微波技術試驗

微波的傳輸特性和基本測量1、微波基本知識微波及其特點微波技術是近代發(fā)展起來的一門尖端科學技術，它不僅在通訊、原子能技術、空間技術、量子電子學以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面有著廣泛的應用，在科學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備都與無線電波的不同。從圖1可以看出，微波的頻率范圍是處于光波和廣播電視所采用的無線電波之間，因此它兼有兩者的性質，卻又區(qū)別于兩者。與無線電波相比，微波有下述幾個主要特點A/m 渺 1Q> ioD IB Hr* in-u tn-ti…， 11~ , 1~—i- i i~ Il~ i：IIJi _i~~u_rJ i i~~~i~。血10ilp 1護 lift |Ql= |QU IfjW廠牌 電Bl能諛I(yè)Cfr可見光紫彌札赦 況電濁 北波 K射或圖1電磁波的分類波長短（1m—1mm）：具有直線傳播的特性，利用這個特點，就能在微波波段制成方向性極好的天線系統(tǒng)，也可以收到地面和宇宙空間各種物體反射回來的微弱信號，從而確定物體的方位和距離，為雷達定位、導航等領域提供了廣闊的應用。頻率高：微波的電磁振蕩周期（10-9—10-12S）很短，已經(jīng)和電子管中電子在電極間的飛越時間（約10-9S）可以比擬，甚至還小，因此普通電子管不能再用作微波器件（振蕩器、放大器和檢波器）中，而必須采用原理完全不同的微波電子管（速調管、磁控管和行波管等）、微波固體器件和量子器件來代替。另外，微波傳輸線、微波元件和微波測量設備的線度與波長具有相近的數(shù)量級，在導體中傳播時趨膚效應和輻射變得十分嚴重，一般無線電元件如電阻，電容，電感等元件都不再適用，也必須用原理完全不同的微波元件（波導管、波導元件、諧振腔等）來代替。微波在研究方法上不像無線電那樣去研究電路中的電壓和電流，而是研究微波系統(tǒng)中的電磁場，以波長、功率、駐波系數(shù)等作為基本測量參量。量子特性：在微波波段，電磁波每個量子的能量范圍大約是10-6?10-3eV，而許多原子和分子發(fā)射和吸收的電磁波的波長也正好處在微波波段內。人們利用這一特點來研究分子和原子的結構，發(fā)展了微波波譜學和量子電子學等尖端學科，并研制了低噪音的量子放大器和準確的分子鐘，原子鐘。（北京大華無線電儀器廠）能穿透電離層：微波可以暢通無阻地穿越地球上空的電離層，為衛(wèi)星通訊，宇宙通訊和射電天文學的研究和發(fā)展提供了廣闊的前途。綜上所述微波具有自己的特點，不論在處理問題時運用的概念和方法上，還是在實際應用的微波系統(tǒng)的原理和結構上，都與普通無線電不同。微波實驗是近代物理實驗的重要組成部分。微波基本知識一、電磁波的基本關系描寫電磁場的基本方程是：AxE=-竺，dt

j=yE。方程組⑴稱為Maxwell方程組，方程組⑵描述了介質的性質對場的影響。對于空氣和導體的界面，由上述關系可以得到邊界條件（左側均為空氣中場量）EtEt=0En=g，oHn=0。Ht=iHn=0。方程組⑶表明，在導體附近電場必須垂直于導體表面，而磁場則應平行于導體表面。二、矩形波導中波的傳播在微波波段，隨著工作頻率的升高，導線的趨膚效應和輻射效應增大，使得普通的雙導線不能完全傳輸微波能量，而必須改用微波傳輸線。常用的微波傳輸線有平行雙線、同軸線、帶狀線、微帶線、金屬波導管及介質波導等多種形式的傳輸線，本實驗用的是矩形波導管，波導是指能夠引導電磁波沿一定方向傳輸能量的傳輸線。根據(jù)電磁場的普遍規(guī)律一一Maxwell方程組或由它導出的波動方程以及具體波導的邊界條件，可以嚴格求解出只有兩大類波能夠在矩形波導中傳播：①橫電波又稱為磁波，簡寫為TE波或H波，磁場可以有縱向和橫向的分量，但電場只有橫向分量。②橫磁波又稱為電波，簡寫為TM波或E波，電場可以有縱向和橫向的分量，但磁場只有橫向分量。在實際應用中，一般讓波導中存在一種波型，而且只傳輸一種波型，我們實驗用的TE10波就是矩形波導中常用的一種波型。 101-TE1O型波在一個均勻、無限長和無耗的矩形波導中，從電磁場基本方程組⑴和⑵出發(fā)，可以解得。。 /兀￥、=j。。 /兀￥、=j cos（—）ej（&t一所）兀 aH.=j也sin（至）ej（①t一龐）， H=0，E=0，E=-j?