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微波技术与天线实验指导书南京工业大学信息科学与工程学院通信工程系目录实验一微波测量系统的熟悉和调整 - 2 -实验二电压驻波比的测量 - 9 -实验三微波阻抗的测量与匹配 - 12 -实验四二端口微波网络阻抗参数的测量 - 17 -实验一微波测量系统的熟悉和调整一、实验目的1. 熟悉波导测量线的使用方法；2. 掌握校准晶体检波特性的方法；3. 观测矩形波导终端的三种状态（短路、接任意负载、匹配）时，TE10波的电场分量沿轴向方向上的分布。
二、实验原理1. 传输线的三种状态对于波导系统，电场基本解为(1) 当终端接短路负载时，导行波在终端全部被反射――纯驻波状态。
在x=a/2处其模值为：最大值和最小值为：(2) 终端接任意负载时，导行波在终端部分被反射――行驻波状态。
在x=a/2处由此可见，行驻波由一行波与一驻波合成而得。
其模值为：可得到最大值和最小值为：(3) 终端接匹配负载时，导行波仅有入射波而无反射波――行波状态。
其模值为由上述可知，在测量线的终端分别接上短路器、任意负载和匹配负载，移动探针位置，都可以观测到测量线中不同位置的电场强度（复振幅大小）对应的电流指示读数。
2. 由测量线的基本工作原理可知，指示器的读数1是探针所在处|E|对应的检波电流。
任一位置处|E|与I的对应关系应视检波晶体二极管的检波特性而定。
一般，这种关系可通过对二极管定标而确定。
所谓定标，就是找出电场的归一化值|E’|与I的对应关系。
我们知道，当测量线终端短路时：如果我们取任意一零点（波节点）作为坐标起始位置，且坐标用d表示，则：晶体二极管上的检波电压u正比于探针所在处|E’|。
所以上式可用u的归一化值u’来表示。
即：晶体二极管的检波电流I与检波电压u之间的关系为：式中c为比例常数，n为检波率。
式中c’为比例常数。
3. 当测量线的探针插入波导时，在波导中会引入不均匀性，从而影响系统的工作状态。
探针在开槽线中与电场耦合，其效果相当于在等效传输线上并联了一个探针支路。
电波与天线实验教案第一章：电波概述1.1 电波的定义与分类1.2 电波的传播特性1.3 电波的传播介质1.4 电波的极化与相位第二章：天线基本原理2.1 天线的定义与作用2.2 天线的分类与结构2.3 天线的参数与计算2.4 天线的辐射特性第三章：天线的设计与制作3.1 天线设计的基本原则3.2 常见天线的设计与制作方法3.3 天线的优化与调整3.4 天线的测试与评估第四章：电波与天线的应用4.1 无线电通信与广播4.2 移动通信与卫星通信4.3 雷达与遥感技术4.4 无线传感器网络第五章：电波与天线的测量与实验5.1 实验器材与设备5.2 实验原理与方法5.3 实验操作步骤5.4 实验数据的处理与分析第六章：电磁波的产生与发射6.1 振荡器的工作原理6.2 电磁波的产生6.3 发射天线的设计与匹配6.4 发射功率与辐射效率第七章：电磁波的接收与处理7.1 接收天线的作用与设计7.2 放大器与滤波器7.3 信号的采样与量化7.4 数字信号处理技术第八章：无线通信系统的组成与工作原理8.1 无线通信系统的基本组成8.2 调制与解调技术8.3 信道编码与错误控制8.4 频率分配与干扰抑制第九章：天线的测量与性能评估9.1 天线参数的测量方法9.2 天线性能的评估指标9.3 测量误差的分析与处理9.4 天线测试系统的设计与实现第十章：实验案例分析与实践10.1 实验案例的选择与分析10.2 实验操作的安全注意事项10.3 实验数据的采集与分析重点和难点解析一、电波的定义与分类：理解电波的基本概念，区分不同类型的电波，如射频波、微波、红外线等。
二、电波的传播特性：掌握电波在自由空间和介质中的传播规律，理解多径效应、折射、反射等现象。
三、天线的参数与计算：熟悉天线的主要参数，如阻抗、辐射电阻、方向性等，学会计算天线的基本参数。
四、天线的辐射特性：理解天线辐射的基本原理，掌握天线辐射图的绘制方法。
五、天线的设计与制作：掌握天线设计的基本原则，学会设计和制作常见类型的天线。
天线与电波传播天线部分：引言天线是一种用来发射或接收电磁波的器件，是任何无线电系统中的基本组成部分。
换句话说，发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”波，接收天线则与此相反。
