實(shí)驗(yàn)十八鐵磁共振講義

實(shí)驗(yàn)十八 鐵磁共振(FMR)在現(xiàn)代，鐵磁共振也和順磁共振、核磁共振……等一樣是研究物質(zhì)宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的有效手段。鐵磁共振在磁學(xué)乃至固體物理學(xué)中都占有重要地位，它是微波鐵氧體物理學(xué)的基礎(chǔ)。而微波鐵氧體在雷達(dá)技術(shù)和微波通訊方面都已獲得重要應(yīng)用。早在1935年著名蘇聯(lián)物理學(xué)家蘭道(M?g?MaHgay)等就提出鐵磁性物質(zhì)具有鐵磁共振特性。十幾年后超高頻技術(shù)發(fā)展起來(lái)，才觀察到鐵磁共振現(xiàn)象。多晶鐵氧體最早的鐵磁共振實(shí)驗(yàn)發(fā)表于1948年，以后的工作則多采用單晶樣品，這是因?yàn)槎嗑悠返墓舱裎站€較寬，又非洛侖茲分布，也不對(duì)稱；并在許多樣品中出現(xiàn)細(xì)結(jié)構(gòu)。單晶樣品的共振數(shù)據(jù)易于分析，不僅普遍被用來(lái)測(cè)量g因子、共振線寬及弛豫時(shí)間，而且還可以測(cè)量磁晶各向異性參量。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹渴煜の⒉ㄐ盘?hào)源的組成和使用方法，學(xué)習(xí)微波裝置調(diào)整技術(shù)。了解鐵磁共振的基本原理，學(xué)習(xí)用諧振腔法觀測(cè)鐵磁共振的測(cè)量原理和實(shí)驗(yàn)條件。測(cè)量微波鐵氧體的鐵磁共振線寬；測(cè)量微波鐵氧體的g因子。【實(shí)驗(yàn)儀器】DH800A型微波鐵磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和示波器等?！緦?shí)驗(yàn)原理】鐵磁共振鐵磁物質(zhì)的磁性來(lái)源于原子磁矩，一般原子磁矩主要由未滿殼層電子軌道磁矩和電子自旋磁矩決定。在鐵磁性物質(zhì)中，電子軌道磁矩受晶場(chǎng)作用，其方向不停地在變化，不能產(chǎn)生聯(lián)合磁矩，對(duì)外不表現(xiàn)磁性，故其原子磁矩來(lái)源于未滿殼層中未配對(duì)電子的自旋磁矩。但是，鐵磁性物質(zhì)中電子自旋由于交換作用形成磁有序，任何一塊鐵磁體內(nèi)部都形成許多磁矩取向一致的微小自發(fā)磁化區(qū)(約個(gè)原子)稱為“磁疇”，平時(shí)“磁疇”的排列方向是混亂的，所以在未磁化前對(duì)外不顯磁性，在足夠強(qiáng)的外磁場(chǎng)作用下，即可達(dá)到飽和磁化，引用磁化強(qiáng)度矢量M，它表征鐵磁物質(zhì)中全體電子自旋磁矩的集體行為，簡(jiǎn)稱為系統(tǒng)磁矩M。處于穩(wěn)恒磁場(chǎng)B和微波磁場(chǎng)H中的鐵磁物質(zhì)，它的微波磁感應(yīng)強(qiáng)度H可表示為b=p日H七.稱為張量磁導(dǎo)率，H0為真空中的磁導(dǎo)率。" r-.。]=]jK目 0＞，(2)⑶lJ[0 (2)⑶日、K稱為張量磁導(dǎo)率的元素。日如川〃K=K'-jK"日、K的實(shí)部和虛部隨B的變化曲線如圖1(a、b)

