微波的特性研究

1、微波的特性研究【概述】1、微波波長從1m到0.1mm,其頻率范圍從 300MHz3000GHz;是無線電波中波長最 短的電磁波。微波波長介于一般無線電波與光波之間，因此微波有似光性，它不僅具有無 線電波的性質(zhì)，還具有光波的性質(zhì)，即具有光的直射傳播、反射、折射、衍射、干涉等現(xiàn) 象。由于微波的波長比光波的波長在量級上大10000倍左右，因此用微波進行波動實驗將比光學方法更簡便和直觀。2、DHMS-迎微波光學綜合實驗儀由 X波段微波信號源提供 DC12V電壓給微波發(fā)射部 分，其產(chǎn)生一定頻率（8.8GHz-9.8GHz ）的微波信號，通過幅度調(diào)節(jié)旋鈕可以對其進行衰 減，其中輸出最大功率小于5mW接收部

2、分采用精密的檢波管把微波信號檢測出來，通過放大處理后轉(zhuǎn)化為電壓信號（ mV，最后由液晶顯示器顯示出來。【實驗目的】1、了解與學習微波產(chǎn)生的基本原理以及傳播和接收等基本特性。2、觀測微波干涉、衍射、偏振等實驗現(xiàn)象。3、觀測模擬晶體的微波布拉格衍射現(xiàn)象。4、通過邁克耳遜實驗測量微波波長。【實驗儀器與用具】DHMS-1型微波光學綜合實驗儀一套，包括：X波段微波信號源、微波發(fā)生器、發(fā)射喇叭、接收喇叭、微波檢波器、檢波信號數(shù)字顯示器、可旋轉(zhuǎn)載物平臺和支架，以及實驗用 附件（反射板、分束板、單縫板、雙縫板、晶體模型、讀數(shù)機構等） ?！緦嶒炘怼恳弧⑽⒉ǖ漠a(chǎn)生和接收圖1 微波產(chǎn)生的原理框圖實驗使用的微波發(fā)生

3、器是采用電調(diào)制方法實現(xiàn)的，優(yōu)點是應用靈活，參數(shù)調(diào)配方便， 適用于多種彳股波實驗 ，其工作原理框圖見圖1。微波發(fā)生器內(nèi)部有一個電壓可調(diào)控制的VCO ,用于產(chǎn)生一個4.4GHz-5.2GHz的信號，它的輸出頻率可以隨輸入電壓的不同作相應 改變，經(jīng)過濾波器后取二次諧波 8.8GHz-9.8GHz ,經(jīng)過衰減器作適當?shù)乃p后，再放大， 經(jīng)過隔離器后，通過探針輸出至波導口，再通過 E面天線發(fā)射出去。接收部分采用檢波/數(shù)顯一體化設計。由E面喇叭天線接收微波信號， 傳給高靈敏度的 檢波管后轉(zhuǎn)化為電信號，通過穿心電容送出檢波電壓，再通過 A/D轉(zhuǎn)換，由液晶顯示器顯 示微波相對強度。二、微波光學實驗微波是一種電

4、磁波， 它和其他電磁波如光波、 X射線一樣，在均勻介質(zhì)中沿直線傳播， 都具有反射、折射、衍射、干涉和偏振等現(xiàn)象。1、微波的反射實驗微波的波長較一般電磁波短，相對于電磁波更具方向性，因此在傳播過程中遇到障礙 物，就會發(fā)生反射。如當微波在傳播過程中，碰到一金屬板，則會發(fā)生反射，且同樣遵循 和光線一樣的反射定律：即反射線在入射線與法線所決定的平面內(nèi)，反射角等于入射角。 2、微波的單縫衍射實驗當一平面微波入射到一寬度和微波波長可比擬的一狹縫時，在縫后就要發(fā)生如光波一般的衍射現(xiàn)象。同樣中央零級最強，也最寬，在中央的兩側衍射波強度將迅速減小。根據(jù)光的圖2 單縫衍射強度分布單縫衍射公式推導可知，如為一維衍射

