管(crystal diode)是一种非线性元件，检波电流I与微波高频电压U的关系一般是非线性的，即 I=CU (2-2-1) 式中，C是比例常数：n是晶体检波律，n=1称为直线律，n=2称为平方律，一般”不是 整数。 检波律与品体检波器的特性及工作状态有关，一般在小信号时近似平方律，大信号时 近似直线律。它也会随工作温度、湿度、时间等条件的变化而发生变化。因此，在精密测 量驻波比等微波参量中必须先测定检波律，对晶体检波器进行定标（校准）。通过测量驻 波来测定晶体检波律是常用的晶体检波器定标的方法，简称驻波法。驻波法一股又可分 为测量相对检波电流与相对场强关系曲线法和测量半高点法。 1,测量相对检波电流与相对场强关系曲线法 一般波导损耗很小，若忽略波导损耗和探针负载的影响，则当终瑞短路时波导中驻被 的电场强度大小E(复数的模)的分布可表示为： E-E血 (2-2-2) 式中，E为波腹处的电场强度，d为与驻波波节之间的距离，入，为波导波长。因为检波品 体二极管的电压U正比于探针所在位置的电场强度E,故根据式(2-2-1)和式(2-2-2)可得 检波电流的相对值1为： =2-)广-m） (2-2-3) 式中，1.为波腹处的检波电流。将式(2-2-3)取对数，则有 1e1a=ale(n） (2-2-4) 式224)表相对检波电流1与相对场强在双对数坐标中是线性关系，斜率就 是品体检波律。因此，在从波节到波腹的入。/4范围内，移动波导测量线探针并逐点测 83-
— ８３ — (２)理解波导中的驻波特性,掌握直接法、等指示度法和功率衰减法测量驻波比的基 本原理和方法. 【预习要求】 (１)在微波测量系统中晶体检波器的作用是什么? (２)什么是晶体检波律? 在微波测量中为什么要测定晶体检波律? 有哪些基本测量 方法? (３)波导在什么工作状态下会传播驻波? 用哪些物理量来描述驻波特性? 怎样调整 微波测量系统来产生不同特性的驻波? (４)什么是驻波比? 测量驻波比有哪些基本方法? 【实验原理】 一、晶体检波律的测定 在微波测量系统中,微波信号通常是经过晶体二极管检波后送至指示仪器的,所以从 指示仪器 上 读 到 的 是 检 波 电 流 的 有 效 值 而 不 是 微 波 高 频 电 压.晶 体 二 极 管 (crystal diode)是一种非线性元件,检波电流I 与微波高频电压U 的关系一般是非线性的,即 I＝CUn (２Ｇ２Ｇ１) 式中,C 是比例常数;n 是晶体检波律,n＝１称为直线律,n＝２称为平方律,一般n 不是 整数. 检波律与晶体检波器的特性及工作状态有关,一般在小信号时近似平方律,大信号时 近似直线律.它也会随工作温度、湿度、时间等条件的变化而发生变化.因此,在精密测 量驻波比等微波参量中必须先测定检波律,对晶体检波器进行定标(校准).通过测量驻 波来测定晶体检波律是常用的晶体检波器定标的方法,简称驻波法.驻波法一般又可分 为测量相对检波电流与相对场强关系曲线法和测量半高点法. １．测量相对检波电流与相对场强关系曲线法 一般波导损耗很小,若忽略波导损耗和探针负载的影响,则当终端短路时波导中驻波 的电场强度大小E(复数的模)的分布可表示为: E ＝Emsin ２πd λg (２Ｇ２Ｇ２) 式中,Em 为波腹处的电场强度,d 为与驻波波节之间的距离,λg为波导波长.因为检波晶 体二极管的电压U 正比于探针所在位置的电场强度E,故根据式(２Ｇ２Ｇ１)和式(２Ｇ２Ｇ２)可得 检波电流的相对值Irel为: Irel＝ I Im ＝ ( E Em ) n ＝ sin ２πd λg æ è ç ö ø ÷ n (２Ｇ２Ｇ３) 式中,Im 为波腹处的检波电流.将式(２Ｇ２Ｇ３)取对数,则有: lgIrel＝nlgsin ２πd λg æ è ç ö ø ÷ (２Ｇ２Ｇ４) 式(２Ｇ２Ｇ４)表明相对检波电流Irel与相对场强sin ２πd λg 在双对数坐标中是线性关系,斜率就 是晶体检波律n.因此,在从波节到波腹的λg/４范围内,移动波导测量线探针并逐点测
