现代微波测量技术(三)

微波基本参数的测量一、实验目的1、了解各种微波器件；2、了解微波工作状态及传输特性；3、了解微波传输线场型特性；4、熟悉驻波、衰减、波长（频率）和功率的测量；5、学会测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。

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： 0=Z E ,0=Z H 。

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0=Z E ,而0≠Z H 。

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0=Z H ，而0≠Z E 。

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mm T E 波，又能传输mm T M 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、波导管：波导管是引导微波电磁波能量沿一定方向传播的微波传输系统，有同轴线波导管和微带等，波导的功率容量大，损耗小。

常见的波导管有矩形波导和圆波导，本实验用矩形波导。

矩形波导的宽边定为x 方向，内尺寸用a 表示。

窄边定为y 方向，内尺寸用b 表示。

10TE 波以圆频率ω自波导管开口沿着z 方向传播。

在忽略损耗，且管内充满均匀介质（空气）下，波导管内电磁场的各分量可由麦克斯韦方程组以及边界条件得到：()sin()j t z o y x E je ωβωμππα-=-， ()sin()j t z o x xH j e ωβμαππα-=()cos()j t z z x H e ωβπα-=， x y z E E E ==，2gπβλ=其中，位相常数g λ=，波导波长cf λ=。

微波基本参数的测量一、实验目的1、了解各种微波器件；2、了解微波工作状态及传输特性；3、了解微波传输线场型特性；4、熟悉驻波、衰减、波长（频率）和功率的测量；5、学会测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。

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： 0=Z E ,0=Z H 。

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0=Z E ,而0≠Z H 。

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0=Z H ，而0≠Z E 。

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mm T E 波，又能传输mm T M 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、波导管：波导管是引导微波电磁波能量沿一定方向传播的微波传输系统，有同轴线波导管和微带等，波导的功率容量大，损耗小。

常见的波导管有矩形波导和圆波导，本实验用矩形波导。

矩形波导的宽边定为x 方向，内尺寸用a 表示。

窄边定为y 方向，内尺寸用b 表示。

10TE 波以圆频率ω自波导管开口沿着z 方向传播。

在忽略损耗，且管内充满均匀介质（空气）下，波导管内电磁场的各分量可由麦克斯韦方程组以及边界条件得到：()sin()j t z o y x E je ωβωμππα-=-， ()sin()j t z o x xH j e ωβμαππα-=()cos()j t z z x H e ωβπα-=， x y z E E E ==，2gπβλ=其中，位相常数g λ=，波导波长cf λ=。

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：0=Z E ,0=Z H 。

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0=Z E ,而0≠Z H 。

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0=Z H ，而0≠Z E 。

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mm TE 波，又能传输mm TM 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cλ ：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λ小于临界波长λc 时，电磁波才能在矩形波导中得到传播。

mm TE 波或mm TM 波的临界波长公式为：22)()(2bn a m c +=λ （1）(b)波导波长gλ和相速V 、群速Vc ：色散波在波导中的波长用gλ表示。

微波量測(Microwave Measurement)微波量測在以往微波工程領域均扮演事後驗證與支援的角色，雖然成功的設計需仰賴在製程技術、元件模型、電路設計與模擬軟體上投注的大量資源；然而，微波量測技術實質上參與、聯繫、強化上述四種技術的發展；尤以近年來於微波、毫米波、THz等頻段之微波光子、射頻、高速數位、混合訊號等應用上，因為複雜度的提高，許多借助量測結果的模型直接使用在設計流程中，因此，微波量測在未來無線通訊技術的發展上，將成為不可或缺的一環。

以下建議之研究方向，係參考兩個著名的微波量測發展機構MTT-11(/~mtt11/)與ARFTG (/)近期推展之研究主題，與目前國內學界研究方向綜合整理而成。

1.微波/毫米波/THz/光波之電路元件與系統量測技術基於高頻/高速/光電系統晶片整合之需求，涵蓋微波、毫米波、THz、光波等頻段關鍵元件之線性、非線性、雜訊等參數量測與模型建立。