5、，微波單縫衍射圖樣的強度分布規(guī)律也為:(1)sin2 I式中10是中央主極大中心的微波強度，口為單縫的寬度，入是微波的波長，中為衍射角sin N2 / N2常叫做單縫衍射因子，表征衍射場內(nèi)任一點微波相對強度的大小。一般可通過測量衍射屏上從中央向兩邊微波強度變化來驗證公式（1）。同時與光的單縫衍射一樣，當a sin 中=±0k=1, 2, 3, 4|（2）時，相應的中角位置衍射度強度為零。如測出衍射強度分布如圖2則可依據(jù)第一級衍射最小值所對應的 中角度，利用公式（2）,求出微波波長 九。3、微波的雙縫干涉實驗當一平面波垂直入射到一金屬板的兩條狹縫上，狹縫就成為次級波波源。由兩縫發(fā)出 的

6、次級波是相干波，因此在金屬板的背后面空間中，將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。當然，波通過每個 縫都有衍射現(xiàn)象。因此實驗將是衍射和干涉兩者結合的結果。為了只研究主要來自兩縫中 央衍射波相互干涉的結果，令雙縫的縫寬口接近九，例如： =3.2cm。a = 4cm。當兩縫之間的間隔b較大時，干涉強度受單縫衍射的影響小，當b較小時，干涉強度受單縫衍射影響大。干涉加強的角度為： k , 中=sin. K=i ， 2, 3（3）9 b干涉減弱的角度為：個,2 k +1 九 ）平=sin . 2 +bJ K=1，2, 3（4）4、微波的邁克爾遜干涉實驗在微波前進的方向上放置一個與波傳播方向成45,角的半透射半反射的分束板（如

7、圖3）。將入射波分成一束向金屬板A傳播，另一束向金屬板 B傳播。由于 A B金屬板的全反射作用，兩列波再回到半透射半反射的分束板，回合后到達微波接收器處。這兩束微波 同頻率，在接收器處將發(fā)生干涉，干涉疊加的強度由兩束波的程差（即位相差）決定。當兩波的相位差為2父冗,注=±1, ±2,土 3,| |）時，干涉加強；當兩波的相位差為（2父+1產(chǎn)時, 則干涉最弱。當 A、B板中的一塊板固定，另一塊板可沿著微波傳播方向前后移動，當微 波接收信號從極?。ɑ驑O大）值到又一次極?。ɑ驑O大）值，則反射板移動了入/2距離。由這個距離就可求得微波波長。圖3邁克爾遜干涉原理示意圖5、微波的偏振實

8、驗電磁波是橫波，它的電場強度矢量 E和波的傳播方向垂直。如果 E始終在垂直于傳播 方向的平面內(nèi)某一確定方向變化，這樣的橫電磁波叫線極化波，在光學中也叫偏振光。如 一線極化電磁波以能量強度 I。發(fā)射，而由于接收器的方向性較強 （只能吸收某一方向的線 極化電磁波，相當于一光學偏振片，如圖4。發(fā)射的微波電場強度矢量 E如在p方向，經(jīng)2接收萬向為P2的接收器后（發(fā)射器與接收器類似起偏器和檢偏器），其強度I = I。cos u ,其中口為P和P2的夾角。這就是光學中的馬呂斯（Malus）定律，在微波測量中同樣適用（實驗中由于喇叭口的影響會有一定的誤差，因此當有消光現(xiàn)象出現(xiàn)時便可驗證馬呂律）。6、模擬晶體

9、的布拉格衍射實驗布拉格衍射是用 X射線研究微觀晶體結構的一種方法。因為X射線的波長與晶體的晶格常數(shù)同數(shù)量級，所以一般采用X射線研究微觀晶體的結構。而在此用微波模擬X射線,照射到放大的晶體模型上，產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象與X射線對晶體的布拉格衍射現(xiàn)象與計算結果都基本相似。所以通過此實驗對加深理解微觀晶體的布拉格衍射實驗方法是十分直觀的。T a 1.10圖5晶體結構模型固體物質(zhì)一般分晶體與非晶體兩大類，晶體又分單晶與多晶。組成晶體的原子或分子按一 定規(guī)律在空間周期性排列，而多晶體是由許多單晶體的晶粒組成。其中最簡單的晶體結構 如圖5所示，在直角坐標中沿 X、Y、Z三個方向，原子在空間依序重復排列，形成簡單的

