微波通信实验讲义

微波通信实验讲义（试用版）游佰强、徐伟明厦门大学电子工程系2004年3月1目录前言一、微波分光仪概述二、微波分光仪工作原理三、微波分光仪系统成套性四、分光仪的机械结构的安装与调整五、分光仪软件安装六、分光仪使用方法实验一、反射实验2．单缝衍射实验3．双缝干涉实验4．迈克尔逊干涉实验5．无损介质介电常数实验6．偏振实验7．布拉格衍射实验8．极化波的产生/检测9．圆极化波左旋/右旋10．圆极化波反射/折射11．软件的补充说明七、保修期限八、附录2前言随着现代通信技术的迅猛发展，了解电磁波传播特性、现代射频电路及其器件的设计方法已经成为电子工程和通信工程领域的一个重要环节。此实验教程安排上与传统微波技术实验有较大差异，更强调为现代通信技术及微波射频器件设计技术等服务的工程理念。本微波通信实验教程的安排上是由浅入深的让同学们从电磁波的传输特性如反射、衍射、干涉入手，进而探讨介质对电磁波传播的影响、电磁波的偏振特性；介绍传统微波测量线及基本微波器件的工作原理，包括现代蓝牙通信等基础知识。在微波射频技术方面将介绍美国AWR公司的MicrowaveOffice设计软件的基本使用方法，直接与现代工程需求相结合。目前教程和项目仍在不断完善之中，欢迎老师同学们提出宝贵意见，也请同学们访问教学网站210.34.10.115下载有关微波传输线、圆图、微带线等现代仿真试验内容，自行加深对课堂教学内容的理解。游佰强2003年3月与厦门大学3一、微波分光仪概述DH926U型微波分光仪自动测试系统适合于高等院校和中等专业学校做普通物理教学的波动实验。它与DH926C型微波分光仪的不同之处是，其单缝及双缝板的缝隙周围加有微波吸收材料，使单缝及双缝实验曲线更接近本说明书给出的典型数据；与DH926B型微波分光仪的不同之处是，为便于计算机显示实验结果，在DH926B型微波分光仪预留的角度传感器及距离传感器的安装位置安装了相应的角度传感器和距离传感器，用户将DH926B型微波分光仪正确连接DH926AD型数据采集仪及DH1121B型三厘米固态信号源后，便可通过USB传输线直接与计算机联机。我们还根据本套系统的实验内容编制了DH926U型微波分光仪自动测试系统Windows版本的应用软件，使用户操作简单，实验结果更直观、明显。DH926AD型数据采集仪是专为配合DH926B型微波分光仪使用的计算机采集测试仪器。数据采集仪根据微波、电磁场检波原理，采用微电流放大系统，检波信号经过全波整流电路后输出直流信号送A/D。A/D为通用型8通道12位，A/D接收检波后的直流信号，经过多通道选择电路送内置采样保持放大器，使信号在转换期间内保持不变。由光电传感器提供的场地址定位计数脉冲，同样送A/D由软件控制计数，按照工业标准完成12位模/数转换。二、微波分光仪工作原理微波虽然有许多和无线电波不同的地方，但就电磁波的本质来说，仍然具有波动的某些共同特点，反射、折射、绕射、干涉、偏振以及能量传递等方面仍显示出波动的通性。我们正是充分利用它的这一通性，模仿光学实验的基本方法，开展了下列几个极有意义的实验，以培养学生的基本技能和加深对电磁波的认识。三、微波分光仪系统成套性DH926U型微波分光仪自动测试系统主要包含DH926B型微波分光仪、DH926AD型数据采集仪及DH1121B型三厘米固态信号源三部分。下面分述每部分仪器的成套性：1．DH926B型微波分光仪的成套性序号名称数量1分度转台12喇叭天线（矩形）23可变衰减器14晶体检波器15视频电缆146反射板27单缝板18双缝板19半透射板110模拟晶体（模拟晶体及支架）111读数机构112支座113支柱414模片115技术说明书12．DH926AD型数据采集仪的成套性序号名称数量1主机12光栅33通道电缆线34USB电缆线15保险丝管（0.5A）26电源线17视频电缆18配套光盘（含硬件驱动、应用软件、使用说明等）13．DH1121B型三厘米固态信号源的成套性序号名称数量1主机12振荡器/隔离器单元13技术说明书14保险丝管（0.5A，1A）各15电源线16技术说明书1其中，DH1121B型三厘米固态信号源的三厘米固态振荡器发出的信号具有单一的波长（出厂时信号调在λ=32.02mm上），这种微波信号就相当于光学实验中要求的单色光束。