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1、86第五单元 微波技术实验 5-1 微波基本参量测量一、引言微波通常是指波长从 1 米(300MHZ)到 1 毫米(300GHZ)范围内的电磁波，其低频端与超短波波段相衔接，高频端与远红外相邻，由于它比一般无线电波的波长要短的多，故把这一波段的无线电波称为微波，可划分为分米波，厘米波和毫米波。 微波有一些基本特性：1 .微波的波长极短，比地球上一些物体的几何尺寸小得多，因此当微波照射到这些物体上时，产生显著的反射，其传播特性与几何光学相似，具有“似光性”直线传播的特点。因此能制成体积小方向性极高的天线系统。能接收由地面或宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离。广泛应用于警
2、戒、瞄准、导航、气象、雷达等。2. 微波的频率极高，即振荡周期极短(10 -910 -12 秒)，与电子管中电子在电极间的飞越时间在同一数量级。因此，普通的电子管不能用作微波器件（微波振荡器、放大器、检波器等） ，而必须采用原理完全不同的微波电子管（如速调管、磁控管、行波管等） 、微波固体器件和量子器件来代替。另外，一般无线电元件如导线，电阻，电容，电感等元件在微波的传输，测量过程中都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件（如波导管、波导元件、谐振腔等）来代替。3. 微波可以毫无阻碍地穿过电离层，具有穿透性，对于人类来说，它是天线电波谱中的一个“宇宙窗户” ，加上微波可用频带很宽，信息容量大
3、，因此微波技术被广泛的应用于卫星通讯、遥感技术、宇航、射电天文学等尖端领域。4. 在微波波段，电磁波每个量子的能量范围为 10-610 -3eV。许多原子和分子发射和吸收原子电磁波波长正好处于微波波段内。人们正是利用这一特性研究原子和分子的结构，发展了微波波谱学、量子电子学，并研制了量子放大器，分子钟和原子钟。5. 研究方法和测量技术上，微波电路与低频电路中采用“路”的概念和方法有很大的不同。在低频情况下，由于传波能量的电磁场与线路中电荷和电流的关系比较简单，因而场在线路中的作用往往用通过线路的一些参数(电压、电流、电阻、电容和电感等) 表示出来，在这种情况下，我们可以用电路方程解决实际问题，
4、而不必直接研究场的分布，在高频情况下，场的波动性显著，集中的电容电感等概念已不能适用，而且整个线路上的电流不再是一个与位置无关的量，而是和电磁场相应地具有波动性质。此外，电压的概念亦失去确切的意义，因此，在高频情况下，电路方程逐渐失效，我们必须直接研究场和线路上的电荷电流的相互作用，要从集中参数元件转变为分布参数元件，要从“电路”转到“电磁场”的概念去研究和分析，从测量电压、电流、电阻转变为测量功率、驻波比、频率和特性阻抗等。近年来，微波边缘学科，如微波超导、微波化学、微波生物学、微波医学都得到了长足的发展。因此，微波技术是一门独特的现代科学技术，我们应掌握它的基本知识和实验方法。二、相关理论
5、基础871. 微波传输线波导管引导微波电磁能量沿一定方向传播的微波传输系统，一般有同轴线、波导管、带状线和微带线等。波导管的功率容量大、损耗小，特别适用于大功率微波系统，常见有矩形波导和圆波导两种，本实验室用矩形波导管，其形状如图一所示，矩形截面宽边记为 a，窄边记为 b，分别对应坐标轴 x 和 y，微波沿 z 轴方向传播。微波传输线中某种确定的电磁场分布称为“波型” ，根据麦克斯韦方程组和电磁波在波导管壁的边界条件可以解得波导管中电磁场的结构。麦克斯韦方程组的微分形式为： D0B（1）EtHj介质的性质对场的影响可表示为 ： ED（2）HBj对于导体和空气的界面，由方程组可以得到边界条件 0