于是信息可以在不同地点之间不通过任何连接设备传输，可用来传输信息的电磁波频率构成了电磁波谱。
人类最大的自然资源之一就是电磁波谱，而天线在利用这种资源的过程中发挥了重要的作用。
第一讲：传输线基础知识在通信系统中，传输线(馈线)是连接发射机与发射天线或接收机与接收天线的器件。
为了更好的了解天线的性能与参数，首先简单介绍有关传输线的基础知识。
传输线根据频率的使用范围区分有两种类型：1、低频传输线；2、微波传输线。
这里重点介绍微波传输线中无耗传输线的基础知识，主要包括反映传输线任一点特性的参量：反射系数Γ、阻抗Z 和驻波比ρ。
一、反射系数Γ这里定义传输线上任一点处的电压反射系数为()()''''''''2()()()00j z j z j zl U z z U z U z e Uzee βββ-+--+-Γ=====Γ (1)由上式可以看出，反射系数的模是无耗传输线系统的不变量，即 ()'l z Γ=Γ (2) 此外，反射系数呈周期性，即()()''/2g z m z λΓ+=Γ (3) 二、阻抗Z这里定义传输线上任一点处的阻抗为 ()()()'''U z Z z I z =(4)经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式()''00'0tan tan l l Z jZ z Z z Z Z jZ zββ+=+ (5) 三、驻波比ρ(VSWR)这里定义传输线上任一点处的驻波比为 ()()'max 'minU z U zρ=(6)经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式 11l lρ+Γ=-Γ (7)此外，这里还给出反射系数与阻抗的关系表达式()()()()()()''''''011z Z z Z z Z z Z z Z z Z +Γ=-Γ-Γ=+ (8)这里还简单介绍一下传输线理论所要用到的一些基本参数，例如特性阻抗0Z 以与相位常数β，具体表达式如下： 02,L Z LC C πβωλ===(9) 此外，不同的系统有不同的特性阻抗0Z ，为了统一和便于研究，常常提出归一化的概念，即阻抗()'0Z z Z 称为归一化阻抗()()''Z z Z z Z =(10)第二讲：基本振子的辐射一、电基本振子的辐射电基本振子(Electric short Dipole)又称电流元，无穷小振子或赫兹电偶极子， 它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l 远小于波长λ，其半径a 远小于l ，同时振子沿线的电流I 处处等幅同相。
天线与电波传播实验指导书天线与电波传播实验一辐射波幅值分布方向性测试一、实验目的1•掌握微波信号发生器及测量放大器的使用方法；2•了解水平面接收天线方向性的测量方法。
二、实验仪器1•标准信号发生器： YM1123或XB9A2.选频放大器： YM3892或XF— 013.喇叭天线4.波导调配器5.可变衰减器6 .波导元件三、实验原理及步骤对于辐射波传输方式，最重要的是测试其辐射场幅值分布的方向性，其表征量是天线方向函数及方向图。
1.系统组成图1-1 系统组成原理框图2 .喇叭天线工程上常用的喇叭天线是角锥喇叭，原因是其匹配较好而效率接近100% （G- D）。
但是由于其口径场的幅值、相位不是均匀分布，虽然其辐射主向仍是口径面法线方向（波导轴线方向），但是主瓣宽度、方向系数的计算很复杂。
可用以下公式进行估算：E面（yoz面）主瓣宽度电子与通信工程实验室= 53—"OSE（ 1-1）bH面（xoz面）主瓣宽度天线与电波传播实验指导书2%5H =80 —a i(1-2 )= 0.51 4二(1-3) 方向系数（最佳尺寸的角锥喇叭）图1-2是角锥喇叭的三维标高方向图。
具体参数喇叭口径a1=5.5入，6=2.75入；波导口径a =0.5入，b =0.25入；虚顶点至口径面距离j 1 =出=6入。
图1-2 角锥喇叭的三维标高方向图图1-3为本实验所用喇叭天线示意图: E面八-mMHfjt-趴 e ■ 0° *:相对提幅图1-3 实验所用喇叭天线电子与通信工程实验室3•测水平面接收天线方向性图1-1为测量喇叭天线方向性的系统组成情况。
测量时改变接收喇叭天线的方位角，可测出喇叭天线水平面的方向性（按接收到信号的强弱）。
