一 種 微 波 測 量 實 驗 系 統 的 優 化

張 蘭, 陳小橋, 陳章友

(武漢大學 電子信息學院， 湖北 武漢 430072)

0 引 言

“微波技術”等課程被各高校列入電子信息類學生的專業主干課程，承擔著培養具有微波理論和工程應用能力人才的重要任務[1-3]。微波技術實驗能夠使學生通過實驗過程更直觀地認識電磁場和電磁波的相關理論，了解各種微波元器件的相關知識，深入理解微波的工作狀態、傳輸特性和相關應用[4-5]。微微實驗課程的開設可以很好地促進學生對相關理論課程的學習和理解, 它已成為電子信息類專業學生學習知識和培養能力的一個重要環節。

然而，由于微波測量儀器的價格昂貴、操作復雜并且不易維護，目前高校普遍采用的是基于虛擬實驗平臺的微波測量虛擬實驗[6-9]或者基于微波波導測量線的實驗系統。微波波導測量線具有成本低、原理清晰、易于入門等優點，所以被廣泛應用。傳統的基于微波測量線的微波測量系統包括微波信號源、頻率計、駐波測量線和測量儀表，用手動方式來測量負載在傳輸線上形成的駐波分布。常用的測量儀表為光點檢流計等，由于駐波測量線的輸出信號非常微弱，光電檢流計非常靈敏，實驗過程中經常會出現因為學生走動或者實驗平臺輕微抖動而造成測量儀表的指針反復波動，影響了實驗數據獲取的準確性和實驗進度的推進。此外，測量儀表的有效量程也顯得不足，增大了測量誤差，影響了實驗精度的提高。

針對這些情況，為了降低實驗過程的繁瑣程度，提高測量精度和實驗自動化程度，微波自動測量線被引入到了微波技術實驗教學中[10-16]。微波自動測量線通過步進電機的移動或者位移傳感器來自動獲得測量線上位置信息，集數據自動采集與處理、結果顯示與輸出等多種功能于一體，操作者只需通過鍵盤和鼠標就能操作整個儀器，直接得到波形分布、波導波長、負載特性等多種參數的自動測量結果，極其簡便、迅速。但是在實驗教學過程中發現，系統自動完成了所有的測量和計算過程，學生只需要更換負載就完成了實驗，很容易就得到了結果，由于缺乏直接操作、參數計算和誤差分析的過程，學生對實驗的完成過程僅僅停留在看實驗講義和看自動測量儀的輸出結果上，而對實驗中間的實驗原理、測量方法和數據處理過程缺乏感性認識，很難透徹理解，實驗無法達到預定的目標，無法起到培養和鍛煉學生的動手能力和分析解決問題的作用。此外，由于自動測量線的探針位置自動調整，部分原有的微波實驗如大駐波比的測量、諧振腔Q值測量等無法在自動測量系統中完成。因此，微波自動測量系統只能作為手動實驗的一個有效的補充和校驗，成為微波技術實驗的一個內容，并不能代替手動實驗。這樣，基于測量線的微波測量實驗系統原有的問題并沒有完全得到解決。

因此，針對微波技術實驗中的種種問題，我們對微波測量系統進行了優化，并不是單純的將手動測量改為自動測量，而是改進其測量儀表，提高測量儀表的穩定度和測量精度，增加其數據傳輸功能，使其能更好的滿足實驗的要求。

1 系統整體設計

在基于波導測量線的微波測量系統中，測量線的終端接不同的負載，在其腔體內形成的駐波也不同，通過檢測信號確定場強的位置和大小等參量，即可實現對波導波長、工作波長、駐波比、反射系數等微波基本參量的測量，進而通過計算得到阻抗參數、微波網絡參數、衰減量和電介質介電常數等參數。因此，電場強度和探針位置是測量的兩個關鍵量。現有的微波測量系統中，探針位置可通過測量線上自帶的標尺進行精確測量，在實驗中波節和波腹的位置往往通過交叉讀數法得到，而電場強度的測量準確度顯得非常重要。對微波測量實驗系統進行優化，用數字式弱電流測量儀代替原有的光點檢流計，目的是為了在提高測量精度、直觀性和穩定性的同時，也避免由全自動化測量造成的學生缺乏實際動手實驗的問題，達到實驗與教學功能的有機統一。

優化后的微波測量實驗系統包括微波信號源、隔離器、可變衰減器、波長計、波導測量線和數字式弱電流測量儀等幾個部分，其連接方式如圖1所示。微波信號源可為系統提供7.5～12.4 GHz連續可調的等幅信號，信號經檢波二極管檢波輸出為微弱的直流信號送入到測量儀表，數字式弱電流測量儀代替了原有的檢流計，對檢波器輸出的信號進行測量，并通過顯示單元顯示出來。

