微波测量

《微波测量》课程教学大纲

课程代码：0221034                            

课程中英文名称：微波测量                         Microwave Measurements

开课学期：第6学期

学分：3                             学时：48                       

课程类別： 必修课，专业基础（必/限/任；通识/学科基础/专业基础/专业方向）

适用专业：电子信息工程、电磁场与无线技术

开课对象：三年级本科生

先修课程：微波技术基础、微波网络等

后修课程：微波电子线路、天线原理、雷达原理等

开课单位：电子工程学院

团队负责人：雷振亚 ，责任教授：雷振亚，   执笔人：马超，  核准院长：苏涛

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一、课程性质、目的和任务

本课程是电子信息工程专业微波方向的一门专业技术必修课。本课程的任务是使学生获得微波测量技术方面的基本理论、概念、方法与技能。本课程研究电磁场与微波技术学科中常用参数的测量方法。网络特性参数主要是：单口网络的驻波比，输入阻抗和反射系数；双口网络的插入驻波比、阻抗(或导纳)和散射等网络参数及其相互转换，以及网络特性的分项测量——衰减和相位移。信号特性参数主要是微波功率、频率与波长。学会测量这些参数的测量系统的组成、测量方法的原理和适用场合、误差来源，及某些测量方法的误差分析举例；学会实验操作和实验数据处理的基本方法。了解微波测量的发展动向和自动化发展概况。增加微波网络分析仪、频谱仪、微波信号源等现代测量仪器设备的教学内容和实验环节。

    通过本课程的各教学环节，在微波测量技术的基本理论、基本知识和基本技能方面，应达到下列要求。

1.基本理论和基本知识方面：

(1)掌握测量线法测量驻波比时所用各种测量方法的原理和适用场合，及测量线法测量输入阻抗、反射系数与3点法测量网络参数的原理。了解测量线的近期发展情况及与微机结合的动态。了解测量线的误差来源。

(2)掌握基本反射计测量｜r｜的工作原理及其误差分析、调配反射计工作原理及其调配不完善的误差分析方法。

(3)掌握微波热敏电阻式小功率计工作原理、功率测量的误差源、功率方程式和失配误差的分析方法。

(4)掌握微波衰减测量中的几个定义，即衰减、插入插耗。深刻理解并掌握直接法和替代法测量衰减的工作原理。了解衰减测量的误差来源。

(5)掌握测量线法、替代法测量相位移的工作原理。了解变换到低频测量相位移的方法。

(6)了解频率测量和频率标准的基本原理。

(7)要深刻理解扫频测量系统的组成及稳幅环路的作用。了解扫频反射计法测量｜r｜的原理及其误差分析方法。了解扫频测量线法测量驻波比原理。

(8)了解微波网络分析仪的方框图组成。深刻理解测量单口网络和双口网络参数的误差有效期模型及其校正值的求解原理。了解自动网络分析仪的基本过程。

(9)了解微波网络参数时域测量法的基本原理。

2.基本技能方面：

(1)学会微波测量中常用的一般测量系统的组成方法。正确连接测量电路。熟悉有关微波测量电路的主要仪器。

(2)学会测量线的调整使用，测量线法测量大、中、小驻波比、信号源驻波比和晶体检波器驻波比的安装调试和实验操作。学会测量线法测量阻抗与网络参数的方法和实验操作。

(3)学会基本反射计和调配反射计测量｜r｜的实验操作、误差分析方法。熟悉电桥型反射计测量｜r｜的基本方法。

(4)学会正确使用微波小功率计测量信号功率的线路组成和测量方法、失配误差分析方法和实验操作。熟悉晶体检波器的调整和用于测量功率的基本方法。会正确使用波长计(谐振器式频率计)测量信号频率的线路组成和测频方法。学会波长计的校准方法。领略微波外差式频率计的操作和测频方法。

(5)学会正确组成测量衰减的测量系统。学会直接法和高频替代法测量衰减器衰减量的测量方法。熟悉测量线法和替代法测量相位移的一般方法。

微波技术基础是本课程的选修课程。 “微波网络与应用”课程是这个课程是后修课。

与电子线路课的关系：微波测量仪器中，除微波元、器件之外，涉及大量电子线路的基本概念和原理，如振荡、放大、频率变换、调制、解调等。关于误差理论和实验数据处理知识：在前修的物理实验课、电子线路实验课等实验课程中，已经积累了一定知识。在此基础上，需结合本课程的具体误差分析内容进一步提高。

(6)学会现代微波测量设备的组成原理和正确使用。微波网络分析仪、微波频谱仪、微波信号源、微波功率计等现代测量设备已经大量在生产、科研、教学中广泛使用。将现代微波测量设备引入教学环节当中，使学生熟练掌握现代微波测量设备的原理及测试方法，适应新时期的社会需求。