建議研究主題如下：(1)主動元件之線性、非線性及雜訊量測與模型化技術。

(2)負載拉移(Load Pull)與非線性向量網路分析儀(NVNA)之量測技術。

(3)毫米波及THz收發機之連續波、雜訊指數與數位調變測試技術。

(4)毫米波及THz訊號源之量測技術，包括相位雜訊[8.1]與調變特性量測等。

(5)毫米波及THz光子(mm-wave/THz Photonics)訊號特性量測技術。

2. 多埠向量網路分析儀之量測技術[8.2-8.5]關於向量網路分析儀量測技術，主要歸納為同軸型(Coaxial)與晶圓上(On-wafer)等兩種類別，近年來著重於量測不準確性之研究[8.6]，此研究在毫米波頻段尤為重要。

隨著頻率增加，鎊線與封裝效應對電路特性影響日趨嚴重，因此平衡式(差動式)電路設計成為一可行的解決方案。

故在毫米波段許多主動元件參數，包括線性與非線性參數以及雜訊指數等，日益需要混合模態散射參數的量測技術；此外，用於高速數位傳輸的連接器亦需利用多埠散射參數來特徵化其傳輸特性，以利於研究信號完整性。

强化练习1．常用的测频方法有哪些，各有什么特点？2．通用电子计数器主要由哪几部分组成？画出其组成框图。

3．用图2－2所示通用计数器测量被测信号频率f x，已知标准频率f c=1 MHz，准确度为2×10-7，采用m=103分频，若f x=10kHz，试分别计算测频与测周时的最大相对误差△f x／f x。

4．已知中界频率为f0，待测频率为f x，试分析说明在何种条件下应采取直接测频法测量f x，何种条件下应采取测周法测量f x。

5．直流电压的测量方法有哪些？6．交流电压的测量方案有哪些？7．用全波整流均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，若电压表指示值均为10V，问3种波形被测电压的有效值各为多少？8．为什么不能用单电桥测量低值电阻？试分析双电桥为什么适用于测量低值电阻。

9．电流的测量方案有哪些？10．交流电桥的桥臂阻抗必须按什么原则匹配才能使电桥平衡？如果三个桥臂都是电阻，则第四个桥臂应是怎样的阻抗，交流电桥才能平衡？参考答案1．答：频率测量方法可分为计数法和模拟法两类。

计数法测量精度高、操作简便，可直接显示数字，便于与微机结合实现测量过程自动化，应用最为广泛；模拟法因为简单经济，在有些场合仍有应用。

2．答：组成如下：3．答：4．答：从提高测量精度考虑，当被测频率f x高于中界频率即晶振标准频率f c时，应采用直接测频法测量频率，当被测频率f x低于中界频率即晶振标准频率f c时应采用测周法测量频率。

5．答：（1）普通直流电压表普通直流电压通常由动圈式高灵敏度直流电流表串联适当的电阻构成。

（2）直流电子电压表直流电子电压表通常是在磁电式表头前加装跟随器（以提高输入阻抗）和直流放大器（以提高测量灵敏度）构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路。

（3）直流数字电压表将直流电子电压表中磁电式表头用A／D转换器及与之相连的数字显示器代替，即构成直流数字电压表。

6．答：测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同，其中最主要的是利用交流／直流（AC ／DC）转换电路将交流电压转换成直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。

一、实验目的1. 理解微波测量的基本原理和方法。

2. 掌握微波测量仪器的基本操作。

3. 学习微波传输线、微波元件和微波系统的测量技术。

4. 分析实验数据，验证微波测量理论。

二、实验原理微波测量是指对微波频率、功率、相位、阻抗等参数的测量。

微波测量通常采用矢量网络分析仪（VNA）进行，VNA可以测量微波系统的S参数，通过S参数可以计算出微波系统的各种参数。

三、实验设备1. 矢量网络分析仪（VNA）2. 微波信号源3. 微波功率计4. 微波传输线5. 微波元件（如衰减器、定向耦合器、滤波器等）6. 微波测试平台四、实验内容1. 微波传输线测量- 测量目标：测量微波传输线的特性阻抗、衰减和反射系数。

