工程电磁场实验.ppt

工程电磁场实验,李进,微波指的是分米波、厘米波和毫米波。频率范围的一种说法是300kHz-300GHz,相应波长是1m-1mm；另一种说法是1GHz-1000GHz,相应的自由空间的波长为30cm-0.3mm。,微波测量技术的特点,微波波普处于无线电波普的高端，波长较短，因此带来一系列的优点。因为波长短，使得同样尺寸的天线具有较高的方向性和分辨能力，或相同性能的天线具有相对小的尺寸。,在微波波段，电波在大气中衰减比较小（与红外、光波相比较），并能够穿过电离层。对于通信、雷达、遥感、遥测、全球定位系统（GPS,global positioning satellites）等应用系统来说，微波确实提供了非常好的性能：低的大气传播衰减，高的辐射方向性和高的分辨率。,因为波长短，在相对频率带宽相同时，微波能提供较宽的可用的频谱。例如，分米波段、厘米波段和毫米波段的频谱宽度分别为2.7GHz、27GHz和270GHz，这是一个非常丰富的频谱资源，必须很好地利用和配合。,因为波长短，使得微波设备的尺寸可以做的相对较小，便于安装在飞机、导弹、卫星等各种飞行物中。正是由于微波的这些优点，微波工程在国防工业和信息产业中的地位变得至关重要，几十年来对于微波波普的开发和利用经久不衰，而微波也从最初的军事应用逐渐转变到以民用为主。,低频和微波波段的电路实现的区别,微波技术是无线电技术向高频发展形成的分支技术,微波测量技术是微波技术的辅助部分，它对微波技术的发展和应用起到很重要的作用。同其他尖端科学技术一样，微波技术中有很多问题在理论上并没有完全解决，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验证。例如，理论上可以计算出空腔谐振腔的品质因素，但由于实际加工生产出来的谐振腔不一定完全理想，因此，空腔谐振腔的品质因素仍然要由实际的测量结果决定，而根据实际测量的结果又可以进一步验证理论计算。,在微波元器件和微波设备的生产过程中，微波测量也是必不可少的。此外，在实际工作中，我们还常常需要知道振荡器的振荡频率、输出功率以及传输线的匹配情况。可见，在科学研究和生产实际中，微波测量技术是极其重要的环节。,很多基本研究例如微波波普分析、粒子加速度等都要用到微波测量技术。因此，掌握微波测量技术是极其重要的。但必须指出，微波测量技术本身是建立在理论的基础上。因此，掌握足够的微波理论是正确地、灵活地应用微波测量技术的必要条件。,微波技术主要研究如何引导电磁波在微波传输系统中的有效传输.它的特点是：希望电磁波按一定要求沿着传输系统无辐射地传输。因为对传输系统而言，辐射是一种能量的损耗。在一个大系统中，如通信系统、雷达系统、遥感系统或GPS中，微波工程系统通常是其中的一个子系统，其特征是微波系统工作在微波波段。,微波技术是无线电技术向高频发展而形成的分支，它与一般的无线电技术有着共同的基础。因此，两种测量有着共同之处，某些微波测量的方法也在低频中应用（如驻波测量法），而低频测量中的差频法在微波测量中也能应用。微波测量的内容很多，实验课中所进行的是微波基本量的测量。与一般的无线电测量相比较，微波测量具有很多不同的特点：,（1）微波测量的基本量是功率、波长、驻波比S,而不是电压V、电流I和电阻Z。在低频时，无线电工程测量均建立在原始参量电压、电流和频率的基础上，其他参量，如波长、功率、阻抗、品质因数和放大系数等均可由这三个基本量导出。然而，随着频率提高到微波波段，电压、电流不仅失去了原来的意义，而且根本无法直接测量，所以，电压、电流不能再作为微波测量的基本参数。,微波的重要特点是频率高，波长短（和电路的尺寸差不多甚至更小），电磁场的空间效应不能忽略，因此不能像低频那样用电路的概念和方法来处理问题，而是必须采用场的概念来研究微波问题。因此，微波测量的基本量是以场强为基本量的驻波比、功率、波长等，而其他参量如阻抗（或导纳）、衰减系数、增益和品质因素等，原则上都可以由基本量导出。功率一般是借助能量变换装置，将微波电磁能变换成其他形式的能量来测量，而不是从电压和电流出发来进行计算的；波长则往往根据电磁场的驻波分布直接进行长度的测量；阻抗测量是通过测量驻波比以及驻波最小点至负载的距离，从而确定阻抗；衰减量的测量则可以转化为功率的测量；谐振腔Q值的测量可以转化为频率和驻波比的测量等。,用分布参数的元器件代替集中参数的元器件,在低频时，每一个元器件都有特定的电参数值，如电阻、电容、电感等。在微波段，由于频率高，波长同一般电子元器件的尺寸差不多，故一般的接线或普通的电子元件就相当于天线，将会产生严重的辐射。因此，在微波电路中，一般低频集中参数的电阻、电容和电感已不能使用，而应以闭合的波导管、空腔谐振器以及各种类型的波导元件来代替一般的传输线、振荡回路和电路元件。