微波基本参数测量实验报告

【引言】

微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。

微波成为一门技术科学，开始于20世纪30年代。微波技术的形成以波导管的实际应用为其标志，若干形式的微波电子管(速调管、磁控管、行波管等)的发明，是另一标志。

在第二次世界大战中，微波技术得到飞跃发展。因战争需要，微波研究的焦点集中在雷达方面，由此而带动了微波元件和器件、高功率微波管、微波电路和微波测量等技术的研究和发展。至今，微波技术已成为一门无论在理论和技术上都相当成熟的学科，又是不断向纵深发展的学科。

【实验设计】

一、实验原理

1、微波

微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热，微波炉就是利用这一特点制成的，而对金属类东西，则会反射微波。

2、微波的似声似光性

微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减小，使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。

由于微波波长与物体（实验室中无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，即所谓的似声性。

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。

微波基本参数的测量实验报告

4、谐振腔

用于微波波段的谐振电路，通常是在波导的两端用导电板短路而构成的封闭腔体。电磁场被限制在腔内，没有辐射损耗，谐振腔的品质因数Q值较高。但是由于要与不同频率的微波发生谐振，即需要改变频率，那么必须改变谐振腔的尺寸，进而影响到谐振腔的品质因数Q。

在理想的无耗谐振腔内，任何电磁扰动一旦发生就永不停歇。当扰动频率恰使腔内的平均电能和平均磁能相等时便发生谐振，这个频率称为谐振频率。而谐振腔的主要参数就是谐振频率f和品质因数Q。

5、功率计

功率计由功率探头和指示器两部分组成，功率探头是一个依据能量守恒定律，将微波功率线性地装换成直流电压的换能器。指示器是一台高增益、低噪音的直流电压放大器，放大功率探头提供的微弱信号，用数字电压显示功率值。

功率探头是利用热电效应将射频功率线性地装换成热电势输出。其中的射频直流转换部分：主要是由热元件及匹配的散元件组成，热电元件采用真空镀膜技术，在介质薄膜上形成热电偶堆，在同轴结构的电磁场中，它既是终端的吸收负载，又是热电转换元件，电磁波从同轴传输线部分输出，消耗在热元件上使热电堆上两个热点节的温度上升，产生与所加射频能量成正比的热电动势，该电势送入指示器进行放大，做读数指示。

二、实验过程

1、实验准备

仔细阅读实验讲义和实验室提供的仪器说明书，明确实验中的注意事项，初步掌握仪器的工作原理和使用方法；

2、频率测量

①按微波信号源→隔离器→可变衰减器→波长表→测量线→可变电抗的顺序连接好微波系统，将检波器及检波指示器接到被测件位置；

②旋转波长表上的测微头，边旋转边观察检波指示器上的指针偏转情况。当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰，反映在检波指示器上的是一跌落点，微调螺旋测微头，当指针偏转最小时，读出测量头读数，查出相对应的频率。

3、功率测量

①将传输线路终端接入功率探头探头和功率表，并选择合适的量程，在无信号时对功率计调零（注意换挡调零）；

②把波导开关旋转至功率探头一边，发现功率表上有读数出现，读出功率读数并记录。

4、波长测量

换下检波器，接短路板，调节测微探头，记录与波幅、波节相对应的测量线上的读数L1、L2调节测量线，λ=2（L2-L1）。

5、驻波比的测量

⑴小驻波比的测量

①调节选频放大器上的调零旋钮，使指针指示为零；

②接入被测信号，调整“频率”旋钮，必要时可以换挡，直到仪器读数最大；

③沿测量线移动探针使仪器得到最大指示值时，即波腹点位置，读出此时表头读数UMA_；④沿测量线移动探针使仪器得到最小指示值，即波谷点位置，读出此时表头读数UMIN，根据