- 实验步骤：1. 将微波传输线连接到VNA。

2. 调整信号源频率，使用VNA测量传输线的S11和S21参数。

3. 根据S参数计算传输线的特性阻抗、衰减和反射系数。

4. 分析实验数据，验证微波传输线理论。

2. 微波元件测量- 测量目标：测量微波元件的插入损耗、隔离度和方向性。

- 实验步骤：1. 将微波元件连接到VNA。

2. 调整信号源频率，使用VNA测量元件的S21、S12、S31和S41参数。

3. 根据S参数计算元件的插入损耗、隔离度和方向性。

4. 分析实验数据，验证微波元件理论。

3. 微波系统测量- 测量目标：测量微波系统的增益、带宽和线性度。

- 实验步骤：1. 将微波系统连接到VNA。

2. 调整信号源频率，使用VNA测量系统的S21参数。

3. 根据S参数计算系统的增益、带宽和线性度。

4. 分析实验数据，验证微波系统理论。

五、实验结果与分析1. 微波传输线测量结果- 实验测得微波传输线的特性阻抗为50Ω，与理论值相符。

- 实验测得微波传输线的衰减为0.1dB/m，与理论值相符。

- 实验测得微波传输线的反射系数为0.02，与理论值相符。

2. 微波元件测量结果- 实验测得微波衰减器的插入损耗为1dB，与理论值相符。

第九章微波检测主要方法第一节 微波检测方法分类微波检测方法分主动式和被动式两种，后者包括辐射计检测方法。

主动式微波法如下：()⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧法衍射法穿透法反射法计算机辅助断层成像—层析法微波涡流法扫频干涉法多频全息法点频驻波法干涉法反向散射法—散射法时域反射法脉冲调制波反射法频率调制波反射法扫频连续波反射法点频连续波反射法—双探头单探头魔定向耦合器法反射法脉冲调制波穿透法扫频连续波穿透法点频连续波穿透法穿透法微波法CT CT CT CT T各类微波检测方法如表9.1。

该表对各种物理现象和用途进行了比较。

辐射计方法在被动式检测中具有广泛的应用。

在主动式检测中，特别是利用透射材料的微波在介质内部的衰减、反射、衍射、色散、相速等物理特性的改变，测定多个方向的投影值，并将它与滤波（核）函数卷积，再进行反投影，用计算机重建图像的方法，检查非金属材料及其复合结构件断层剖面质量和加速器粒子束或等离子体的状态，用于射电天文，电磁探矿和地层分布测绘等。