本课程对学生达到如下毕业要求有贡献

毕业要求

毕业要求指标点

毕业要求1：掌握扎实的高等数学、工程数学、物理学和电子信息工程专业知识，能够将上述知识用于解决复杂工程问题；

1-2:应用麦克斯韦方程组和传输线理论分析波导主模传输特性；

1-4:引入归一化传输线理论；

毕业要求2：掌握电子信息工程专业的工程基础知识和专业知识，能够通过文献研究并结合专业知识对复杂工程问题进行分析，并得出有效结论；

2-2:运用所学微波技术基础的知识和微波测量原理，搭建符合要求的测试系统；测量并给出误差范围。

毕业要求3：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，能够在设计环节中体现创新意识，能够在设计过程中考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素的影响。

3-1:根据网络特性参数和信号特性参数的要求设计针对性的实验系统，考虑其合理性和完整性；

3-2:通过课堂教学和实验开阔视野培养创新思维;

毕业要求4：掌握复杂电子信息系统中，系统设计、相关软件、硬件设计与开发知识，并全面理解复杂系统的设计需求、设计原理、设计方法、加工工艺，具有相应实践能力；

4-2:掌握微波测量原理、测试方法和规律；

毕业要求7.掌握现代专业仪器、设备的基本原理、操作方法；能够在复杂、综合型工程中合理选择和使用仪器、设备；

7-1:掌握现代实验仪器、设备的基本原理、操作方法；

7-2:掌握实验系统中现代仪器、设备的选型和使用；

二、教学内容、基本要求及学时分配

《微波测量》课程的教学内容、基本要求、学时分配和毕业要求指标点在教学中的具体体现如下：

(一)引论(2学时)

1.   教学内容：

微波测量在电磁场与微波技术学科、微波工程和微波生产中的重大意义和任务。

2.   基本要求：

微波测量参数的分类及其有关术语。微波测量，发展简况。本课程的目的、任务、结构及其学习方法。

3.   重点、难点：

    通过麦克斯韦方程和传输线理论建立微波沿波导传输各种模值的电磁分布，并在此基础之上完成归一化传输电路理论。训练学生综合运用电磁场理论知识，解决工程问题。

4.   作业及课外学习要求：

掌握在传输线上阻抗或导纳沿位置变化的规律。课外复习传输线理论。

5.   对毕业要求指标点具体贡献：

指标点1-2：应用麦克斯韦方程组和传输线理论分析波导主模传输特性；

指标点1-4：引入归一化传输线理论；利用最小二乘法处理数据。

（二）测量线法测量驻波比(6学时)

1.   教学内容

测量线结构简介。测量系统的组成及测量线的调整。晶体定标与直接法测量驻波比。等指示度法测量驻波比。功率衰减法测量驻波比。滑动小反射负载法测量驻波比。S曲线法测量驻波比。微波信号源驻波比的测量。晶体检波器驻波比测量。测量线误差源简介。

2.   基本要求

（1）熟练掌握测量线测量各种驻波比的基本方法、基本原理和概念。

（2）掌握测量线测量驻波比的误差分析方法。

3.   重点、难点：

测量线系统各器件的功能和作用；各种测量驻波比的特点和适用条件以及误差分析；晶体定标与探针调谐。

4.   作业及课外学习要求：

查阅微波技术基础课程中各常用微波器件的原理和使用。

5.对毕业要求指标点具体贡献：

 指标点2-2：运用所学微波技术基础的知识和微波测量原理，搭建符合要求的测试系统。

指标点3-1:根据网络特性参数和信号特性参数的要求设计针对性的实验系统，考虑其合理性和完整性；

指标点3-2:通过课堂教学和实验开阔视野培养创新思维;

（三）测量线法测量阻抗与网络参数(2学时)

1.   教学内容

测量线法测量单口网络输阻抗与反射系数。测量线法测量双口网络参数的三点法和多点法。多探针技术简介及其近发展简况。多点法测量网络参数。多口微波网络参数的测量要点。

2.   基本要求

     （1） 熟练掌握阻抗及网络参数测量的方法。

（2）掌握阻抗及网络参数测量的系统组成及误差分析。

3.   重点、难点

测量线法测量双口网络参数的三点法和多点法。

4.   作业及课外学习要求

测量线法测量双口网络，计算双口网络求解散射参数网络和阻抗参数网络。

     5.对毕业要求指标点具体贡献：

       指标点2-2：运用所学微波技术基础的知识和微波测量原理，搭建符合要求的测试系统。

        指标点3-1:根据网络特性参数和信号特性参数的要求设计针对性的实验系统，考虑其合理性和完整性；

     指标点3-2  通过课堂教学和实验开阔视野培养创新思维;

（四）反射计法测量反射系数(4学时)