10、 立方點陣。組成晶體的原子可以看作處在晶體的晶面上，而晶體的晶面有許多不同的取向。圖6布拉格衍射如圖5左方為最簡立方點陣，右方表示的就是一般最重要也是最常用的三種晶面。這三種晶面分別為（100）面、（110）面、（111）面，圓括號中的三個數(shù)字稱為晶面指數(shù)。一般而言，晶面指數(shù)為（n1n2n3 ）的晶面族，其相鄰的兩個晶面間距 d="/Jn；+n2 + n3。顯然 其中（100）面的間距d等于晶格常數(shù)a ;相鄰的兩個（110）面的晶面間距 d=a/J2 ;而相鄰兩個（111）面的晶面間距 d=a/J3,實際上還有許許多多更復雜的取法形成其他取向的晶面族。因微波的波長可在幾厘米，所以可用

11、一些鋁制的小球模擬微觀原子，制作晶體模型。具體方法是將金屬小球用細線串聯(lián)在空間有規(guī)律地排列，形成如同晶體的簡單立方點陣。各小球間距d設置為4cm （與微波波長同數(shù)量級）左右。當如同光波的微波入射到該模擬晶體結構的三維空間點陣時，因為每一個晶面相當于一個鏡面，入射微波遵守反射定律，反射角等于入射角，如圖6所示。而從間距為 d的相鄰兩個晶面反射的兩束波的程差為2dsina ,其中a為入射波與晶面的夾角。顯然，只是當滿足2d sin a =0, k=1,2,3|（5）時，出現(xiàn)干涉極大。方程（5）稱為晶體衍射的布拉格公式。如果改用通常使用的入射角P表示，則（5）式為2dcosP=KZ,及=1,2,3|

12、（6）【實驗內(nèi)容】將實驗儀器放置在水平桌面上，調(diào)整底座四只腳使底盤保持水平。調(diào)節(jié)保持發(fā)射喇叭、接收喇叭、接收臂、活動臂為直線對直狀態(tài)，并且調(diào)節(jié)發(fā)射喇叭，接收喇叭的高度相同。連接好X波段微波信號源、微波發(fā)生器間的專用導線，將微波發(fā)生器的功率調(diào)節(jié)旋鈕逆時針調(diào)到底，即微波功率調(diào)至最小，通電并預熱10分鐘。1.微波的反射將金屬反射板安裝在支座上，安裝時板平面法線應與載物小平臺00位一致，并使固定臂指針、接收臂指針都指向90。，這意味著小平臺零度方向即是金屬反射板法線方向。打開檢波信號數(shù)字顯示器的按鈕開關。接著順時針轉(zhuǎn)動小平臺，使固定臂指針指在某一角度處，這角度讀數(shù)就是入射角，然后順時針轉(zhuǎn)動活動臂在液晶

13、顯示器上找到一最大值，此 時活動臂上的指針所指的小平臺刻度就是反射角。做此項實驗，入射角最好取30。至65。之間，因為入射角太大接收喇叭有可能直接接收入射波，同時應注意系統(tǒng)的調(diào)整和周圍環(huán)境的 影響。實驗記錄:入射角（度）303234363840+ 喟+ +64反射角（度）2.微波的單縫衍射按需要調(diào)整單縫衍射板的縫寬。將單縫衍射板安置在支座上時，應使衍射板平面與載物圓臺上90指示線一致。轉(zhuǎn)動載物圓臺使固定臂的指針在載物圓臺的180°處，此時相當于微波從單縫衍射板法線方向入射。這時讓活動臂置小平臺 0處，調(diào)整微波發(fā)生器的功率 使液晶顯示器顯示一定值， 然后在0：線的兩側，每改變13度讀取

14、一次液晶顯示器讀數(shù)， 并記錄下來。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，畫出單縫衍射強度與衍射角度的關系曲線。并根據(jù)微波衍射強度一級極小角度和縫寬a ,計算微波波長K和其百分誤差（表中 U左、U右是相對于0刻度兩邊 對應角度的電壓值）。數(shù)據(jù)記錄：邛（°）03691215U 左（mV）U 右（mV）3 .微波的雙縫干涉按需要調(diào)整雙縫干涉板的縫寬。將雙縫縫干射板安置在支座上時，應使雙縫板平面與載物圓臺上90指示線一致。轉(zhuǎn)動小平臺使固定臂的指針在小平臺的180°處。此時相當于微波從雙縫干涉板法線方向入射。 這時讓活動臂置小平臺 0處，調(diào)整信號使液晶顯示器顯示較大，然后在0：線的兩側，每改變 13度讀取一