1/2ρ=（UMA_/UMIN），算出驻波比。

微波基本参数的测量实验报告

⑵大驻波比的测量

①调节测量线，直到在选频放大器上指针偏转最小，然后向左和向右调节测量线指针，使选频放大器读数显示为最小值的两倍，记下测量线移动的距离d；

②将测量线调节至最左端，然后在选频放大器上选择一个合适的读数值，使测量线依次从左到右移动；

③记下每次使选频放大器读数相同时的测量线位置_1、_2、_3、_4；

④由波导波长1/2λg=L2-L1（其中L1=1/2（_1+_2），L2=1/2(_3+_4)）算出波导波长；⑤由大驻波比的计算公式ρ=λg/πd，将上述测得的值代入可以算出大驻波比。

三、数据记录及处理

1、频率测量

由波长表读数得6.735mm，查找对应的频率为9164MHz。

2、功率测量

在功率表上直接读数得微波的功率为0.42mW。

3、小驻波比测量

UMIN1为52.0微伏，UMA_1为57.4微伏，UMIN1为51.8微伏，UMA_2为57.4微伏

求平均可以得UMIN为51.9微伏，UMA_为57.4微伏，由ρ=（UMA_/UMIN）1/2算得驻波比为1.0517

4、大驻波比测量

d=0.420mm，_1=100.107mm，_2=123.083mm，_3=123.792mm，_4=146.465mm，

那么L1=1/2（_1+_2）=111.595mm，L2=1/2(_3+_4)=135.285mm

由此得λg=2（L2-L1）=47.38mm，而ρ=λg/πd=36.39

【总结】

通过这次实验，我学会了微波的基本参数的测量方法，了解了波长表、功率探头等一系列仪器的原理及组成，同时对微波的一些特性也有了更深入的理解。

在实验中，虽然遇到了这样那样的问题，但是在老师的帮助和自己的努力下，都得到了妥善地解决。对于实验的结果和完成情况，自己还是比较满意的。不足的可能是实验预习准备的还是不够充分，同时实验完成的时间也相对比较长，效率不是特别高，但是值得庆幸的是毕竟能够独立的完成整个实验，并且完成的比较好。

这次实验的完成，为我在日后的学习和生活中完成类似的实验奠定了基础。在以后的近代实验中，我一定会在实验预习方面投入更多的精力，了解更多的相关方面的知识，为很好的完成整个实验打下扎实的基础。

【参考文献】

[1]近代物理实验讲义.[J]浙江师范大学数理信息学院近代物理实验室.20__年9月9日

[2]张、董.近代物理实验.[J]科技出版社.20__年1月

思考题：影响波长表（即谐振腔）的精度的因素有哪些如何提高其精度

对于谐振腔而言，其品质因数Q的高低直接决定着谐振腔效率的高低。从Q能知道在电磁振荡过程中有多少能量损耗。

由Q=2V/δS（其中δ为电磁场在谐振腔内壁的集映深度，V为空腔体积，S为内壁表面积）可知，影响谐振腔的精度主要：

1、谐振腔的形状，其形状决定了空腔的体积和内壁表面积的大小；

2、所需要测量的微波的频率，为了引起谐振，必须改变谐振腔的尺寸，那么就和1中效果一样了；

3、微波的趋肤效应的影响；

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4、腔内介质的影响，主要是其具有一定的导电性；

5、谐振腔的材质所造成的影响，其影响大小主要决定于材质的相对磁导率。

由上面可以知道，由于我们需要测量未知微波的频率，必须使谐振腔的尺寸可以改变（即体积和内壁表面积可以改变），那么我们只能从4、5两点着手来提高谐振腔的品质因数：

1、由于整个谐振腔是密封的，那么可以在制作时在其空腔内充入导电性较差的气体

2、在介质损耗相同的情况下，谐振腔的品质因数随相对磁导率呈增加趋势，且介质损耗越小，增加趋势越明显，故可以选择相对磁导率高的金属材料来做谐振腔。