1.   教学内容

基本反射计工作原理及其误差分析。双定向耦合器反射计调配反射计原理。单定向耦合器调配反射计工作原理。调配不完善误差分析。电桥反射计测量反射系数介绍。反射计法测量复反射系数的解决途径。

2.   基本要求

（1）熟练掌握双定向耦合器反射计调配反射计原理。单定向耦合器调配反射计工作原理。

（2）掌握双定向耦合器反射计调配反射计、单定向耦合器调配反射计系统组成及调配方法。调配不完善误差分析。

3.   重点、难点

  反射计测量反射系数原理；调配原理及方法；误差分析。

4. 作业及课外学习要求

三端口相应网络成为反射计的条件；误差分析及校准

5.对毕业要求指标点具体贡献：

        指标点2-2：运用所学微波技术基础的知识和微波测量原理，搭建符合要求的测试系统。

        指标点3-1:根据网络特性参数和信号特性参数的要求设计针对性的实验系统，考虑其合理性和完整性；

        指标点3-2  通过课堂教学和实验开阔视野培养创新思维;

（五）微波功率测量(6学时)

1.   教学内容

概述。微波晶体管检波器。微波小功率计原理：热敏电阻式小功率计，薄膜热电偶小功率计，量热式小功率计。微波中、大功率计原理。功率测量的误差源、功率方程式和失配误差分析。微波功率计的校准方法介绍。

2.   基本要求

（1）熟练掌握微波小功率计原理的组成原理及测量方法及微波大功率测量方法。（2）能分析微波功率测量过程中的误差原因及消除误差的方法。微波功率计的校准。

3.   重点、难点

      功率方程；功率计校准方法。

4.   作业及课外学习要求：

微波功率的测量方法以及匹配对测量值的影响。

5.   对毕业要求指标的具体贡献：

    指标点2-2：运用所学微波技术基础的知识和微波测量原理，搭建符合要求的测试系统。

   指标点3-1:根据网络特性参数和信号特性参数的要求设计针对性的实验系统，考虑其合理性和完整性；

     指标点3-2:通过课堂教学和实验开阔视野培养创新思维

         指标点4-2:掌握微波测量原理、测试方法和规律；

（六）微波频率、波长测量(2学时)

1.   教学内容

微波频率测量：频率标准介绍，外差式频率计原理，数字式频率计基本原理。微波波长测量：波长计测频原理及其校准方法，误差源介绍。

2.   基本要求

     （1）微波频率测量的标准及测量方法。

      （2）各种频率、波长测量的原理，系统组成及误差分析。

3.   重点、难点

频率测量方法；时间标准。

4.   作业及课外学习要求

       晶振，铯原子钟原理

5.   对毕业要求指标的具体贡献：

指标点3-1:根据网络特性参数和信号特性参数的要求设计针对性的实验系统，考虑其合理性和完整性。

指标点3-2:通过课堂教学和实验开阔视野培养创新思维

指标点4-2:掌握微波测量原理、测试方法和规律；

（七）衰减测量(2学时)

1.   教学内容

衰减及其有关的术语定义。直接法——功率比法测量衰减原理。替代法测量衰减原理。衰减测量中的误差源介绍。

2.   基本要求

（1）掌握衰减测量各种方法的测量原理。

（2）分析衰减测量中各种误差。

3.   重点、难点

替代法测衰减；误差分析。

4.   作业及课外学习要求

固有衰减，插入衰减等概念；失配误差计算。

5.   对毕业要求指标的贡献：

     指标点3-1:根据网络特性参数和信号特性参数的要求设计针对性的实验系统，考虑其合理性和完整性。

指标点4-2:掌握微波测量原理、测试方法和规律。

（八）相位移测量(4学时)

1.   教学内容

相位移及其有关的术语定义。测量线法测量相位移原理。替代测量相位移原理。变换到低频测量相位移及数字相位计简介。相位测量中的误差原介绍。

2.   基本要求

（1）熟练掌握测量线法测量相位移原理，替代测量相位移原理。

（2）分析相移测量中各种误差。

3.   重点、难点

替代测量相位移原理；误差分析。

4.   作业及课外学习要求

本证相移，插入相移等概念；失配误差计算。

5.   对毕业要求指标的贡献：

指标点3-1:根据网络特性参数和信号特性参数的要求设计针对性的实验系统，考虑其合理性和完整性。

指标点4-2:掌握微波测量原理、测试方法和规律。

（九）微波噪声测量（2学时）

1.   教学内容

微波噪声其来源主要有：电阻的热噪声和电子管、晶体管的散弹(粒)噪声、分配噪声和闪烁噪声等。来自设备外部的噪声主要有，天线噪声、宇宙噪声、工业干扰、天电干扰等。在微波频段，由于外部噪声的影响急剧减小，所以主要致力于减小微波设备的内部噪声。

