微波特性研究

1、浙江農(nóng)林大學(xué)開放實驗項目論文微波特性研究班 級：姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師： 日期：2011 年5月微波特性研究（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院工業(yè)設(shè)計102 浙江 臨安 ）摘要 微波應(yīng)用于許多方面，例如 ：微波爐，雷達(dá)系統(tǒng)，無線電輻射計，生物效應(yīng)。所以為了近一步了解微波的特性，此次測量微波的功率，頻率及波導(dǎo)波長（駐波測量線法）關(guān)鍵詞：微波，頻率，波導(dǎo)，波長 引言：微波技術(shù)是近代發(fā)展起來的一門尖端科學(xué)技術(shù)，它不僅在通訊、原子能技術(shù)、空間技術(shù)、量子電子學(xué)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面有著廣泛的應(yīng)用，在科學(xué)研究中也是一種重要的觀測手段，微波的研究方法和測試設(shè)備都與無線電波的不同。微波的頻率范圍是處于光波和廣播電視所采用的

2、無線電波之間，因此它兼有兩者的性質(zhì)，卻又區(qū)別于兩者。與無線電波相比，微波具有波長短、頻率高、量子特性和能穿透電離層等主要特點。微波爐 微波爐是一種相當(dāng)簡單的系統(tǒng)，由高功率源、波導(dǎo)饋線和爐腔所成。源一般是工作在2.45GHz的磁控管，它的輸出功率通常在5001500W之間。爐腔具有金屬壁，電氣尺寸相對較大，為了減小由于爐子內(nèi)存在駐波所引起的不均勻加熱，用一種“模擾動器”擾亂腔內(nèi)場分布，這種“模擾動器”是一種金屬風(fēng)扇葉片，食品放在隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)的大淺盤上。一、 在普通氣體或木炭火的爐子中，首先，被加熱的食品由于熱傳遞先在它的外部得到熱量，然后，食品內(nèi)部由傳導(dǎo)得到熱。微波加熱時，食品的內(nèi)部先得到熱。出現(xiàn)

3、這種現(xiàn)象的原因在于水分子的諧振和具有大損耗正切材料的損耗。一種有趣的事實是很多食物的損耗正切，隨著溫度的增加而下降，以使微波加熱在某種程度上有自我調(diào)節(jié)功能。結(jié)果與通常烹調(diào)比較，微波烹調(diào)給出極快并更均勻的食品加熱。微波爐的效率定義為變換為食品中熱量的功率對供給爐子功率的比值，一般小于50%；但是，這通常大于普通爐子的烹調(diào)效率。二、 實驗任務(wù)：1了解波導(dǎo)測量系統(tǒng)，熟悉基本微波元件的作用。2掌握駐波測量線的正確使用的方法。3掌握駐波系數(shù)的測量原理和方法。三、 實驗儀器設(shè)備介紹（每個同學(xué)不一樣） 1微波信號源：提供所需微波信號，頻率范圍在8.69.6GHz內(nèi)可調(diào)，工作方式有等幅、方波、外調(diào)制等，實驗時

4、根據(jù)需要加以選擇。 2隔離器：位于磁場中的某些鐵氧體材料對于來自不同方向的電磁波有著不同的吸收，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)，可使其對微波具有單方向傳播的特性(見圖30-8)。隔離器常用于振蕩器與負(fù)載之間，起隔離和單向傳輸作用。 3衰減器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管即成(見圖30-9)，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動吸收片可改變衰減量的大小。衰減器起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率以及去耦合的作用。圖 30-8 隔離器結(jié)構(gòu)示意圖 圖30-9 衰減其結(jié)構(gòu)示意圖4諧振式頻率計（波長表）： 圖30-10 諧振式頻率計結(jié)構(gòu)原理圖1 振腔腔體 2.可調(diào)短路活塞 3. 矩形波導(dǎo) 4. 短路活塞