物理实验教程 一近代物理实 出距离，与相应的检波电流【：，绘制相对检波电流与相对场强的关系曲线即品体检波特 性曲线，即可计算出”。 2.测量半高点法 通过测量半高点之间的距离来测定晶体检波律也是品 体检波器定标的常用方法。如图2-2-1所示，在波导测量线 终端接短路片，测量驻波极大值，然后在极大值两侧测量半 高点（即驻波极大值的一半）之间的距离，由此可计算出晶 体检波律为： 图2-21测量半高点法 lg0.5 0.3010 三 (2-2-5) 式中，△d为驻波曲线上极大值两侧I一Im/2的两点间的距离。 需要特别指出的是，上述方法测得的晶体检波特性实际上还包含着指示仪器的非线 性。在精密测量中，当更换指示仪表时必须重新测定晶体检波特性。另外，晶体检波特性 随时间变化较大，应经常校准品体检波器 二、驻波比的测量 驻波比是微波测量中的一个基本参量。驻波比是指在传输线中所形成驻波的电场 极大值Em.与极小值E之比，即 (2-2-6) 驻波比可通过测量驻波直接测出，也可通过阻抗衰减量、相移量、谐振腔的品质因数、 介质的介电常数以及微波器件的网络参数等间接测出。实验中通常采用波导测量线进行 驻波比的测量。用波导测量线测量驻波比有多种方法，表2-2-1列出了常用的测量方法和 应用范围。在精确测量驻波比之前，应先根据驻波的极大值和极小值粗略估计驻波比的 大小，再选择合适的方法进一步精确测量。这里只介绍最基本的直接法、等指示度法和功 率衰减法。 表2-21用波导测量线测量驻波比的常用方法 序号 测量方法 应用范围 1 直接法 小.中驻波比p<6 2 等指示度法 中、大驻波比，p>6 3 功率衰减法 任意驻被比（与品体检波律无关） 4 节点偏移法 任意驻波比（无耗四端网络） 5 滑动小反射负载法 小被比 1,直接法测量驻波比 直接法适用于测量<6的小，中驻波比。在微波测量系统实际调试中要测量的驻波 比大多在<6的范围内，因此直接法测量驻波比是一种常用的基本方法。 直接法测量驻波比就是直接测出波导测量线上驻波相邻波腹场强极大值E,和波节 84
— ８４ — 出距离di与相应的检波电流Ii,绘制相对检波电流与相对场强的关系曲线即晶体检波特 性曲线,即可计算出n. 图２Ｇ２Ｇ１ 测量半高点法 ２．测量半高点法 通过测量半高点之间的距离来测定晶体检波律也是晶 体检波器定标的常用方法.如图２Ｇ２Ｇ１所示,在波导测量线 终端接短路片,测量驻波极大值,然后在极大值两侧测量半 高点(即驻波极大值的一半)之间的距离,由此可计算出晶 体检波律为: n＝ lg０５ lgcos πΔd λg æ è ç ö ø ÷ ＝－ ０３０１０ lgcos πΔd λg æ è ç ö ø ÷ (２Ｇ２Ｇ５) 式中,Δd 为驻波曲线上极大值两侧I＝Im/２的两点间的距离. 需要特别指出的是,上述方法测得的晶体检波特性实际上还包含着指示仪器的非线 性.在精密测量中,当更换指示仪表时必须重新测定晶体检波特性.另外,晶体检波特性 随时间变化较大,应经常校准晶体检波器. 二、驻波比的测量 驻波比是微波测量中的一个基本参量.驻波比ρ是指在传输线中所形成驻波的电场 极大值Emax与极小值Emin之比,即 ρ＝ Emax Emin (２Ｇ２Ｇ６) 驻波比可通过测量驻波直接测出,也可通过阻抗衰减量、相移量、谐振腔的品质因数、 介质的介电常数以及微波器件的网络参数等间接测出.实验中通常采用波导测量线进行 驻波比的测量.用波导测量线测量驻波比有多种方法,表２Ｇ２Ｇ１列出了常用的测量方法和 应用范围.在精确测量驻波比之前,应先根据驻波的极大值和极小值粗略估计驻波比的 大小,再选择合适的方法进一步精确测量.这里只介绍最基本的直接法、等指示度法和功 率衰减法. 表２Ｇ２Ｇ１ 用波导测量线测量驻波比的常用方法 序 号 测量方法 应用范围 １ 直接法 小、中驻波比,ρ＜６ ２ 等指示度法 中、大驻波比,ρ＞６ ３ 功率衰减法 任意驻波比(与晶体检波律无关) ４ 节点偏移法 任意驻波比(无耗四端网络) ５ 滑动小反射负载法 小驻波比 １．直接法测量驻波比 直接法适用于测量ρ＜６的小、中驻波比.在微波测量系统实际调试中要测量的驻波 比大多在ρ＜６的范围内,因此直接法测量驻波比是一种常用的基本方法. 直接法测量驻波比就是直接测出波导测量线上驻波相邻波腹场强极大值Emax和波节