,(3)在低频和微波波段的电路实现具有很大的区别。,开路：不接任何元器件就可以在低频时实现开路；在微波波段，如果不接元器件，则从开路处会有微波辐射出去，因此要用到可调短路器才可以实现真正的开路，在短路时再移动1/4个波长就可以实现开路。短路：在低频时，用一根导线就可以实现短路；在微波段，需要用一个短路板或可调短路器来实现短路。,匹配：在低频时，调节电压和电流可以实现匹配；在微波波段，需采用各种匹配器，调节可调螺钉来实现匹配。滤波：在低频时，实现滤波的电路非常容易；在微波段，采用传输线的实现方式，如波导、同轴线、带状线和微带等，用这些传输线的电抗元件可实现滤波器的四种频率变换（低通、高通、带通、带阻）。,谐振：低频时，用电容、电感实现谐振；在微波段，采用谐振腔，其等效电路是等效为电容、电感来实现谐振的。(4)机械加工要求十分严格。对于波导管来说，内壁要求十分光滑，需要镀金或银，内壁的光滑度对测量结果影响很大。(5)理论性强。微波测量本身有一套完整的系统理论，是一门独立系统的课程。,微波测量系统的认识与调试,微波测量系统微波测量一般都是在微波信号源和若干波导或同轴元件组成的微波测量系 统上进行的，根据信号源输出功率电平的大小，可分为小功率和大功率两类微波测量系统，其中大功率波导测量系统主要用来测量大功率微波管的特性。,微波测量系统通常由以下部分组成，图所示的是一种较常用的小功率波导测量系统。图中信号源产生的微波信号通过同轴-波导转换进入测量系统。隔离器作为去耦合衰减器，防止反射波进入信号源，影响其输出功率与频率的稳定。可调衰减器用来调节输出功率的大小，使指示器有适当的指示。正接的定向耦合器从主波导中分出部分功率到副波导中，供监视功率和测量频率之用。,测量线技术测量线是微波测量中的常用仪器,它在微波测量中用途很广，不仅可以用来测量传输线上的驻波场分布,还可以测量波长、阻抗、衰减、相位移、Q 值等微波参量，有“微波万用表”之称。其使用方便、灵活,具有一定精度，因而在微波测量中有广泛应用。,微波实验内容,微波测量系统的连接、调整与频率检查本实验内容主要解决以下内容：1.熟悉测量装置中各种微波元件和它的作用。2.熟悉微波信号源的工作方式和信号检测3.用吸收式频率计测量工作频率f0实验所依据的简单原理,探针电路调谐,当波导中存在不均匀性或负载不匹配时，波导中将出现驻波。测量驻波特性的仪器为驻波测量线（简称测量线）。探针调节的方法是将探针穿透深度放在适当位置（通常在1.52mm，出厂时已调整并加锁定套）。然后调节探头的调谐活塞（侧立小园盘）使选放指示最大，调谐的过程就是减小探针反射对驻波图形的影响和提高测量系统灵敏度的过程，这是减小驻波测量误差的关键，必须认真调整。另外当改变信号发生器频率或探针插入深度时，由于探针电纳Yp相应改变，必须重新进行探针调谐。,信号源方波调制及选频放大器功能利用：,为了便于观察及分析信号量化，在微薄信号源中调制1kHz方波，经检波后输入到选频放大器中（选放相当于1kHz频率，16Hz带宽，060dB增益的放大器）。其表头上有01000刻度，电流量（值）及010dB的分贝值及驻波比14及410二档的刻度值，可不需要计算而直接读出，大大省略了测量步骤。因此在开机后务请切换至方波调制档才能正常工作。,测试方法检查仪器是否连接正确，参照基本系统连接方框图开机检查YS1125，频率是否显示正常，并调到9.37GHz，工作状态须选择在“等幅”或“方波”处，方波频率是否在1000Hz处（系统若使用YS1124信号发生器时，只要打开YS1124电源后，前面板显示9.37GHz，此时输出为等幅信号，当按动“选择”键，面板方波灯亮，说明此时工作于1kHz方波调制状态）。对YS1125而言，工作状态锁定在“方波”处。,将YS3892选频放大器增益放大选择位置调至40dB处，频率微调使表针最大，并调谐TC26的探头，能在YS3892表头读数最大。若表针超过刻度可调节增益电位器减小指示，或将放大选择调至30dB处。译动TC26探针平台，可观察到从大到小及从小到大的周期变化（即波腹与波节交替出现）此时系统即处于正常待测状态。此时调节YS3892增益电位器使表针处于满刻度处，旋转PX16上的黑盖，在9.39.4GHz处放慢旋转动作，会有一个明显表针跌落，该跌落处即是实际频率点。观察二条红色滑标与竖红线的交叉点“”处，正确读出刻度值。为巩固知识，可选择在9.37GHz、8.6 GHz、9 GHz、9.6 GHz再重复上述步骤，读取各实际频率并作记录。,为巩固知识，可选择在9.37GHz、8.6 GHz、9 GHz、9.6 GHz再重复上述步骤，读取各实际频率并作记录。完成上述测试及记录后，再恢复到9.37 GHz处，以便进行其他实验。对YS1124点频信号源而言请按以下方法记录数据：,标称 f：9.37GHz实测：f0=误差率：,