5、 5. 矩形波導(dǎo) 6. 刻度 7. 刻度套筒 電磁波通過耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入頻率計的空腔中，當(dāng)頻率計的腔體失諧時，腔里的電磁場極為微弱，此時，它基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過波導(dǎo)中的電磁波信號強(qiáng)度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時的刻度，通過查表可得知輸入微波諧振頻率(圖30-10), 該種結(jié)構(gòu)方式是以活塞在腔體中位移距離來確定電磁波的頻率的，通?？勺龅?×10-4。5 波測量線探測：微波傳輸系統(tǒng)中電磁場分布情況，測量駐波比、阻抗、調(diào)匹配等，是微波測量的重要工作，測量所用

6、基本儀器是駐波測量線(外形如圖30-11)。駐波測量線是測量微波傳輸系統(tǒng)中電場的強(qiáng)弱和分布的精密儀器。測量線由開槽波導(dǎo)、不調(diào)諧探頭和滑架組成。在波導(dǎo)的寬邊中央開有一個狹槽，金屬探針經(jīng)狹槽伸入波導(dǎo)中。由于探針與電場平行，電場的變化在探針上感應(yīng)出的電動勢經(jīng)過晶體檢波器變成電流信號輸出。30-11: DH364A00型3cm測量線外形6選頻放大器：用于測量微弱低頻信號，信號經(jīng)升壓、放大，選出1kHz附近的信號，經(jīng)整流平滑后由輸出級輸出直流電平，由對數(shù)放大器展寬供給指示電路檢測。 實驗原理: 微波測量的主要內(nèi)容為頻率、功率和駐波比這三個基本參數(shù)的測定。其他參量（如阻抗、衰減、Q值、介電常數(shù)和損耗等）都

7、可以通過上述基本參數(shù)的測量而得到。下面簡要介紹這三個基本參數(shù)的測定。1. 功率的測量微波信號的平均功率被某些物體吸收后，變換成熱，使該物體溫度升高，根據(jù)溫度變化的幅度就可以測出功率的大小。對幾百毫瓦以下的小功率微波信號，常用鎢絲或鉑絲電阻，或半導(dǎo)體熱敏電阻作為測量器件。這些熱敏電阻的電阻值隨溫度而變，所以也隨微波信號功率而變。對于幾十瓦以上的大功率微波信號，則常用水作為吸收負(fù)載。測量水在吸收微波前后的溫差以及水的流量，就可以計算它所吸收的功率。詳情可參閱相關(guān)資料。2. 頻率的測量頻率的測量比較簡易的方法是測量波長，然后由波長推算出頻率。在分米波與厘米波段，常用諧振式頻率計（波長表），見附錄30

8、B圖30-10。波長表由傳輸波導(dǎo)與圓柱形諧振腔構(gòu)成，連接處用長方形孔作耦合。電磁波通過耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入頻率計的空腔中，當(dāng)頻率計的腔體失諧時，腔里的電磁場極為微弱，此時，它基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過波導(dǎo)中的電磁波信號強(qiáng)度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時的刻度，通過查表可得知輸入微波諧振頻率。這是吸收式波長表。3. 駐波比的測量駐波測量是微波測量中最基本和最重要的內(nèi)容之一，通過駐波測量可以測出阻抗、波長、相位和Q值等其他參量。駐波測量是使用“駐波測量線”進(jìn)行的。駐波測量線的結(jié)

9、構(gòu)見附錄30B圖30-11和圖30-12。在矩形波導(dǎo)的寬邊中央沿傳輸方向開有一個狹槽，基本不影響波導(dǎo)內(nèi)的電磁場分布。金屬探針經(jīng)狹槽伸入波導(dǎo)中。由于探針與電場平行，電場的變化在探針上感應(yīng)出的電動勢經(jīng)過晶體檢波器變成電流信號輸出，從而確定波導(dǎo)傳輸線內(nèi)的駐波特性。微波頻率很高，通常用檢波晶體(微波二極管)將微波信號轉(zhuǎn)換成直流信號來檢測的。晶體二極管是一種非線性元件，亦即電壓同場強(qiáng)之間不是線性關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，大致有如下關(guān)系 （1）其中是和晶體二極管工作狀態(tài)有關(guān)的參量。當(dāng)微波場強(qiáng)較大時呈現(xiàn)直線律，當(dāng)微波場強(qiáng)較小時(P<lW)呈現(xiàn)平方律。因此，當(dāng)微波功率變化較大時和就不是常數(shù)，且和外界條件有關(guān)，