严格的测量应在微波暗室中进行，这样可以消除反射波影响。
但在微波段，因其传播方向性较强，而且房屋墙壁吸收较强，地面影响也可略去，因而这样在普通实验室内测量偏差也不很大。
测天线方向图应有专用天线转台，它有精确的角度（水平面方位角，垂直面俯仰角）刻度指示。
本实验主要测水平面即方位方向性。
四、实验内容及步骤按照系统组成原理图连接好设备。
开启信号源，调节其输出电平及频率，选择连续方波内调制方式，重复频率为1KHz左右。
实验室过程中适当调整选频放大器的分贝衰减档及增益控制旋钮，避免在输出较大时选频放大器指针打表，1•当两喇叭天线分别相距100cm、50cm时，选频放大器读数各是多少，利用课堂所学理论分析并阐述为什么。
2•使两喇叭天线相距 50cm,转动发射天线，在改变两喇叭天线相对水平角度的同时，观察选频放大器指针读数如何变化，何角度时指针偏转最大、最小，读数各是多少（两喇叭天线相对水平角度记为 0°）。
利用课堂所学理论分析并阐述为什么。
3.拆下两喇叭天线，即成口径面天线，比较一下安装喇叭天线与安装口径面天线时系统接收、发射性能，利用所学理论分析并阐述原因。
比较方法一：使两口径面天线相距50cm,读出选频放大器指针读数与步骤1结果比较；比较方法二：以两喇叭天线相距 50cm时选频放大器指针读数为标准，两口径面天线相距多远选频放大器指针能获得此数值。
五、实验注意事项本实验所使用的仪器设备非常精密且价格昂贵，要求同学们作实验时爱护仪器、正确使用。
系统连接参照指导书上原理图，测量时调节系统中各旋钮要求力度适中且动作徐缓，一是保护仪器，二是使测量结果更加精确。
另外，注意观察测量放大器表盘的指针是否超出测量范围，如最大值超过满量程刻度的3/4，调节衰减旋钮，降低信号幅值（调节标准信号发生器、波导系统中的可调衰减器、选频放大器均可）。
六、实验报告1 •出系统的原理框图，并说明喇叭天线在系统中的作用；2.记录并处理实验数据，得出实验结论；3.回答问题；4.讨论误差原因，说明如何避免误差。
附录：实验所用仪器介绍1.YM1123为3cm波段信号发生器，本仪器适用于实验室及生产车间条件下，供接收机、测量线及其它无线电微波工程设备作为信号源用。
本仪器采用集成电路，具有体积小、天线与电波传播实验指导书重量轻、耗电量小、携带和使用方便等特点。
a .技术参数：频率范围 7 .5GHz- 12.4 GHz输出功率(1)毫瓦输出：在电压驻波比不大于 1.7的500?负载时不小于5mw(2)微瓦输出：-10dBm〜-10OdBm(在电压驻波比不大于 1.7, 50?负载时)。
b .仪器有下列工作方式：(1)等幅(=),电表及内部直流放大器组成微瓦小功率计，用来测量校准衰减器在 100敝时0dB定标(相当于-10dBm)。
误差为力±dB。
(2)内方波调制重复频率范围：x 1时，40Hz〜400HzX 10 时，400Hz〜4000Hz刻度误差：戈0%±0Hz前后沿均不大于0.5必(3)内脉冲调制重复频率范围：X l时，40Hz〜400HzX 10 时，400Hz〜4000Hz刻度误差：戈0%±0Hz宽度范围：1必〜30刻度误差：戈0%±).2必前后沿均不大于0.2必(4)延迟范围：3必〜300必刻度误差：戈0%± pSf重不大于2000Hz时，延迟范围可达 300 PSf重大于2000Hz时，延迟范围由 O.6 X 106/f重(pS)确定。
(5)外整步可接受重复频率为40Hz〜10KHz的正或负极性，幅度为 4〜I 8V的脉冲信号(其输出高频调制脉冲宽度、延迟与内调制时相同)。
(6)外调制可接受重复频率为40HZ〜10KHZ,宽度为0.5 PS〜300 ^So幅度为4〜I8V正或负极性的脉冲信号。
(7)整步脉冲输出，无论内或外调制内方波调制时(负载阻抗不小于 10K?，负载电容小于20PF)，仪器均能给出前沿优于0.5 PS及不小于2V,整步脉冲信号输出。
本仪器调制方式，是在高频输出系统中，采用同轴PIN调制器，调制深度》26dB。
C.面板调节控制机构作用介绍面板调节控制机构示意图见附图 1 — 1。
电子与通信工程实验室(1)电源开关按下，仪器电源接通到规定的预热时间仪器即开始正常工作。
(2)工作状态开关：按“”或“ I ”键可改变工作状态，指示灯也相应改变。
(3)“调谐”旋钮调节可改变输出频率。
(4)“调零”旋钮调节可改变电表电气调零。