6、Et0njHt（3）n由（3）表明，在导体附近电场必须垂直导体表面，而磁场则应与导体表面平行。可以ab图一88证明，矩形波导中只能传播两大类的电磁波：一类是电场只有横向分量，但磁场可以有纵向分量和横向分量，称为横电波或磁波，简写为 TE 波或 H 波，另一类是磁场只有横向分量而电场可以有纵向分量和横向分量，称为横磁波或电波，简写为 TM 或 E 波。电场和磁场纵向分量均不为零的波可视为 TE 波或 TM 波的叠加。实际应用中，都将波导管设计成只能传输单一波型，这里我们具体介绍矩形波导管中 波的电磁场结构：T10设宽边为 a，窄边为 b 的无限长波导管，电磁波以圆频率 自波导开口端沿 z 方向传
7、播，在忽略损耗，且管内充以均匀介质(空气) 下，波导管内电磁场各分量可由上述（1） ， （2） ， （3）方程解得： ()0sinjtzyxjeEHztjxj)(0iztjz)(cos(4)0xzy其中：位相常数 g2波导波长 )2(1g自由空间波长 fc方程组(4)中各分量图解如图二所示：89图二90由此，我们可以看到 波有如下特点：TE10a. 电场仅有分量 ，表明电场矢量总是垂直于波导宽边 a；而 表y 0Hy明磁场矢量在平行于波导宽边的平面内b. 电磁场沿 y 方向是均匀的，而在 x 方向形成驻立波)sin(),(0zty通常以脚标 m、n 分别表示在波导宽边和窄边的驻立半波的个数，
8、中脚标 TE10“1”的含义就是在宽边上有一个驻立半波，而“0”表示波导窄边电场均匀。c. 电磁场在波导的纵向 Z 上形成行波。沿 Z 方向 和 分布规律相同，即yHx最大处 亦最大， =0 处 =0，场的这种结构是行波的特点，两者相差为 。EyHxyx 2波与自由空间的传输具有许多不同，在自由空间里，波长 是两个相差T10 fc为 2 的相平面之间的距离，在波导中的波长 g 总是大于 ，对于特定尺寸的波导管存在一个临界波长 c=2a ，只有波长 c 的电波才能传播，c 叫截止波长，矩形波导中传输 波的条件 /2a ,0b/2,一般选取 a0.7，b=0.30.35。E10下面我们来看一下波导
9、中的反射系数和驻波比波在无限长的波导管中沿 Z 方向传播，构成行波，现只考虑某时刻 t 的传输状态，略去式(4) 中的 因子，则ejwtljy000E若波导不是无限长的均匀导体，则存在反射波，电场由入射波和反射波叠加而成， +eEzjiyzjr和 分别表示入射波和反射波的振幅，将距离 L 的原点取在终端负载的反射面上，ir则上式变成+ljiyeljr定义反射系数 R(L)为波导中某横截面处的电场反射波和入射波之比，即R（L）= =EljirljR2)0(其中 R(0)=R(0) ej91R(0)是终端的反射系数， 表示在终端反射波与入射波的位相差，所示 eEljljiyR)2()01当 时，驻
10、波电场达最大值，形成波腹，即nl2)(maxyi当 时，驻波电场达最小值，形成波节，即)1(l)0(minRyEi驻波比 ，定义为波导中驻波最大值与最小值之比= = yminax)0(1R所以 )0(R当微波功率全部被终端负载所吸收，波导中不存在反射波R(0)=0,=1，传播的是行波，这种状态称为匹配状态，这种终端负载称为匹配负载。当波导终端是理想导体板时(或称终端短路) ，就形成了全反射， R(0)=1,= ，波导中成纯驻波，这种状态为驻波状态。在一般情况下，波将发生部分反射而波式混合波，这时可用驻波比 描述混合波的特性，如图三所示。2. 谐振腔谐振腔是一个封闭的金属导体空腔，它具有储能与选