10、所以在精密測量中必須對晶體檢波器進(jìn)行校準(zhǔn)。在測量時，通常測量電壓駐波系數(shù)，即波導(dǎo)中電場最大值與最小值之比 （2）將（1）式代入（2）式得 (3) 測量駐波比的方法與儀器種類很多，本實驗著重熟悉用駐波測量線測駐波系數(shù)的幾種方法。 1）小駐波比() 這時，駐波的最大值和最小值相差不大，且不尖銳，不易測準(zhǔn)，為了提高測量準(zhǔn)確度，可移動探針到幾個波腹點和波節(jié)點記錄數(shù)據(jù)，然后取平均值再進(jìn)行計算。 若駐波腹點和節(jié)點處電表讀數(shù)分別為，則電壓駐波系數(shù)為 (4)2）中駐波比()此時，只須測一個駐波波腹和一個駐波波節(jié)，即直接讀出和。根據(jù)（3）式可得電壓駐波比。 3）大駐波比()此時，波腹振幅與波節(jié)振幅的區(qū)別很大，因

11、此在測量最大點和最小點電平時，使晶體工作在不同的檢波律，故可采用等指示度法，也就是通過測量駐波圖形中波節(jié)點附近場的分布規(guī)律的間接方法(見圖30-1)。我們測量駐波節(jié)點的值、節(jié)點 兩旁等指示度的值及它們之間的距離 (5) 圖 30-1 節(jié)點附近場的分布 為駐波節(jié)點相鄰兩旁的等指示值，為等指示度之間的距離，為波導(dǎo)波長。當(dāng)時(若) (6)稱為“二倍最小值”法。 當(dāng)駐波比很大()時，很小，有 (7)必須指出：與的測量精度對測量結(jié)果影響很大，因此必須用高精度的探針位置指示裝置(如百分表)進(jìn)行讀數(shù)。四、實驗內(nèi)容及步驟: 1.功率的測量(1) 按圖30-2所示的框圖連接微波系統(tǒng)（已連好）。隔離器信號源定標(biāo)衰

12、減器波長表測量線功率計波導(dǎo)開關(guān)圖30-2 測功率時微波系統(tǒng)連接框圖(2) 將微波信號源（DH1121C）各選擇開關(guān)置于以下檔位。電壓表顯示體效應(yīng)管的工作電壓為10.000.50V電流表顯示體效應(yīng)管的工作電流為200到500mA同時將頻率、功率旋鈕打到最?。鏁r針方向），定標(biāo)衰減器調(diào)節(jié)到衰減最大（5mm位置），開啟電源，預(yù)熱30分鐘。(3) 將波導(dǎo)開關(guān)打到功率計的位置，將信號源上的功率旋鈕打在合適的位置，打開功率計（注意功率計調(diào)零），并由大到小緩慢調(diào)節(jié)定標(biāo)衰減器至衰減為零，同時觀察功率計大小的變化。設(shè)定固定信號源的發(fā)射功率分別為8.600GHz，8.800GHz，9.000GHz，9.200GH

