微波技术与天线实验报告
| 实验名称 | 微波基本参数测量与天线方向图测绘 | 实验日期 | 2025年XX月XX日 |
|---|---|---|---|
| 学生姓名 | [你的姓名] | 学 号 | [你的学号] |
| 班 级 | [你的班级] | 指导教师 | [教师姓名] |
| 实验地点 | [实验室名称] | 实验设备 | 微波信号源、隔离器、频率计、衰减器、测量线、晶体检波器、选频放大器、标准失配负载、短路活塞、待测天线、转台、功率计等 |
实验目的
- 熟悉微波实验系统：了解微波信号源、测量线、选频放大器等常用微波仪器的原理和使用方法,掌握微波传输线系统的搭建与调试技术。
- 掌握微波基本参数测量方法：
- 学习使用“测量线-驻波比法”测量微波传输线中的驻波比。
- 学习使用“短路活塞法”测量微波信号在传输线中的波长和相速度。
- 理解天线基本特性：
- 学习天线方向图的基本概念（主瓣、副瓣、零点、波束宽度等）。
- 掌握使用旋转天线法在天线测试场中测量天线方向图的技术。
- 验证理论，培养工程实践能力：将课堂上学到的微波传输理论和天线理论应用于实际测量，分析实验数据，并与理论结果进行比较,培养严谨的科学态度和解决实际问题的能力。
实验原理
1 微波传输线与驻波比
微波在传输线中传播时，如果终端负载与传输线的特性阻抗不匹配，入射波会产生反射，入射波与反射波在传输线上叠加，形成驻波。
（图片来源网络，侵删）
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驻波比：描述传输线上驻波强弱的物理量，定义为电场最大值与最小值之比。 $$ \text{VSWR} = \frac{|E{max}|}{|E{min}|} = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|} $$ $\Gamma$ 为反射系数，当 VSWR = 1 时，为行波状态，负载完全匹配；当 VSWR → ∞ 时，为纯驻波状态,终端全反射。
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测量原理（测量线法）：测量线是一个沿轴线开有狭缝的传输线，探针在狭缝中移动，拾取电场信号，经晶体检波器（通常工作在平方律检波区）变为直流或低频信号，再由选频放大器放大后由表头指示，由于探针指示值正比于电场强度的平方，因此测得的是相对功率分布，通过移动探针找到最大值 $I{max}$ 和最小值 $I{min}$，即可计算驻波比。 $$ \text{VSWR} = \sqrt{\frac{I{max}}{I{min}}} $$
2 波长与相速度的测量
- 测量原理（短路活塞法）：将传输线终端短路，入射波会被全反射，入射波与反射波在传输线上相干叠加，形成驻波，相邻的波腹（或波节）之间的距离为半波长 $\lambda_g/2$，通过移动短路活塞，在测量线上找到两个相邻的波腹（或波节）位置 $d_1$ 和 $d_2$，即可得到波导波长 $\lambda_g$。
$$
\lambda_g = 2|d_2 - d_1|
$$
- 相速度：指电磁波等相位面沿传输线方向的传播速度。 $$ v_p = f \cdot \lambda_g $$ $f$ 为微波信号源的频率。
3 天线方向图
天线方向图是描述天线辐射（或接收）的电磁波能量在空间（远场）相对分布的图形,它是衡量天线性能最重要的指标之一。
- 基本概念：
- 主瓣：辐射能量最强的瓣。
- 副瓣：主瓣周围的次要辐射瓣。
- 半功率波束宽度：主瓣最大辐射方向两侧，功率密度下降到一半（场强下降到-3dB）的两个方向之间的夹角。
- 零点：辐射强度为零或接近零的方向。
- 测量原理（旋转法）：在远场区，将待测天线安装在可精确旋转的转台上，作为接收天线，将一个标准增益的辅助天线（如喇叭天线）固定，作为发射天线，并使其对准待测天线的主瓣最大方向，以一定的步长旋转待测天线，记录不同角度下接收到的功率（或场强）值，将功率（或场强）值随角度变化的曲线绘制出来，即为该天线在特定平面（如E面或H面）的方向图。
实验仪器与设备
- 微波信号源：产生特定频率和功率的微波信号。
- 隔离器：保证信号源稳定工作,防止负载变化对信号源的影响。
- 频率计：精确测量微波信号的频率。
- 衰减器：调节系统中的微波功率电平。
- 测量线：用于测量传输线上的场强分布。
- 晶体检波器与选频放大器：将微波信号检波、放大并指示。
- 标准失配负载：产生特定的反射,用于VSWR测量。
- 短路活塞：在终端形成全反射,用于波长测量。
- 待测天线（如：喇叭天线、抛物面天线）。
- 转台：精确控制天线的旋转角度。
- 功率计：用于测量接收到的绝对功率值。
- 同轴/波导元件：连接上述设备,构成完整的测试系统。
实验内容与步骤
微波基本参数测量
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系统连接与调试：
（图片来源网络，侵删）- 按照信号源 -> 隔离器 -> 衰减器 -> 测量线 -> 晶体检波器 -> 选频放大器的顺序连接好微波系统。
- 开启各仪器电源,预热15分钟。
- 调节信号源，输出指定频率（如 10 GHz）的微波信号。
- 调节衰减器，使选频放大器表头指示在合适的量程内（如满刻度的2/3处）。
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测量驻波比：
- 将测量线终端接上标准失配负载。
- 移动测量线探针,从终端向信号源方向缓慢移动。
- 观察选频放大器表头读数，找到波腹点（最大值 $I{max}$）和波节点（最小值 $I{min}$）。
- 重复测量三次，记录 $I{max}$ 和 $I{min}$ 的平均值。
- 计算 VSWR。
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测量波导波长与相速度：
- 将测量线终端换上短路活塞。
- 移动短路活塞,使其靠近测量线终端。
- 缓慢移动探针，找到第一个波腹点，记录其位置刻度 $d_1$。
- 继续向信号源方向移动探针，找到相邻的第二个波腹点，记录其位置刻度 $d_2$。
- 重复测量三次，计算 $\lambda_g$ 的平均值。
- 根据频率计读数 $f$，计算相速度 $v_p$。
天线方向图测绘
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场地准备与系统搭建：
- 在微波暗室或开阔场地上，将辅助发射天线和待测接收天线置于远场距离之外（$R \geq \frac{2D^2}{\lambda}$，$D$ 为天线最大尺寸）。
- 将辅助天线对准待测天线，使其主瓣最大方向对准,并调整极化匹配。
- 将辅助天线连接到信号源,待测天线连接到功率计。
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方向图测量：
将待测天线固定在转台上，使其旋转平面与电场极化方向一致（测量E面）或垂直（测量H面）。