微波测量技术实验第2章 场强极小值E,实际测出的是相对应的检波电流I和1，由此计算出驻波比。若品 体检波律为，则驻波比为： p-() (2-2-7) 当晶体检波律为平方律时，n一2。为测量准确起见，可多测几个驻波极大值和极小 值，则驻波比为： -)-作” (2-2-8) 2.等指示度法测量驻波比 当驻波比p>6时，用直接法测量比较困难，因为电场强度极大值E.和极小值Em 相差悬殊，在指示仪器量程范围内不易同时准确测量波节点的I和波腹点的Ix,而且 此时品体检波律偏离平方律，导致测量误差很大。因此，测量大驻波比时不采用直接法， 通常采用等指示度法。 等指示度法测量大驻波比的基本思路是：只在电场强度极小点附近测量驻波电场的 分布规律，不在电场强度大的点附近测量，从而避免了上述直接法的测量困难。 对于任意一驻波，电场强度的大小可表示为： E(z）=|E:ect1)+Ee-a =|E,cos(e+91)+E:cos(3-9)+j[E,sin(+91)-Esin(-:)] -VE+E:+2E,E,cos(g:-91-2B) (2-2-9 式中，z为波的传播方向坐标：E,和E,分别为人射波场强幅值和反射波场强幅值：3为波 数，8=2π/入。：91和P:分别为入射波和反射波的初始相位。设9：一91=。为驻波的初 始相位，且E,/E=T,为反射系数，为反射系数模值，则有： E-h+r+21ro(0。-经)-V1++2ros(22-10) 式中，0=，一经。由驻波特性可知，电场强度极大值和极小值分别为： [E=E:+E,=E(1+r) (2-2-11) E.=E.-E.=E,(1-P) 根据式(2-2-10)和式(2-2-11)可得： E51-|r)=M+r+2r0 (2-2-12) 由式(2-2-6)和式(2-2-11)可得： Irl-e-1 +1 (2-2-13) 因为m号-/1+m0),m号-，1-m0),根式(2212)和式 (2-2-13)可得： 85
— ８５ — 场强极小值Emin,实际测出的是相对应的检波电流Imax 和Imin,由此计算出驻波比.若晶 体检波律为n,则驻波比为: ρ＝ ( Imax Imin ) １/n (２Ｇ２Ｇ７) 当晶体检波律为平方律时,n＝２.为测量准确起见,可多测几个驻波极大值和极小 值,则驻波比为: ρ＝ ( I － max I － min ) １/n ＝ ( Imax１ ＋Imax２ ＋Imax３ ＋ Imin１ ＋Imin２ ＋Imin３ ＋ ) １/n (２Ｇ２Ｇ８) ２．等指示度法测量驻波比 当驻波比ρ＞６时,用直接法测量比较困难,因为电场强度极大值Emax和极小值Emin 相差悬殊,在指示仪器量程范围内不易同时准确测量波节点的Imin和波腹点的Imax,而且 此时晶体检波律偏离平方律,导致测量误差很大.因此,测量大驻波比时不采用直接法, 通常采用等指示度法. 等指示度法测量大驻波比的基本思路是:只在电场强度极小点附近测量驻波电场的 分布规律,不在电场强度大的点附近测量,从而避免了上述直接法的测量困难. 对于任意一驻波,电场强度的大小可表示为: E(z)＝ Eiej(βz＋φ１ )＋Ere－j(βz－φ２ ) ＝ Eicos(βz＋φ１)＋Ercos(βz－φ２)＋j[Eisin(βz＋φ１)－Ersin(βz－φ２)] ＝ E２ i ＋E２ r ＋２EiErcos(φ２ －φ１ －２βz) (２Ｇ２Ｇ９) 式中,z 为波的传播方向坐标;Ei和Er分别为入射波场强幅值和反射波场强幅值;β 为波 数,β＝２π/λg;φ１ 和φ２ 分别为入射波和反射波的初始相位.设φ２ －φ１ ＝θ０ 为驻波的初 始相位,且Er/Ei＝|Γ|,Γ 为反射系数,|Γ|为反射系数模值,则有: E Ei ＝ １＋ Γ ２ ＋２ Γ cos(θ０ － ４π λg z) ＝ １＋ Γ ２ ＋２ Γ cosθ (２Ｇ２Ｇ１０) 式中,θ＝θ０－ ４π λg z.由驻波特性可知,电场强度极大值和极小值分别为: Emax ＝Ei＋Er ＝Ei(１＋ Γ ) Emin ＝Ei－Er ＝Ei(１－ Γ ) (２Ｇ２Ｇ１１) 根据式(２Ｇ２Ｇ１０)和式(２Ｇ２Ｇ１１)可得: E Emin (１－ Γ )＝ １＋ Γ ２ ＋２ Γ cosθ (２Ｇ２Ｇ１２) 由式(２Ｇ２Ｇ６)和式(２Ｇ２Ｇ１１)可得: Γ ＝ ρ－１ ρ＋１ (２Ｇ２Ｇ１３) 因为 cos θ ２ ＝ １ ２ (１＋cosθ),sin θ ２ ＝ １ ２ (１－cosθ),根 据 式 (２Ｇ２Ｇ１２)和 式 (２Ｇ２Ｇ１３)可得:
物理实验教程 一近代物理实验 E)-sim号 0= (2-2-14) 取坐标原点在驻波节点E处，则初始相位。 元，0=元 投有 - p= (2-2-15) 在平方律检波的条件下，检波电流IE,所以 式2,215)冲的（上）°即是。如图2,22所示，在 图2-2-2测量驻波比的等指示度法 驻波波节点两侧取检波电流I为K1的两点，其宽度为d,检波电流I处到驻波极小值 点的距离为d/2,则式(2-2-15)可变为： K-cos (2-2-16) sin nd 根据式(2-2-16)可知，选定K值，测出d和入，即可计算出驻波比。这种测量驻波比 的方法称为等指示度法。常取K=2,称为二倍最小功常法，也称三分贝法。这时，式 (2-2-16)变为： n-tow (2-2-17) 当鞋波比p≥10时，升《1，o号≈1n兴≈则式221)可简化为： p≈ (2-2-18) 由式(2-2-16)可知，等指示度法测量驻波比时，只需测定波节点两侧KI点间的距 离d和波导波长入.即可。因此，d和入。的测量精度对测量结果影响很大，必须用高精度 的探针位置指示装置（如千分表）进行读数。 根据上述等指示度法测量驻波比的基本原理可知，当驻波波节电场强度极小值很小 而难以测量时，也可选择波腹电场强度极大值测量，测出波腹电场强度极大值点两侧等指 示点间的距离和相应的电场强度值，即可计算出驻波比。实际上，通过测出驻波曲线上波 节电场强度极小（大）值点一侧的任何两点到极小（大）值点的距离和相应的电场强度值也 可计算出驻波比。 3.功率衰减法测量驻波比 当驻波比p很大（≥100）时，若采用二倍最小功率法测量，则要求测量距离和电场强 86
— ８６ — ρ＝ ( E Emin ) ２ －sin２ θ ２ cos θ ２ (２Ｇ２Ｇ１４) 图２Ｇ２Ｇ２ 测量驻波比的等指示度法 取坐标原点在驻波节点Emin处,则初始相位θ０ ＝ π,θ＝π－ ４π λg z,有: ρ＝ ( E Emin ) ２ －cos２ ( ２π λg z) sin( ２π λg z) (２Ｇ２Ｇ１５) 在平方律检波的条件下,检波电流I ∝E２,所以 式(２Ｇ２Ｇ１５)中的 ( E Emin ) ２ 即 I Imin .如图２Ｇ２Ｇ２所示,在 驻波波节点两侧取检波电流I 为KImin的两点,其宽度为d,检波电流I 处到驻波极小值 点的距离为d/２,则式(２Ｇ２Ｇ１５)可变为: ρ＝ K －cos２ πd λg sin πd λg (２Ｇ２Ｇ１６) 根据式(２Ｇ２Ｇ１６)可知,选定 K 值,测出d 和λg,即可计算出驻波比.这种测量驻波比 的方法称为等指示度法.常取 K ＝２,称为二倍最小功率法,也称三分贝法.这时,式 (２Ｇ２Ｇ１６)变为: ρ＝ ２－cos２ πd λg sin πd λg (２Ｇ２Ｇ１７) 当驻波比ρ≥１０时, πd λg ≪１,cos πd λg ≈１,sin πd λg ≈ πd λg ,则式(２Ｇ２Ｇ１７)可简化为: ρ ≈ λg πd (２Ｇ２Ｇ１８) 由式(２Ｇ２Ｇ１６)可知,等指示度法测量驻波比时,只需测定波节点两侧 KImin点间的距 离d 和波导波长λg即可.因此,d 和λg的测量精度对测量结果影响很大,必须用高精度 的探针位置指示装置(如千分表)进行读数. 根据上述等指示度法测量驻波比的基本原理可知,当驻波波节电场强度极小值很小 而难以测量时,也可选择波腹电场强度极大值测量,测出波腹电场强度极大值点两侧等指 示点间的距离和相应的电场强度值,即可计算出驻波比.实际上,通过测出驻波曲线上波 节电场强度极小(大)值点一侧的任何两点到极小(大)值点的距离和相应的电场强度值也 可计算出驻波比. ３．功率衰减法测量驻波比 当驻波比ρ很大(ρ≥１００)时,若采用二倍最小功率法测量,则要求测量距离和电场强