DH926B型微波分光仪的喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面是20°，E面是16°。当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的5偏损方向是垂直于水平面的；可变衰减器用来改变微波信号幅度的大小，衰减器的度盘指示越大，对微波信号的衰减也越大；晶体检波器可将微波信号变成直流信号或低频信号（当微波信号幅度用低频信号调制时）。当以上这些元件连接时，各波导端应对齐。如果连接不正确，则信号传输可能受破坏。四、机械结构的安装与调整本DH926B型微波分光仪分度转台的安装与调整已经完成，并放置在每位同学的实验桌上，请同学们自行熟悉仪器，不要随意改动设置。DH1121B型三厘米固态信号源的安装在DH926B型微波分光仪喇叭天线的可变衰减器上。如要改变参数，请参照波长表设定。DH926AD型数据采集仪配套的三个光栅分别安装在DH926B型微波分光仪的预留的相应位置上。然后将视频电缆的两端分别接在DH926AD型数据采集仪的检波输入和DH926B型微波分光仪的接收喇叭天线连接的检波器插座上。最后根据每个实验的不同内容，将通道电缆线的两端分别连接到光栅和数据采集仪的相应通道输入口上。五、软件安装应用软件已经安装在电脑的C盘，请参照相关实验项目选择运行。开始所有程序DH926型微波分光仪自动测试系统usb-dbg注意：开机前先不要按振荡器的连线（取下“输出”）插座，打开电源，状态选“等幅”，电压表应指在12V，检查电流应洁净于零。===表示电源工作正常。为了防止意外，应关断电源后在重新连接线，再打开电源，此时信号源可以正常工作。6六、实验内容及使用方法本实验系统主要可以完成七个典型的波动实验。同学们如果感兴趣也可根据情况或再增加适当的附件做更多的实验。例如演示台上有DH30003型栅网组件与本系统组合使用时，满足相应的条件就可得到线极化、圆极化和椭圆极化的电磁波，通过三种极化波的产生、检测，可以了解电波极化的概念；选用DH30002型极化天线组件与本系统组合使用时，可用于多种电磁波实验，产生圆极化波，实现圆极化波反射和折射特性的实验等等。实验一反射实验：电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射，本处以一块大的金属板作为障碍物来研究当电磁波以某一入射角投射到此金属板上所遵循的反射定律，即反射线在入射线和通过入射点的法线所决定的平面上，反射线和入射线分居在法线两侧，反射角等于入射角，实验中测定的角度除2即为该角度。1）系统构建指南：系统构建时，如图13，开启DH1121B型三厘米固态信号源。DH926B型微波分光仪的两喇叭口面应互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上，指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的0-180刻度处。将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座，拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。反射全属板放到支座上时，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的90-90这对刻线一致，这时小平台上的0刻度就与金属板的法线方向一致。将DH926AD型数据采集仪提供的USB电缆线的两端根据具体尺寸分别连接到数据采集仪的USB口和计算机的USB口，此时，DH926AD型数据采集仪的USB指示灯亮（蓝色），表示已连接好。然后打开DH926AD型数据采集仪的电源开关，电源指示灯亮（红色），将数据采集仪的通道电缆线两端分别连接到DH926B型微波分光仪分度转台底部的光栅通道插座和数据采集仪的相应通道口上（本实验应用软件默认为通道1）。