15、次液晶顯示器的讀數(shù)，并記錄下來，然后就可以畫出雙縫干涉強度與角度的關系曲線。并根據(jù)微波衍射強度一級極大角度和縫 寬a，計算微波波長九和其百分誤差 數(shù)據(jù)記錄：中（°024681012141680U左側（mv）右側4 .微波的偏振干涉實驗按實驗要求調(diào)整喇叭口面相互平行正對共軸。調(diào)整信號使顯示器顯示一定值，然后旋轉(zhuǎn)接收喇叭短波導的軸承環(huán)（相當于偏轉(zhuǎn)接收器方向），每隔5記錄液晶顯示器的讀數(shù)。直至90就可得到一組微波強度與偏振角度關系數(shù)據(jù)，驗證馬呂斯定律。注意，做實驗 時應盡量減少周圍環(huán)境的影響。數(shù)據(jù)記錄：轉(zhuǎn)角0°10°20°30°40°50&

16、#176;60°70°80°90°實驗6 .邁克爾遜干涉實驗在微波前進的方向上放置一玻璃板，使玻璃板面與載物圓臺450線在統(tǒng)一面上，固定臂指針指向90度刻度線，接收臂指針指向0度刻度線（如圖3）。按實驗要求如圖安置固定 反射板、可移動反射板、接收喇叭。使固定反射板固定在大平臺上，并使其法線與接收喇 叭的軸線一致?？梢苿臃瓷浒逖b在一旋轉(zhuǎn)讀數(shù)機構上后，然后移動旋轉(zhuǎn)讀數(shù)機構上的手柄，使可移反射板移動，測出 n+1個微波極小值。并同時從讀數(shù)機構上讀出可移反射板的移動 距離L （注意：旋轉(zhuǎn)手柄要慢，并注意回程差的影響）。波長滿足：九=2L /n最小點讀數(shù)（mm7

17、.布拉格衍射實驗時將支架從載物臺上取下，模擬鋁球要調(diào)節(jié)，使上下應成為一方形點陣，各金屬球點陣間距相同（4 mm。將模擬晶體架插在載物平臺上的四顆螺拄上，這樣便使所研究的晶面（100）法線正對小平臺上的90。線，固定臂指針對準一側的0°線，接收臂指針對準另一側180°線。順時針轉(zhuǎn)動載物臺一定刻度（如 30度），此時入射角即為 90度減去 30度，為60度，同時把接收臂順時針轉(zhuǎn)動60度，這樣便滿足入射角和發(fā)射角相等，都為60度。實驗時每隔3到5度記錄一次，在估計發(fā)生衍射極大處可適當增加測試點。為了避 免兩喇叭之間波的直接入射，入射角P取值范圍最好在30度到70度之間，尋找一級衍

18、射最大。數(shù)據(jù)記錄：入射角3033363942454870反射角U(mV)【實驗內(nèi)容擴展】在微波分光儀還可以進行電磁波的線極化、圓極化和橢圓極化實驗，通過三種極化波的產(chǎn)生、檢測，可以了解電波極化的概念；同時可以進行圓極化波反射和折射、左旋/右旋特性實驗；利用邁克爾遜干涉原理可以進行無損介質(zhì)介電常數(shù)測定實驗；光學中的布儒斯特角、法布里-珀羅干涉儀、勞埃德鏡、棱鏡的折射、也可在微波波段得到再現(xiàn)；還可 以進行設計性實驗，例如：微波法濕度的測定?！咀⒁馐马棥? 、實驗前要先檢查電源線是否連接正確。2、電源連接無誤后，打開電源使微波源預熱10 分鐘左右。3、實驗時，先要使兩喇叭口正對，可從接收顯示器看出（正對時示數(shù)最大）4、為減少接收部分電池消耗，在不需要觀測數(shù)據(jù)時，要把顯示開關關閉。5、實驗結束后，關閉電源?！緦嶒炈伎肌? 、各實驗內(nèi)容誤差主要影響是什么？2、金屬是一種良好的微波反射器。其它物質(zhì)的反射特性如何？是否有部分能量透過這些物質(zhì)還是被吸收了