2.   基本要求

（1）噪声系数的定义及基本原理。

（2）分析噪声源的噪声特性掌握测量方法及噪声分析。

3.   重点、难点

噪声的原因及测量方法

4.   作业及课外学习要求

噪声测量方法及误差分析。

5.   毕业要求指标点：

指标点3-1:根据网络特性参数和信号特性参数的要求设计针对性的实验系统，考虑其合理性和完整性。

指标点4-2:掌握微波测量原理、测试方法和规律

（十）网络分析仪及扫频测量原理

1.教学内容

熟悉现代微波网络分析仪的原理和使用。

2.基本要求

（1）了解微波网络分析仪的组成及工作原理。

（2）学会微波网络分析仪的校准及微波器件的测试。

3. 重点、难点

  微波网络分析仪的原理及微波器件参数的测试方法。

4. 作业及课外学习要求

   了解校准对测试精度的影响。

5. 对毕业要求指标的具体贡献：

7-1:掌握现代实验仪器、设备的基本原理、操作方法。

7-2:掌握实验系统中现代仪器、设备的选型和使用。

（十一）频谱分析仪及微波信号源原理

1.教学内容

微波频谱仪及微波信号源的原理及使用。

2.基本要求

（1）学会使用微波信号源调出需要的微波调制信号。

（2）学会使用微波频谱仪观察测试微波信号。

   3.重点、难点

     频谱仪及信号源工作原理；使用方法及注意事项。

 4.作业及课外学习要求

     了解各种调制信号的频谱形式。

 5.对毕业要求指标的具体贡献：

7-1:掌握现代实验仪器、设备的基本原理、操作方法。

7-2:掌握实验系统中现代仪器、设备的选型和使用。

三、教学方法

针对具体教学内容，采用归纳式教学或演绎式教学，体现“学生主体、教师主导”的教学思想。以课堂讲授、学生自学、基于大量课内实验、专题讨论等教学方法。

四、课内外教学环节及基本要求

总学时 48学时，讲课 34 学时，课内实验  14 学时。

(一) 本课程与其它课程的联系和分工

《微波测量》课程的先修课程主要是电磁场理论、微波技术与天线、简明微波、微波网络等，后续课程主要有《微波电子线路》、《天线原理》等。微波测量是电磁场与微波技术学科、微波工程研究和微波设备生产中的一个重要部分。电磁场理论及微波技术课程分工是在理论上分析了电磁波传播的特性，微波测量课程是解决在实际工程中电磁波在各种器件中的传播特性以及测量的方法等。微波测量技术的发展对微波技术理论的发展又起到了推动的作用。

(二) 课内实验

课内实验14学时，实验内容为：

1．晶体定标及直接法测量驻波比；2

2．测量线法测量大、中、小驻波比；4

3．测量线法测量源驻波比和晶体检波器驻波比；2

4．测量线法测量阻抗与网络参数(若前修课“微波技术基础”已开过阻抗测量实验，可开双口和三口网络参数测量实验)；2

5.功率、频率测量；2

6.反射计法测量反射系数；

7．微波衰减与相位测量；2

8.微波网络分析仪的校准及滤波器的散射参数测量。后将增加功分器、定向耦合器、天线等无源器件的测试2

9. 微波频谱仪及微波信号源的使用，利用微波频谱仪观察微波信号源所产生的调制信号的频谱。后将增加放大器、混频器、检波器、振荡器等有源器件的测试。2

(三) 作业

结合基本概念、基本测量方法、分析问题的基本方法，每次课布置2~4道书面作业题。每二周收、批作业一次。对于典型的、普遍存在的问题和难点不定期的进行课堂讨论。

(四)课程内容、教学环节和学时分配

课程内容、教学环节和学时分配表

教

讲   课

实   验

习题课

讨论课

上   机

参观或看影像

小   计

引论

1

1

测量线法测量驻波比

7

4

11

测量线法测量阻抗与网络参数

2

2

4

反射计法测量反射系数

4

2

6

微波功率测量

6

1

7

微波频率、波长测量

2

1

3

衰减测量

2

2

4

相位移测量

4

2

6

微波噪声测量

2

2

网络分析仪及扫频测量原理

2

2

2

频谱分析仪及微波信号源原理

2

2

2

复习

2:为本课程新加实验

五、考核内容及成绩评价方式

最终成绩由平时作业成绩、课内实验成绩、期末考试成绩组合而成。各部分所占比例如下：

平时作业成绩：10%。主要考核对每堂课知识点的复习、理解和掌握程度。

课内实验成绩：20%。主要考查学生完成课内实验的动手能力，分析处理实验数据和撰写实验报告的能力。

期末考试成绩：70%。主要考核基本概念、基本测量方法的掌握程度。书面考试形式的题型为1、简答题；2、填空题；3、计算题；4、综合题等。