北京郵電大學
電磁場與微波測量實驗報告
班級：姓名：
學號：第一部分
實驗建議
實驗已經做完，在這個過程中我收穫很多，但我認為也有一些不足之處，提出以下建議。
1）希望增加部分器材，實驗過程中很多東西不夠用，大家要相互借用，有時要等到其他組做完，比較影響實驗進度。
2）實驗室太小，實驗互相干擾嚴重，部分實驗會有誤差。希望擴大場地。
第二部分
從「用諧振腔微擾法測量介電常數實驗」提出新實驗
——諧振腔體積對測量結果準確性的研究
實驗提出依據：該實驗的提出是建立在對「用諧振腔微擾法測量介電常數」實驗的研究基礎之上，原實驗中要求介質棒體積vs遠小於諧振腔體積v0，此時可以認為除樣品所在處的電磁場發生變化外，其餘部分的電磁場保持不變，從而可把樣品看成乙個微擾，則樣品中的電場和外電場相等。而原實驗中的諧振腔體積是否真的滿足這個條件呢，改變諧振腔的體積對測量結果的準確性有何影響呢？
本實驗將對此做進一步的**。
一、 實驗目的
1． 了解諧振腔的基本知識。
2． 學習用諧振腔法測量介質特性的原理和方法。
3． 對實驗結果做進一步的驗證。
二、 實驗原理
本實驗是採用反射式矩形諧振腔來測量微波介質特性的。反射式諧振腔是把一段標準矩形波導管的一端加上帶有耦合孔的金屬板，另一端加上封閉的金屬板，構成諧振腔，具有儲能、選頻等特性。
諧振條件：諧振腔發生諧振時，腔長必須是半個波導波長的整數倍，此時，電磁波在腔內連續反射，產生駐波。
諧振腔的有載品質因數ql由下式確定：
式中：f0為腔的諧振頻率，f1，f2分別為半功率點頻率。諧振腔的q值越高，諧振曲線越窄，因此q值的高低除了表示諧振腔效率的高低之外，還表示頻率選擇性的好壞。
如果在矩形諧振腔內插入一樣品棒，樣品在腔中電場作用下就會極化，並在極化的過程中產生能量損失，因此，諧振腔的諧振頻率和品質因數將會變化。
圖1 反射式諧振腔諧振曲線圖2 微找法te10n模式矩形腔示意圖
電介質在交變電場下，其介電常數ε為複數，ε和介電損耗正切tanδ可由下列關係式表示：
其中：ε，和ε，，分別表示ε的實部和虛部。
選擇te10n，(n為奇數)的諧振腔，將樣品置於諧振腔內微波電場最強而磁場最弱處，
即x＝α／2，z＝／2處，且樣品棒的軸向與y軸平行，如圖2所示。
假設：1．樣品棒的橫向尺寸d(圓形的直徑或正方形的邊長)與棒長九相比小得多(一般
d／h<1／10)，y方向的退磁場可以忽略。
2．介質棒樣品體積vs遠小於諧振腔體積v0，則可以認為除樣品所在處的電磁場發生變化外，其餘部分的電磁場保持不變，因此可以把樣品看成乙個微擾，則樣品中的電場與外電場相等。
這樣根據諧振腔的微擾理論可得下列關係式
式中：f0,fs分別為諧振腔放人樣品前後的諧振頻率，δ (1／ql)為樣品放人前後諧振腔的有載品質因數的倒數的變化，即
其中ql0，qls分別為放人樣品前後的諧振腔有載品質因數。
三、實驗裝置
1. 微波訊號源需工作在最佳等幅、掃瞄狀態。
2. 晶體檢波器接頭最好是滿足平方律檢波的，這時檢波電流表示相對功率(i∝p)。
3. 檢波指示器用來測量反射式諧振腔的輸出功率，量程0～100μa。
4. 微波的頻率用波長表測量刻度，通過查表確定微波訊號的頻率。
5. 用晶體檢波器測量微波訊號時，為獲得最高的檢波效率，它都裝有一可調短路活塞，調節其位置，可使檢波管處於微波的波腹。改變微波頻率時，也應改變晶體檢波器短路活塞位置，使檢波管一直處於微波波腹的位置。
圖17 試驗裝置示意圖
1— 微波訊號源 2—隔離器 3—衰減器 4—波長表 5—測量線 6—測量線晶體
7—選頻放大器 8—環形器 9—反射式諧振腔 10—隔離器 11—晶體檢波器
6. 提供5個僅體積不同的反射式諧振腔，體積關係如下：v1>v2>v3>v4>v5
(v3為原實驗所用的樣品諧振腔）
四、實驗內容
1． 選用v3體積的反射式諧振腔，按圖接好各部件。注意：反射式諧振腔前必須加上帶耦合孔的耦合片，接入隔離器及環形器時要注意其方向。
2． 開啟微波訊號源，選擇等幅、掃頻方式，預熱30分鐘。
3． 測量諧振腔的長度，根據公式計算它的諧振頻率，一定要保證n為奇數。
4． 在樣品未插入腔內時，找出樣品諧振腔的諧振頻率。此時在示波器中觀察輸出影象出現吸收峰，該處頻率即為樣品諧振腔的諧振頻率，這即為工作模區。仔細調節波長計，使得示波器上觀察到的諧振曲線**現較窄的吸收峰。
調節波長計，可見波長計產生的吸收峰在諧振腔產生的吸收峰上滑動，此時可通過波長計測量諧振頻率f0,以及半功率點的頻率f1,f2。
5． 計算得到空腔的有載品質因數：通過波長計測得的樣品腔諧振頻率f0，以及半功率點的頻率f1，f2，利用公式進行計算，注意，f1、f2於f0的差別很小，約0.003ghz.
