微波基本参数的测量

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1、微波基本参数的测量引言一实验目的1熟悉和掌握微波测试系统中各种常用设备的结构原理及使用方法；2掌握微波系统中频率、驻波比、功率等基本参数的测量方法；3按要求测出测量线中的驻波分布；二实验原理微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。要对这些参数进行测量，首先要了解电磁波在规则波导内传播的特点，各种常用元器件及仪器的结构原理和使用方法，其次是要掌握一些微波测量的基本技术。(1)导行波的概念：由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。导行波的电场E或磁场H都是x、y、z三个方向的函数。导行波可分成以下三种类型：(A)横电磁波（TEM波）：TE

2、M波的特征是：电场E和磁场H均无纵向分量，亦即：,。电场E和磁场H，都是纯横向的。TEM波沿传输方向的分量为零。所以，这种波是无法在波导中传播的。(B)横电波（TE波）：TE波即是横电波或称为“磁波”（H波），其特征是,而。亦即：电场E是纯横向的，而磁场H则具有纵向分量。(C)横磁波（TM波）：TM波即是横磁波或称为“电波”(E波)，其特征是，而。亦即：磁场H是纯横向的，而电场E则具有纵向分量。TE波和TM波均为“色散波”。矩形波导中，既能传输波，又能传输波（其中m代表电场或磁场在x方向半周变化的次数，n代表电场或磁场在y方向半周变化的次数)。(2)色散波的

3、特点：由于TE波及TM波与TEM波的性质不同。色散波就有其自身的特点：(a)临界波长：矩形波导中传播的色散波，都有一定的“临界波长”。只有当自由空间的波长小于临界波长c时，电磁波才能在矩形波导中得到传播。波或波的临界波长公式为：（1）(b)波导波长和相速V、群速Vc：色散波在波导中的波长用表示。波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速度称为相速V。群速Vc是表示能量沿波导纵向传播的速度，其关系为。因为，波导中电磁波是成“之”字形并以光速传播的。所以，波导波长将大于自由空间的波长。同时，相速V也大于光速C。它们之间的相互关系为：（2）（3）图1

4、示出了电磁波在波导中传播的方向。(3)反射系数和驻波比：波导终端接入负载后，由于负载性质的不同，电磁波就将在终端产生不同程度的反射。如用Zc表示传输线的特性阻抗，用ZL表示负载阻抗。则反射系数G为：（4）可见，反射系数是个复数。当特性阻抗与负载阻抗相等（即接入匹配负载）时：=0,入射波全部被负载吸收而无反射。当终端短路（微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即）时：=1，入射波被负载全部反射。图1平面波的传播微波技术中，还经常使用驻波比r来描述传输线阻抗匹配的情况。波导中驻波比r被定义为：波导中驻波电场最大值和电场最小值之比，即（5）驻波比与反射系数之

5、间的关系应为：（6）由此，从图2中(a)、(b)、(c)可看出电场在波导中的分布情况。图2不同负载情况下电场在波导中的分布图(a)在负载匹配情况下有：=0及=1；波导中传播的是“行波”，其幅值为；(b)在负载短路情况下有：=1及；波导中传播的是“纯驻波”，其幅度值为；(c)在其它任意负载下有：0<<1及1<<；波导中传播的是“行驻波”，其幅度(1+)。传输线的目的是要无损的传输功率，故常希望工作在负载阻抗匹配的情况下。(4)波：由公式(1)可知，矩形波导中临界波长的最大值应出现在，n＝0的情况下（此时：=2a）。这就是波。波被称为矩形波导中的“主波”，也是最

6、简单、最有用的波形。一般矩形波导所激励的都是波。下面将讨论，波中电磁场的简单结构。(a)电场结构：波中电场E只有yE分量。其电力线将与x-z平面处处正交。如图3所示。在x-y平面内，说明电场强度只与x有关，且按正弦规律变化。在x＝0及x＝a处（即：波导中的两个窄边上）。。在x=a/2处（即：波导宽边中央），由于，能量是沿z方向传播的。因此，yE将沿z方向呈行波状态，并在x=a/2的纵剖面内，沿z轴也是按正弦分布。(b)磁场结构：波中磁场H只有及分量。其磁力线将分布在x-z平面内。由于，和Hx决定着电磁波沿z方向传播的能量，就必然要求与同相，即沿z方向在最大处

7、，也最大，在x方向上,是呈正弦分布（与同相）。所以在横截面和纵剖面的分布情况也与相同。在讨论分布时，必须注意到，在z＝0的截面上，沿x方向是呈余弦变化，即在及处，有最大值，而在x=a/2处，则有＝0。波场的特点可以归结为：a.只存在，，三个分量；b.和均按正弦规律分布，按余弦规律分布。因而和同相，并与反相。图3显示了波电磁场在矩形波导中的分布。应当注意到，这些电力线和磁力线的分布情况将随着时间的顺延，而以一定的速度沿方向在波导中向前移动着。图3矩形波导中H10波的电磁场分布图(5)微波频率的测量：频率的测量是微波测量技术中的一个重要方面。本实验将采用“直接”

8、和“间接”两种不同的方法来测量频率。(a)直接测量法