反映物体内不同部位的大小形态、成份及其变化过程。

这是今后重点发展的方向。

图9.1为常用微波传感器布置。

材料发射器接收器(d)正交放置散射法(c)收发分置反射法第二节 微波检测主要方法一、微波穿透法（一）系统微波穿透（或称传输）法检测系统如图9.1（a ）所示。

微波信号源用来产生等幅连续波，扫频波和脉冲调制波。

当被测材料对微波有吸收时，比如含有水分，透射波随传输距离增大而衰减。

在检测前，应把系统中指示器灵敏度放在最小位置，以免过载而损坏。

如果系统阻抗不均匀，可采用阻抗过渡办法得到匹配。

根据幅度、相位的变化反映材料内部状况这一特点，就可进行材料物理和化学变化的测定。

从接收喇叭探头取得的微波信号可以直接和微波信号源的信号比较幅度和相位。

如图9.2（b ）所示。

微波测量基础(1)--回波损耗、VSWR、反射系数回波损耗表示反射数据的最简便的方式是回波损耗。

回波损耗以dB表示，且是一个标量（仅有幅值）。

可将回波损耗视为反射信号低于入射信号的绝对值或dB数。

回波损耗在∞（理想的阻抗匹配时）和0dB（开路或短路即无耗电抗时）之间变化。

例如，在分析仪上采用对数幅度的格式时，被测反射值在屏上可能是-18d B，当表示回波损耗时，将负号略去，这样该元件将称为具有-18d B的回波损耗。

VSWR（电压驻波比）在同一传输线上以相反方向行进的两个波将造成“驻波”，这种情况可借助于电压驻波比（VSWR 或简写为S WR ）来量度。

VSWR定义为在给定频率上最大反射电压与最小反射电压之比。

VSWR是一个标量（仅有幅值），它在1（理想匹配时）和∞（开路或短路即无耗电抗时）之间变化。

反射系数反射测量的另一表示方式是反射系数（G），它既包括幅值，也包括相位。

G的幅度部分称为r。

反射系数是反射信号电压与入射信号电压的比值，r的可能取值范围在0和1之间。

端接有其特性阻抗的传输线将使全部能量都传送至负载，反射的能量为0，因而r=0。

当传输线端接以短路器或开路器时，全部能量被反射，故r=1。

r的值没有单位。

现在讨论相位信息。

在高频，信号的波长小于导体的长度，反射可理解为与入射波方向相反移动的波。

入射波和反射波相合成，产生单一的“驻波”，其电压随沿传输线的位置变化。

当传输线端接以它的特性阻抗（Zo）时，不存在反射信号，全部的入射信号都被传送至负载。

沿传输线只有一个方向的能量流。

当传输线端接以短路终端时，全部能量被反射回源。

反射波在幅度上等于入射波（r = 1）。

跨接于任何短路点的电压为0V，因此，反射波电压将与入射波电压相差180 o的相位，负载处的电压被抵消。

当传输线端接以开路终端时，全部能量被反射回源。

反射波在幅度上等于入射波（r = 1）。

但是，在开路处没有电流流过。

因此，反射波电压将与入射波电压同相。

微波测量方法本文来自: 微网论坛作者: huangfeihong88 日期: 前天22:52阅读: 25人打印收藏微波测量微波测量内容虽然很多，但是驻波测量、功率测量和频率测量是微波中最常测量的三个基本参量，而其他的二级参量（如Q值、衰减、介电常数、铁磁共振线宽△H、阻抗等等）的测量都可以归结到这三种基本参量的测量加以解决。

应该强调指出的是：“调节匹配”是微波测试中必不可少的概念和调整步骤，任何微波系统正式工作之前，都必须把微波线路中各个部分调到匹配状态。

匹配意味着微波系统处于这样一种工作状态：此时微波功率由信号向负载传输而不出现反射波（驻波比ρ＝1）。

为什么通常总要把微波系统调到良好的匹配状态呢？因为在微波传输系统中，存在驻波是不好的。

驻波的存在表示信号源与负载未匹配好，能量不能有效地传到负载去，使损耗增大；在大功率情况下，由于驻波的存在，在电场最大值处可能发生击穿现象；驻波的存在还会影响信号源的频率稳定，从而影响微波测量的精确度。

1．驻波测量驻波测量是微波测量中最基本、最重要的项目之一。

驻波测量可以判断微波传输系统是否处于良好的匹配状态，还可以测量波导波长、衰减、阻抗、谐振腔Q值、介电常数等等。

下面介绍测量驻波的设备和方法。

驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器，其简单原理是：使探针在开槽传输线中移动，将一小部分功率耦合出来，经过晶体二极管检波后再由指示器指示，从而看出在开槽线中电场的分布情况（相对强度）。

使用驻波测量线时要注意下列几个问题：首先，使探针在开槽波导管内有适当的穿伸度。

显然，探针穿伸度过大，会影响开槽线内的场分布情况而产生误差；穿伸度太小，又会降低测量的灵敏度。

探针穿伸度一般取波导窄壁高度b的5—10%。

其次，通过调谐装置使测量线调谐。

调谐的目的是消除探针插入测量线内引起的不匹配，并使探针感应的功率有效地送至检波晶体管。

其次，注意检波晶体管的检波律。

检波晶体管的检波电流I与管端电压V有关，而V与探针所在处的电场E成正比，I，E满足关系式：,其中κ1，n为常数。

微波基本参数的测量一、实验目的1、了解各种微波器件；2、了解微波工作状态及传输特性；3、了解微波传输线场型特性；4、熟悉驻波、衰减、波长（频率）和功率的测量；5、学会测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。

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： 0=Z E ,0=Z H 。

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0=Z E ,而0≠Z H 。

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0=Z H ，而0≠Z E 。

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mm T E 波，又能传输mm T M 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、波导管：波导管是引导微波电磁波能量沿一定方向传播的微波传输系统，有同轴线波导管和微带等，波导的功率容量大，损耗小。

常见的波导管有矩形波导和圆波导，本实验用矩形波导。

矩形波导的宽边定为x 方向，内尺寸用a 表示。

窄边定为y 方向，内尺寸用b 表示。

10TE 波以圆频率ω自波导管开口沿着z 方向传播。

在忽略损耗，且管内充满均匀介质（空气）下，波导管内电磁场的各分量可由麦克斯韦方程组以及边界条件得到：()sin()j t z o y x E je ωβωμππα-=-， ()sin()j t z o x xH j e ωβμαππα-=()cos()j t z z x H e ωβπα-=， x y z E E E ==，2gπβλ=其中，位相常数g λ=，波导波长cf λ=。