频率与波长的测量实验教学研究

平学伟 李黎 殷兴辉 李昌利 刘海韵

摘要：采用YM30000實验平台，结合实验教学研究微波的频率与波长测量方法，使学生熟悉基本的微波测量方法。同时探讨了测量原理以及测量过程中需注意的一些问题。

关键词：频率;波长;微波测量

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）39-0262-02

一、引言

频率与波长是微波理论与微波测量中最基本的参数，在几乎所有的微波测量中都需要测量这两个参数。因此，如何精确、快速地测量出这两个参数是微波工程专业的学生需要掌握的基本技能。

定义频率为f，波长为λ，光速为c，则在自由空间中，波长与频率之间满足以下反比关系：

λf=c （1）

但从微波测量的视角看，波长测量是长度测量，频率测量是时间测量，因此二者的测量方法有差别。电磁波的频率是不变的。而波长却与载体有关，包括传输电磁波的媒质以及传输系统的尺寸。因此，频率比波长更能反映电磁波的特性。此外，频率测量具有更高的精度。在现有的技术手段中，频率测量和时间测量是精度最高的测量。目前频率测量的精度可达到10-9—10-10量级。

二、频率、波长测量实验

本实验利用YM30000三厘米波导测试系统进行测量实验。实验平台如图1所示，主要由两部分组成：上面的支路用于波长、驻波比、波阻抗等参数测量;下面的一路元件用于频率测量。实验目的与步骤如下。

实验目的：了解微波测量的基本方法。通过频率与波导波长的测量，了解电磁波在波导中的传播条件。

实验步骤：（1）按图1所示的方式连接好测试系统。（2）调节YM1123微波信号源输出频率为10GHz，工作状态的指示灯置于“等幅”或“方波”档。“重复频率”量程置于“×10”，圆盘刻度置于“100”处，即为1KHz方波调制输出。功率大小用衰减旋钮调节。（3）将YM3892选频放大器与晶体检波器连接，放大器的带宽置于40Hz。分别调节E-H面阻抗双路调配器以及选频放大器的增益旋钮以及频率微调旋钮，使选频放大器指针的读数接近最大。（4）旋转PX16吸收直读式频率计，直至选频放大器读数有大幅度的衰减。然后根据频率计上指示的刻度读出工作频率。（5）选频放大器与TC26测量线连接。测量线终端接铜片。移动测量线上探针的位置使其置于波腹处。然后调节测试系统中的E-H面阻抗调配器、可变衰减器，测量线的探头调谐，使选频放大器读数最大。

三、传输模式分析

下面对本实验中电磁波在传输线中的传输模式进行一些简单的分析。

根据微波传输理论，电磁波在波导中的传输是有条件的。该条件为：

对于TE10波，上式简化为：

对于TE20波，上式简化为：

为了实现单模传输，电磁波需满足的条件为：

由此可以计算出，对于实验所用的BJ100三厘米波导系统，单模工作时，波长应满足的条件为：

原则上，本实验可以选取上述频率范围内的任何频率。但是由于测量的波长为波导波长，频率越低，波导波长越长。接近截止频率时，波导波长为无限长。考虑到测量线长度有限，波长不能太长。如果波长太短，则会降低测量精度。本次实验取频率f=10GHz。

四、关于实验的几点探讨

第一点，实验中进行频率测量采用的频率计为吸收式频率计。其工作机理为：调节频率计，当电磁波频率与频率计内空腔的固有频率相同时，电磁波在腔内产生谐振，电磁波被最大程度地吸收。在其他频率点处，电磁波几乎没有被吸收。这种情况反映在选频放大器上的表现为：缓缓旋转频率计，在其他频率点处选频放大器的指针几乎无变化。当频率计刻度移动到工作频率附近时，连接在晶体检波器后的选频放大器的指针向最小读数方向具有一个突然的且明显的偏移，一般来说，偏移幅度具有在其他频率点处的读数的1/3以上。

第二点，在本次实验中，测量的波长并不是自由空间中的波长，而是波导波长。波导波长的计算公式为：

测量线所用的矩形波导为开槽线，波导波长会比相同尺寸但不开槽的矩形波导的波长稍长。

从公式可以看出，终端接匹配负载时，移动探针位置，选频放大器的读数不变。终端短路（接铜片）时，选频放大器读数在0至最大振幅之间来回震荡。这与实验观察是吻合的。

五、结语

本实验是微波测量中的基本实验手段。通过本次实验，学生能够初步掌握一些最基本的微波测量方法，对采用科学手段进行精确微波测量有一个基本的认识。

参考文献：

[1]王新稳，李延平，李萍.微波技术与天线[M].第3版.北京：电子工业出版社，2011.

[2]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].第4版.北京：高等教育出版社，2006.

[3]陈丽锋，孟瑞，冯希.频率测量研究综述[J].电子科技，2011，24（7）：155-160.

[4]YM 30000三厘米波导测试系统使用手册[Z].上海亚美微波仪器厂.

Experimental Teaching Study on Frequency and Wavelength Measurements

PING Xue-wei，LI Li，YIN Xing-hui，LI Chang-li，LIU Hai-yun

（College of Computer and Information Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 211100，China）

Abstract：This paper adopt the YM30000 experiment platform in combination with experimental teaching to study the basic measurement method about frequency and wavelength，so as to make students familiar with the basic microwave measurement methods.Furthermore，the measurement theory and some problems should be pay attention during experimentation are also discussed.

Key words：frequency;wave length;microwave measurements