微波基本参数的测量..doc

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）： TEM 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V c 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 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Z L 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y E 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， y E 将沿z方向呈行波状态，并在x = a/2 的纵剖 面内， 沿z 轴