11、频特性，该元件相当于无线电技术中的 LC 谐振回路，当电磁波进入空腔时，如果选择的波型与频率合适，即可产生谐振。矩形空腔谐振器中可能存在无穷多个 TE 型和 TM 型振荡模，通常用 和TEpnm.来表示，下标 m、 n、p 为整数，分别表示场沿 x、y、z 方向变化的半驻波个数。TMpnm.矩型谐振腔的谐振频率为:Epnm. )2(22lbnacfm 和 n 中只能有一个为零，p 不能为零，否则所有分量均为零，所示矩形腔中模式系列的最低模式是 。T. T1092除谐振频率外，谐振腔的另一重要参量是品质因数 Q WQ210为谐振角频率, 分别为谐振腔储存的电磁f0 21,场总能量和一个周期内损耗
12、能量。它表征谐振腔效率的高低和频率选择性的好坏，从Q 能知道在电磁振荡过程中有多少功率消耗，它的近似表达式有 Q SV 为电磁场在谐振腔内壁的集映深度，V 为空腔体积，S 为内壁表面积。三、相关仪器和装置1.常用波导元件：a. 衰减器，衰减器是一段波导，在垂直波导宽边并沿纵向插入吸收片，使通过波的损耗达到衰减，可调节吸收片进入波导的深度以改变衰减量。b. 匹配负载，匹配负载一般做成波导段的形式，终端短路，并包含有一些安置在电场平面内的吸收片，吸收片做成特殊的劈形以实现与波导间的缓变过渡匹配。c. 隔离器，是一种氧体非互易元件，具有单向衰减持性，即波从正面通过，衰减极小，而反面通过时衰减很大，常
13、用于振荡器与负载之间，起隔离作用，使振荡器工作稳定。d. 可变短路器，可变短路器由短路活塞与传动读数装置构成，是一个可变电抗。Err 行波驻波混合波图三93e. 环形器，环形器是一种具有非互易特性的分支传输系统。Y 形环形器是常用的一种，在其中心“结区”置有一块横向磁化的铁氧体，保证功率的单向循环流通。2. 固态信号源固态信号源产生微波信号输出，实现内方波周制，由体效应管振荡器，可变衰成器，PIN 调制器等组成，在使用过程中，注意体效应管电压。3. 选频放大器，主要用于放大微弱低频交流信号，配合微波测量线用于交流信号驻波比测量。4. 驻波测量线，驻波测量线是一段开有长槽的波导与一个可沿线移动的
14、带有晶体检波器的探针和调谐机构组成，探针从槽中伸入波导，从中拾取微波功率，同时测量电场幅值的沿线分布。5. 功率计，由功率探头和指示器两部分组成，功率探头使用时注意不能超过额定功率，否则会损坏探头。四、实验内容和要求1. 频率测量按图四所示连接微波系统，将检波器及检波指示器接到被测件位置，利用波长表可以测出微波信号源的频率，旋转波长表的测微头，当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰，反映在检波器上的指示是一跌落点，读出测量头读数，查出对应频率2. 功率测量传输线路终端接入探头和功率计，并选择合适的量程，功率计调零后把波导开关旋至检波器上，读出功率读数。3. 微波驻波比测量驻波比依据不同的负载，
15、结合大，中，小驻波比，分别使用二倍最小功率法，直接测量和平均测量法测量。五、思考题1 .用矩形波导中场的分布原理讨论测量线中为什么要纵向开孔?2. 什么叫传输线的输入功率，负载处的功率和功率计的功率，它们之间关系如何，并讨论之。3. 怎样测定波导波长 g，为什么波导波长 g 大于波长 ?六、参考资料周孝安：近代物理实验教程 ，武汉大学出版社郭硕鸿：电动力学 ，高等教育出版社曹尔第， 近代物理实验 ，华东师范大学出版社隔离器可变衰减器 波长表微波信号源测量线 被测件选频放大器图四94何元金，马兴坤：近代物理实验 ，清华大学出版社，2003 年赵春晖，杨莘元：微波测量与实验教程 ，哈尔滨工程大学出版社，2000 年