%asin（堅）ej（&t一龐），E=0，x y兀a z其中：3為電磁波的角頻率，必=2城，f是微波頻率;a為波導截面寬邊的長度；6為微波沿傳輸方向的相位常數(shù)B=2n/入；人入g為波導波長，氣=|——又S & 「1-（4）2\ 2a圖2和式⑷均表明，TE1O波具有如下特點：存在一個臨界波長人=2a，只有波長入〈入』勺電磁波才能在波導管中傳播波導波長入g＞自由空間波長入。 °電場只存在橫向分量，電力線從一個導體壁出發(fā)，終止在另一個導體壁上，并且始終平行于波導的窄邊。磁場既有橫向分量，也有縱向分量，磁力線環(huán)繞電力線。電磁場在波導的縱方向（z）上形成行波。在z方向上，Ey和所的分布規(guī)律相同，也就是說Ey最大處Hx也最大，Ey為零處Hx也為零，場的這種結構是行波的特點。圖2TE圖2TE1波的電磁場結構（a）,（b）,（c）及波導壁電流分布（d）2.波導管的工作狀態(tài)如果波導終端負載是匹配的，傳播到終端的電磁波的所有能量全部被吸收，這時波導中呈現(xiàn)的是行波。當波導終端不匹配時，就有一部分波被反射，波導中的任何不均勻性也會產(chǎn)生反射，形成所謂混合波。為描述電磁波，引入反射系數(shù)與駐波比的概念，反射系數(shù)r定義為kEr=Er/E.=|r|ej?。駐波比p定義為：p=——maxEmin圖3（a）行波，（b）混合波，（c）駐其中：圖3（a）行波，（b）混合波，（c）駐波點電場E的大小。不難看出：對于行波，p=1;對于駐波，p=8；而當1<p<8,是混合波。圖3為行波、混合波和駐波的振幅分布波示意圖。常用微波元件及設備簡介波導管：本實驗所使用的波導管型號為BJ-100，其內腔尺寸為a=22.86mm，b=10.16mm。其主模頻率范圍為8.20?12.50GHz，截止頻率為6.557GHz。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)過適當調節(jié)，可使其對微波具有單方向傳播的特性（見圖4）。隔離器常用于振蕩器與負載之間，起隔離和單向傳輸作用。衰減器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波導的寬邊，縱向插入波導管即成（見圖5），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。衰減器起調節(jié)系統(tǒng)中微波功率以及去耦合的作用。

圖4隔離器結構示意圖圖5衰減器結構示意圖圖4隔離器結構示意圖圖5衰減器結構示意圖諧振式頻率計（波長表）:圖6a諧振式頻率計結構原理圖一諧振腔腔體2.耦合孔3.矩形波導4.可調短路活塞5.計數(shù)器刻度7.刻度套筒電磁波通過耦合孔從波導進入頻率計的空腔中，當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中波的傳輸。當電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時，發(fā)生諧振，反映到波導中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應地，通過波導中的電磁波信號強度將減弱，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6a讀取刻度的方法測試精度較高，通?？勺龅?X10-4,價格較低。駐波測量線：駐波測量線是測量微波傳輸系統(tǒng)中電場的強弱和分布的精密儀器。在波導的寬邊中央開有一個狹槽，金屬探針經(jīng)狹槽伸入波導中。由于探針與電場平行，電場的變化在探針上感應出的電動勢經(jīng)過晶體檢波器變成電流信號輸出。晶體檢波器：從波導寬壁中點耦合出兩寬壁間的感應電壓，經(jīng)微波二極管進行檢波，調節(jié)其短路活塞位置，可使檢波管處于微波的波腹點，以獲得最高的檢波效率。匹配負載：波導中裝有很好地吸收微波能量的電阻片或吸收材料，它幾乎能全部吸收入射功率。圖7Y圖7Y行環(huán)形器圖8單螺調配器示意圖單螺調配器：插入矩形波導中的一個深度可以調節(jié)的螺釘，并沿著矩形波導寬壁中心的無輻射縫作縱向移動，通過調節(jié)探針的位置使負載與傳輸線達到匹配狀態(tài)（見圖8）。調匹配過程的實質，就是使調配器產(chǎn)生一個反射波，其幅度和失配元件產(chǎn)生的反射波幅度相等而相位相反，從而抵消失配元件在系統(tǒng)中引起的反射而達到匹配。微波源：提供所需微波信號，頻率范圍在8.6?9.6GHz內可調，工作方式有等幅、方波、外調制等，實驗時根據(jù)需要加以選擇。