最后，察图13反射实验7看DH1121B型三厘米固态信号源的“等幅”和“方波”档的设置，将DH926AD型数据采集仪的“等幅/方波”设置按钮等同于DH1121B型三厘米固态信号源的设置。转动微波分光仪的小平台，使固定臂指针指在某一刻度处，这刻度数就是入射角度数，然后转动活动臂在DH926AD型数据采集仪的表头上找到一最大指示，此时微波分光仪的活动臂上的指针所指的刻度就是反射角度数。如果此时表头指示太大或太小，应调整微波分光仪微波系统中的可变衰减器或晶体检波器，使表头指示接近满量程做此项实验。入射角最好取30°至65°之间，因为入射角太大或太小接收喇叭有可能直接接收入射波。做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响。（典型参考实验数据：入射30/65反射29.5/62）2）软件指南：运行应用软件，出现如下启动界面（如图14）。在启动界面上点击“进入”按钮，进入系统“主菜单”，选择菜单项“微波物理实验”（如图15），您可看到十个子菜单项。单击第一个子菜单项“反射实验”，屏幕上会出现“建议”提示框（如图16），这是应用软件根据实验内容建议您选择的“采集点数”和“脉冲通道”，单击“OK”按钮，进入“输入采集参数”界面（见图17），建议采用我们推荐的“采集点数和通道号”，这样有利于更好观察采集过程及处理数据。如果您未做选择直接点击了“试采集”或“正式采集”按钮，“采集点数和通道号”则按照我们建议的默认值“采集点数为120，通道号为1”选择。在您选择好“采集点数和通道号”后，DH926AD型数据采集仪相应通道指示灯亮（绿色），软件进入采集过程界面。图14启动界面图15系统主菜单图16“建议”提示框8如果您想预览一下采集过程，您可点击“试采集”按钮，屏幕上便会出现“试采集界面”（如图18）。“试采集”的采集过程界面比“正式采集”过程界面简单，功能键很少，不对采集数据进行处理，相应的功能键与“正式采集”采集过程界面中的功能按钮功能相同，此处不再赘述，仅讲解“正式采集”采集过程界面的功能按钮使用及实验结果处理。注：如果您先点击了“试采集”按钮进行了试采集，退出“试采集”采集过程界面后，您要开始“正式采集”之前，务必要把实验装置恢复到本实验的初始状态，方可继续进行“正式采集”工作！否则会对实验结果引入很大的误差！当点击“正式采集”按钮，屏幕上便会出现正式采集过程图17输入采集参数图18试采集界面图19正式采集界面9界面（如图19）。“采集过程”界面中，“绘图框”内显示以采集点数为横坐标、电压值为纵坐标的坐标轴。此时，察看小平台，固定臂指针指在某一角度处，这角度数就是入射角，将入射角度的值填入绘图框下方的“需要您输入的参数”中“入射角”一栏中，以便采集结束后计算“反射角”的值。如果您此时点击“开始采集”按钮，屏幕上会出现“是否保存？”界面（如图20），如果您是首次采集，请单击“开始新的采集按钮”。如果您刚刚已进行了采集工作，您就要考虑是否对刚刚的采集过程进行保存，若保存，请单击“保存”按钮；若不保存，请单击“开始新的采集”按钮。如果您刚刚选择了“开始新的采集”，屏幕上便会出现一个提示框（如图21），提示您当前要进行的操作。单击“OK”按钮，开始实时采集信号变化并绘图。采集过程中，DH926AD型数据采集仪的USB指示灯连续闪动（蓝色），表示采集过程正在继续。应用软件屏幕上的信号灯颜色也随着实验的继续进行红色、绿色切换。您需要顺时针匀速转动DH926B型微波分光仪的活动臂，随着活动臂的移动，采集点数依次增加，当您停止移动活动臂，绘图框会保持原来的状态直到您再次开始移动活动臂。这个过程中，您便可在绘图框中实时观察到信号变化（如图22）。当采集过程中的已采集的脉冲变化等于您在进入采集过程界面之前设定的采集点数时，屏幕上会出现“此次采集完毕”的采集结束提示框。如果您想对采集过程中可以求得的参数有所了解，请点击采集界面中的“计算结果”图20“是否保存”界面图21提示框图22采集示例10按钮，如果您未输入需要您输入的参数，屏幕上会出现“请输入入射角”的警告提示框。您重新输入入射角后，再次按下“计算结果”按钮，系统软件会根据您提供的已知量及采集过程中