(5)“衰减调节”旋钮可控制输出电平。
(6)“衰减调零”为100川基准OdB校准。
(7)“X I、x 10”开关：调制信号重复频率开关。
(8)“重复频率”旋钮调节可改变调制信号重复频率。
(9)“脉宽”旋钮调节可改变调制信号脉冲宽度。
(10)“延迟”旋钮调节可改变调制信号脉冲延迟时间。
d .使用方法(1)电源开关置于“开”时，工作状态指示灯亮。
(2)工作状态选择置于“等幅”，作大信号或无定标要求应用时，调节“衰减调节”可控制输出功率的大小，反时针调节，信号输出增大，衰减显示减小。
顺时针调节，信号输出减小，衰减显示增大。
(3)作小信号定标要求应用时，调节“调谐”旋钮，选定所需频率指示，“衰减调节”顺时针调至极端上，将仪器附带的功率探头，其带探头的一端与仪器背后的三线插座联接，探头一端与输出孔联接，工作状态置于“外调制”，调节“零点”旋钮，校准表头电气零点，工作状态置于“等幅”，然后“衰减调节”反时针慢摇，至电平指示为100 ^A刻度上,调节“衰减调零”旋钮，使衰减显示为 000.0的位置。
校准后，衰减器读数为0dB相当于100^W(-10dB)，最后拆下功率探头与被测仪器联接。
若要改变工作状态只须根据工作状态选择按键置于选定位置即可。
(4)“方波”与“脉冲”状态时，其重复频率范围与倍乘范围是共用的，都可以连续调节的。
(5)“外调制”或“外整步”工作状态时，输入脉冲信号均由外脉冲插座输入。
(6)仪器面板上三个顺序排列的电位器，自左起分别为“重复频率”、“脉宽”、“延迟”的调节系统。
(7)仪器在输出功率不大于 5mW寸,保证频率精度。
电子与通信工程实验室2. YM2892选频放大器 是一种检测微弱信号的精密测量放大器，与测量线配套，可以构机制控节调板W 1 -﹁ ”n y rt p三—— J -E y rl I B T l a j w﹁nV-二呂自 甜划墙llr 设彰并”占天线与电波传播实验指导书16Hz 通带，不低于0.5 N 。
测量信源频率与负载阻抗等等。
a .技术参数：⑴ 工作频率：1000Hz ，可调范围不小于 40Hz ⑵通频带： 16Hz 、24Hz 、32Hz 、40Hz 、±20% (3) 灵敏度：在阻抗为200 ?，电表满度偏转情况下,⑷表头刻度：刻度0〜1000mV 分贝0〜l0dB 驻波比1〜4, 3〜10非线性误差：小于满刻度值的5%⑸ 放大器量程：0〜60dB,每10dB ±0.5dB 步进0 〜5dBi0.2dB 0〜5dB 连续可调⑹输入阻抗： 200 ? , 2000K? b .调节机构(1) 表头(2) 分贝壳选择开关：0〜60dB 步进。
(3) 频率调节：调谐输入信号频率。
附图1 -2调节机构示意图(4 )输入阻抗转换开关：分200?、200K?两档。
(5)接地(6)增益控制旋钮：可在 0〜5dB连续调节。
(7)带宽控制开关：按需要可选择16、24、32、40Hz四档带宽。
(8)输入接头：Q9(9)0/5dB选择开关。
(10)电源开关：左边按下为开机状态。
c仪器使用方法准备工作：(1)检查输入交流电源电压是否正确。
(2)表头机械调零：在电源不接通时，使表头指示指零。
(3)分贝开关不要放在 50dB、60dB位置，以免工作时因信号过大损坏表头。
(4)增益电位器放在中间位置。
(5)接通电源，预热 30分〜1小时后，再进行系统测试。
仪器使用：(1 )输入信号，选择输入阻抗200?或200k?。
(2)按被测信号的强弱选择分贝开关的位置，0dB可输入信号最大。
(3)通带调节：仪器通带分 16Hz、24Hz、32Hz、40Hz四档，当仪器灵敏度能满足要求时，选择较宽的通频带，仪器性能较稳定。
(4)频率调节：每次使用或通带换档时，频率调节都要调谐到信号最大。
旋钮顺时针转动为频率降低。
(5)增益调整：配合分贝转换开关控制信号的大小，一般增益开关放在中间或中间偏上的位置。
旋钮顺时针旋转输出信号增大。
(6)0/5dB开关一般放在正常位置。
驻波比的测量：按一般驻波比测量法，可直接在驻波比刻度1〜4上读出被测负载的驻波比。
当驻波比读数大于3.2时，分贝开关可顺时针方向旋转一档，在驻波比刻度 3.2〜10上读出驻波比。
d .注意事项：仪器使用中发现表头超过范围打表头时，首先应调节分贝开关，逐档降低分贝指示读数，若不起作用应停止使用，待找到原因并消除故障后再使用。