2 數字式弱電流測量儀的設計

數字式弱電流測量儀包括信號調理模塊、顯示模塊、采集與控制模塊、電源模塊和擴展模塊等,其結構框圖如圖2所示。所有的模塊封裝在一個小機箱中，機箱的前面板為顯示部分和信號輸入接口，并預留檔位調節旋鈕；后面板為電源接口。

(1) 信號調理模塊。由于測量線輸出的反映開槽線內駐波場分布的檢波電流值很小，通常在微安量級左右，很難直接檢測。因此，需要對檢波二極管輸出的弱電流信號進行電流電壓轉換(I/V轉換)，得到電壓信號后，再經過放大和濾波處理，才能接入到信號采集部分進行量化。信號調理模塊包括I/V轉換、直流放大電路和濾波電路3部分組成。直流放大電路分兩級，第一級預放大，放大倍數固定；第二級主放大，放大倍數可調，通過可調變阻器來實現，可調變阻器接到前面板，便于操作者根據信號源的輸出信號大小進行調整。直流放大電路中加入調零電路，也是通過可調變阻器來實現，可調變阻器同樣接到前面板，便于操作者根據信號進行零點調整。直流放大電路中的放大器，選擇低失調電壓、低失調電流、低噪聲、低溫漂的運算放大器來實現。濾波電路的作用是濾除掉信號中的高頻成分，僅保留直流分量。檢波電路輸出的弱電流信號經過信號調理電路后變為0～3 V的電壓信號，送入采樣與控制電路進行數字化處理。

(2) 采樣與控制模塊。采樣與控制部分，系統采用MSP430F14X系列的單片機作為控制中心，由于MSP430單片機開發簡單，具有豐富的片上資源，自帶有多路ADC模塊，因此就不需要單獨外接ADC芯片，降低了電路的復雜度。430單片機的主要功能包括控制采樣、存儲、控制顯示以及擴展模塊等。信號采樣采用單片機自帶的12位的ADC，其測量分辨率和轉換精度均可滿足系統設計的要求，其分辨率可達滿電壓刻度的1/4 096，這樣測量儀的測量范圍就從原來的1～60變為1～4096。由于微波測量實驗中主要是對場強變化相對值的測量，這樣測量范圍的增大，可以大大地提高原有的測量精度，有利于系統測量誤差的有效降低。

(3) 顯示模塊。ADC采樣得到的數據由單片機送入到顯示模塊顯示。顯示模塊由4個7段數碼管組成及相應的電路。單片機通過控制片選和控制線來控制數碼管的實時顯示，顯示結果直觀。

(4) 電源模塊。由于整個系統電路是模數混合電路，待采樣信號的幅度又很小，因此要求系統電源的紋波系數低、性能可靠，設計時采用線性電源的設計。將220 V的交流電接入變壓器，經過整流、穩壓、濾波后得到所需的8、5和3.3 V，供各個模塊使用。

(5) 擴展模塊。系統預留串口和USB接口模塊，在需要的時候可以通過這些接口模塊把數據讀出來，在PC機上進行后續的數據處理。

(6) 軟件設計。由于數字式弱電流測量儀主要完成電流測量功能，不需要對測量數據進行復雜的處理和運算，它的軟件設計相對簡單，主要包括初始化、采樣控制、顯示控制和傳輸控制等部分。上電后在完成參數初始化后，就啟動ADC采樣，在對數據進行存儲的同時，通過控制七段數碼管的片選和控制線來控制數碼管的實時顯示。在需要進行數據上傳的時候，就將最近存儲的數據通過擴展接口傳輸出去。

3 結 語

數字式弱電流測量儀研制成本不高，小巧易用，其良好的測量精度和穩定度能更好地滿足微波技術實驗的要求。對現有的微波測量實驗系統進行優化，加入數字式弱電流測量儀，使其成為手動測量實驗的一個重要儀器，這樣有利于解決原有的微波手動測量實驗由于測量儀表造成的測量誤差大、耗時較長的問題，同時也不會影響學生的實驗操作，學生在得到實驗數據后，自行編寫數據處理、參數計算和誤差分析的程序，，從而達到實驗的預期目的。

當然，在實驗過程中，原有的微波自動測量系統和配置了數字式弱電流測量儀的微波測量系統作為不同的實驗手段，可以有機結合。學生在熟練掌握配置了數字式弱電流測量儀的微波測量系統的手動測量實驗的方法，掌握了微波測量原理和方法后，可以通過微波自動測量系統完成快速測量，通過分析測量結果去進行更深入的科學問題的研究，從而達到兩種測量方法的有效補充。

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