13、z，9.400GHz，9.600GHz，選擇不同的頻率，適當(dāng)選擇功率計量程，讀出微波的絕對功率大小，自擬表格并記錄數(shù)據(jù)。2.頻率的測量(1) 按圖30-3所示的框圖連接微波系統(tǒng)（已連好）。隔離器信號源定標(biāo)衰減器波長表測量線檢波器檢波指示器波導(dǎo)開關(guān)圖30-3 頻率測量時微波系統(tǒng)連接框圖(2) 測量操作按功率測量實驗中的操作方法將微波信號源（DH1121C）置于正確的工作狀態(tài)(注意同時定標(biāo)衰減器調(diào)節(jié)到衰減最大)。將波導(dǎo)開關(guān)打到檢波器的位置，將信號源上的頻率調(diào)為8.600GHz，9.000GHz，9.200GHz，9.400GHz中的某一個固定頻率值，功率旋鈕打至合適，調(diào)節(jié)定標(biāo)衰減器，使檢波指示器指

14、針指到某一特定的位置，如80。緩慢調(diào)節(jié)波長計，并同時監(jiān)視檢波指示器上的指示讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)突然降低至最小值時，記錄此時波長計上刻度值于自擬表格中，并對照波長頻率刻度對照表，查出相應(yīng)的頻率值，最后所得數(shù)據(jù)記入自擬表格中。3.駐波比的測量(1) 按圖30-4所示的框圖連接微波系統(tǒng)（已連好）。隔離器信號源定標(biāo)衰減器波長表測量線短路板或被測元件選頻放大器波導(dǎo)開關(guān)圖30-4 駐波比測量時微波系統(tǒng)連接框圖(2) 類似功率測量實驗中的操作方法將微波信號源（DH1121C）置于正確的工作狀態(tài)（注意將工作方式改為：方波），并將波導(dǎo)開關(guān)打到短路板或被測元件的位置。同時將選頻放大器的頻率選擇置于1K；增益調(diào)至最大；量程

15、選擇置于×10檔。定標(biāo)衰減器旋至最大，將各儀器檔位設(shè)置好后，開啟電源，預(yù)熱30分鐘，同時調(diào)節(jié)駐波測量線探針有合適的深度。將三厘米波導(dǎo)測量線滑塊調(diào)至最右端，調(diào)節(jié)定標(biāo)衰減器和選頻放大器的頻率旋鈕，使選頻放大器指針達(dá)某一值，如80。接著由右往左調(diào)節(jié)三厘米波導(dǎo)測量線滑塊位置，并同時監(jiān)視選頻放大器上的指示讀數(shù)，指示讀數(shù)的最大值為波幅值。當(dāng)讀數(shù)降低至最小值時，記錄此最小值（此即為波節(jié)值）按下式計算駐波比 （3）記錄實驗環(huán)境條件，整理好實驗儀器。五、六、 實驗數(shù)據(jù)表頻率（GHZ）8.6008.8009.0009.2009.4009.600功率(mw)0.30.50.611.21.1表2 給定頻率（

16、GHZ）8.6009.0009.2009.400測量頻率（GHZ）8.6169.0349.1019.2998.80085.20086.824108.900111.3429.40096.40097.514117.500118.733頻率X值1020308.600GHZX1'96.800 97.100 97.300 X1"96.90597.49798.203X2'122.7122.5122.5X2"123.854124.402123.728g52.89452.30550.7258.800GHZX1'88.585.185.2X1"86.4586.

17、42986.824X2'108.9109.3108.9X2"111.026110.853111.342g45.47648.62448.2189.400GHZX1'96.696.496.4X1"97.93197.93598X2'117.5117.5117.5X2"119.165118.947118.733g42.13442.11242.319七、 數(shù)據(jù)處理及分析1. 在一定范圍內(nèi)，隨著頻率的增加，功率也隨著增大，但是過了這個范圍，功率會隨著頻率的增加而減小。 2. 對于相同的負(fù)載，隨著頻率的增大，波導(dǎo)波長減小。對于相同的頻率，隨著負(fù)載的增大，波導(dǎo)波長不變。八、 心得體會1. 我們需要做實驗時，提前預(yù)習(xí)該實驗是很有必要的。在了解該實驗的實驗原理，實驗內(nèi)容，實驗儀器后，會使我