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。2、微波測試系統(tǒng)的調試與微波基本參量的測量在普通無線電波段中，分布參數(shù)的影響往往可以忽略，但在微波波段中則不然，由于微波的波長很短，傳輸線上的電壓、電流既是時間的函數(shù)，又是位置的函數(shù)，使得電磁場的能量分布于整個微波電路而形成“分布參數(shù)”，導致微波的傳輸與普通無線電波完全不同。此外微波系統(tǒng)的測量參量是功率、波長和駐波參量，這也是和低頻電路不同的。在本實驗中我們將學習在處理微波波段問題時所采取的方法，以加深對微波基本知識的理解。實驗目的學會使用基本微波器件。了解微波信號源的基本工作特性和微波的傳輸特性。掌握頻率、功率以及駐波比等基本量的測量。實驗原理1、 微波的傳輸特性.在微波波段，為了避免導線輻射損耗和趨膚效應等的影響,一般采用波導作為微波傳輸線.微波在波導中傳輸具有橫電波（TE波）、橫磁波（TM波）和橫電波與橫磁波的混合波三種形式。本實驗中使用的標準矩形波導管，采用的傳輸波形是TE］波。波導中存在入射波和反射波，描述波導管中匹配和反射程度的物理量是駐波比和反射系數(shù)。依據(jù)終端負載的不同，波導管具有三種工作狀態(tài)：⑴當終端接匹配負載時，反射波不存在，波導中呈行波狀態(tài)；⑵當終端接短路片、開路或接純電抗性負載時，終端全反射，波導中呈純駐波波狀態(tài)；⑶一般情況下，終端上部分反射，波導中傳輸?shù)募炔皇切尾?，也不是純駐波，而是呈行駐波狀態(tài)。2、 微波頻率的測量.微波的頻率是表征微波信號的一個重要的物理量，頻率的測量采用吸收式頻率計。當調節(jié)頻率計，使其自身空腔的固有頻率與微波信號頻率相同時，則產(chǎn)生諧振，此時通過連接在微波通路上的微安表可觀察到信號幅度明顯減小的現(xiàn)象注意，應以減幅最大的位置作為判斷頻率測量值的依據(jù)。3、 微波功率的測量.微波功率是表征微波信號強弱的一個物理量,通常采用替代或比較的方法進行測量.實驗室中采用吸收式微瓦功率計進行測量.4、 波導波長和駐波比的測量.駐波比定義為波導中駐波極大值點駐波極小值點的電場強度之比。即p=Emax/Emin ⑴實驗中采用駐波測量線和選頻放大器來測定波導波長和駐波比⑴駐波比的測量。由于終端負載不同，駐波比也有大中小之分。因此，駐波比測量的首要問題是，根據(jù)駐波極值點所對應的檢波電流，粗略估計駐波比p的大小。在此基礎上,再做進一步的精確測定。實驗中微波信號比較微弱，可認為檢波晶體（微波二極管）符合平方率檢波，即I8E2。依據(jù)公式求出P的粗略值后，再按照駐波比的三種情況進一步精確測定P值。.小駐波比（1.05<p<1.5）這時，駐波的最大值和最小值相差不大，且不尖銳，不易測準，為了提高測量準確度，可移動探針到幾個波腹點和波節(jié)點記錄數(shù)據(jù)，然后取平均值再進行計算。若駐波腹點和節(jié)點處電表讀數(shù)分別為Imax，Imin，則電壓駐波系數(shù)為Emg+E］住2H bEmax就 <'lmax1+dimax2H JImaxn ⑵）E.1+E.2+…+E. vimini+*Imin2+ +A.minn.中駐波比（1.5<p<6）此時，只須測一個駐波波腹和一個駐波波節(jié)，即直接讀出ImaxImin。p=J=C ⑶Emin t1min.大駐波比（p>6）（選做）在大駐波比情況下，檢波電流Imax與Imin相差太大，在波節(jié)點上檢波電流極小,在波腹點上二極管檢波特性遠離平方率，故不能用⑶式計算駐波比，可采用二倍極小功率法，利用駐波測量線測量極小點兩旁功率為其二倍的點坐標，進而求出二者間距d,則p=Ag/nd⑷⑵波導波長的測量.波導波長在數(shù)值上為相鄰兩個駐波極值點（波腹或波節(jié)）距離的兩倍。由于在極大值點附近變化緩慢，峰頂位置不易確定，實際采用測定駐波極小值點的位置來求出波導波長。考慮到駐波極小值點附近變化平緩，因而測量值不夠準確。為此，測量時通過平均值法間接測量。即測極小值點附近兩點（此兩點在指示器上的輸出幅度相等）的坐標，然后取這兩點坐標的平均值，即得極小點坐標。兩個相鄰極小點的距離為半個波導波長Ag，測量計算公式為Ag=（X2z+X「，）-（X「+X1//） ⑸其中（X「，％''）以2‘，X2‘‘）分別為極小值點兩旁輸出幅度相等的兩點坐標。實驗裝置整個微波測量線路由3cm波段波導元件組成，其主要元件為隔離器