6． 載入樣品，重新尋找其諧振頻率，測量其品質因數。
7． 計算介質棒及諧振腔的體積。
8． 利用實驗原理的公式計算介質棒的介電常數和介電損耗角正切。
9． 分別換用體積為v1、v2、v4、v5的反射式諧振腔重複上述步驟
五、記錄實驗資料並進行處理
六、分析資料並得出結論
根據**，比較不同體積下的介電常數和介電損耗角正切，得出結論。
七、實驗注意事項
（1）按圖連線測試系統，使訊號源處於掃頻工作狀態，接入隔離器及環
形器時要注意其方向。開啟微波訊號源，選擇等幅方式，預熱30分鐘。
（2）做樣品諧振腔的諧振曲線需用掃頻訊號源，若沒有掃頻訊號源，則
應逐點改變訊號源的頻率，並保持每個頻率上有相同的輸出功率。
第三部分
實驗總結
剛拿到教材的時候，看到微波兩個字頓時感覺這個科目應該會很難，因為上學期我並沒有選修微波這門課程。到做實驗的時候，在趙老師的耐心指點和組員的積極配合下，實驗並沒有想象中的那麼難，但是真的是收穫匪淺，感覺每次實驗課後都學到了很多新的東西。
第一次實驗做的是電磁波反射與折射實驗、單縫衍射實驗和雙縫干涉實驗，這三個實驗都相對較簡單，因為接觸較早，實驗原理也比較清晰，所以做起來相對容易一點。開始我們不知道儀器的具體使用方法，在將原理與裝置聯絡以後，我們熟練了具體的操作，實驗也自然很快就結束了。
第二次實驗做的是麥可遜干涉實驗和極化實驗，麥可遜干涉實驗在組裝實驗裝置的時候出現了問題，後來發現是少了乙個反射板。在組裝完成後很快完成了實驗。而極化實驗很簡單，並沒留下太多印象。
第三次試驗中晶體檢波器的校準實驗在資料處理的時候遇到問題，我們是將u值按比例調節到固定值時，記錄相對波節點的位置，而對應課本中的處理要求則沒辦法進行處理。於是我根據實驗資料計算出實際的相對電場強度e』，製成**如下：
其中e』=
畫出相對場強log（e』）與log（u）的曲線：
因為存在誤差，並不是一條斜率為n的直線，我用matlab做資料擬合後如下圖:
得到晶體檢波率為n=1.77
問題得到解決。
然後我們進行了課外測量實驗，這次實驗印象深刻，我們花了兩個下午才完成實驗的測量。因為我們使用的是較精密儀器，測量頻率選擇較高,考慮到花費時間可能較長，我們選擇了圍繞教一樓進行測量，但依然測量了乙個半下午。
接下來的阻抗測量及匹配技術實驗以及用諧振腔微擾法測量介電常數實驗可謂是歷盡千辛萬苦。阻抗測量及匹配技術的難點在最後一步，利用兩邊逼近的原則調節使駐波比小於1.05.
這個匹配技術很清晰，即：在調節匹配過程中，先移動測量線探針找到並記下波節點位置，然後繼續調節測量線調到波腹點，此時調節調配器位置，駐波波腹點有所下降，波節點有所上公升，直至波節點和波腹點相差不大時，調節螺釘深度，同時用測量線跟蹤駐波大小，直至實現匹配。可是這個調節過程並沒有那麼簡單，我們在上次實驗的時候有做了半小時左右的調節過程沒有完成，在本次試驗中又花費了大概半個多小時才終於調節完成。
而進行用諧振腔微擾法測量介電常數的實驗時，我們花了很長時間一直找不到諧振頻率，最後在趙老師的幫助下才發現是之前調節衰減器導致訊號強度太弱，調節後增大訊號源頻率很快就調出了我們需要的圖形。這個實驗資料處理較簡單，沒有遇到太大問題。通過這次實驗，我明白了做任何實驗都要有耐心，其次再出現問題之後要思考可能是哪方面的問題，逐一進行檢查調節，這樣才能成功完成實驗。
最後一次實驗，5.3部分的實驗我們做的很快，而到了微波tv發射機系統的調測實驗這裡遇到了問題，開始我們不知道怎麼接線，按照書上的原理圖接的話，相對應位置儀器並沒有插孔。後來我們看了前面的原理，改變了部分電路的線路連線，完成了實驗的測量。
這個中間過程耗時較長，但最終還是完成了。
通過這次試驗，我真的收穫很多，我認識到了動手操作的重要性。有些實驗或者是原理，看起來很簡單，但是真正做起來總會遇到很多問題，而我們解決這些問題後就能讓我們更清晰的理解實驗原理，讓我們的能力得到很大的提公升。這些是實驗而非課本所能帶給我們的。
我希望學校能夠增加更多的類似的實驗課，通過這樣的課程我們能真正學到很多東西。同時，我也明白在以後的學習中，不能一味的看課本，記原理或過程，有時候動手操作一下可能會有事半功倍的效果。
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