圖1a實(shí)部變化曲線 b虛部變化曲線/、K'在B廣％；處的數(shù)值和符號(hào)都劇烈變化稱為色散N〃、K〃在%；處達(dá)到極大值稱為共振吸收，此現(xiàn)象即為鐵磁共振。這里①°為微波磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率，；為鐵磁物質(zhì)的旋磁比。(4)上式中：uB=%2m=9.2741x10-24J(4)上式中：uB=%2m=9.2741x10-24J-T-1，稱為玻爾磁子，h=6.6262x10-34J-s，是普朗克e常數(shù)。U定義為鐵磁物質(zhì)能的損耗，微波鐵磁材料在頻率為f°的微波磁場(chǎng)中，當(dāng)改變鐵磁材料樣品上的穩(wěn)恒磁場(chǎng)B時(shí)，在滿足B=B°=M時(shí)，此時(shí)磁損耗最大，常用共振吸收線寬△B來(lái)描術(shù)鐵磁物質(zhì)的磁損耗大小。小B定義如圖2,它是日〃=12Um處對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)間隔（B2-B1），即半高度寬度，它是磁性材料性能的一個(gè)重要參數(shù)。研究^B，對(duì)于研究鐵磁共振的機(jī)理和磁性材料的性能有重要意義。圖2共振吸收線寬△B定義圖與經(jīng)典理論的結(jié)果一致。鐵磁共振在原理上與核磁共振、順磁共振相似。鐵磁共振由宏觀唯象理論的解釋：鐵磁性物質(zhì)總磁矩M在穩(wěn)恒磁場(chǎng)B作用下，繞B作進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角頻率為％=；B，由于內(nèi)部存在阻尼作用，M進(jìn)動(dòng)角會(huì)逐漸減小，逐漸趨于平衡方向，即B的方向而被磁化。當(dāng)進(jìn)動(dòng)頻率等于外加微波磁場(chǎng)H的角頻率①°時(shí)，M吸收微波磁場(chǎng)能量，用以克服阻尼并維持進(jìn)動(dòng)，此時(shí)即發(fā)生鐵磁共振。多晶體樣品發(fā)生鐵磁共振時(shí)，共振磁場(chǎng)B；與微波角頻率％；滿足下列關(guān)系（適用于無(wú)限大介質(zhì)

或球型樣品）:%=yBq （5）從量子力學(xué)觀點(diǎn)看來(lái)，當(dāng)電磁場(chǎng)的量子力①剛好等于系統(tǒng)M的兩個(gè)相鄰塞曼能級(jí)間的能量差時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，選擇定則為Am=-1的能級(jí)躍遷。這個(gè)條件是枷=|函=棲b0,與經(jīng)典理論的結(jié)果一致。鐵磁物質(zhì)在B=%二處呈現(xiàn)共振吸收，只適合于球狀樣品和磁晶各向異性較小的樣品。對(duì)于y/非球狀樣品，由于鐵磁物質(zhì)在穩(wěn)恒磁場(chǎng)B和微波磁場(chǎng)H作用下而磁化，相應(yīng)的會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生所謂退磁場(chǎng)，而使共振點(diǎn)發(fā)生位移，只有球狀樣品，退磁場(chǎng)對(duì)共振點(diǎn)沒(méi)有影響。另外，鐵磁物質(zhì)在磁場(chǎng)中被磁化的難易程度隨方向而異，這種現(xiàn)象稱為磁晶各向異性，它等效于一個(gè)內(nèi)部磁場(chǎng)，也會(huì)使共振點(diǎn)發(fā)生位移，對(duì)于單晶樣品，實(shí)驗(yàn)時(shí)，要先作晶軸定向，使易磁化方向轉(zhuǎn)向穩(wěn)恒磁場(chǎng)方向。對(duì)于多晶樣品，由于磁晶各向異性比較小，對(duì)共振點(diǎn)影響很小。用傳輸式諧振腔測(cè)量鐵磁共振線寬在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，磁性材料的磁導(dǎo)率R只是一個(gè)實(shí)數(shù)，而在交變磁場(chǎng)（如微波場(chǎng)）中，由于阻尼作用，材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間出現(xiàn)位相差，B的變化滯后于H。因此，材料的磁導(dǎo)率為復(fù)數(shù)：日=P'-jW'。其中實(shí)部分量/相當(dāng)于穩(wěn)恒磁磁場(chǎng)時(shí)的磁導(dǎo)率，它表示材料貯存的磁能;虛部分量W'代表交變磁場(chǎng)時(shí)材料的磁能損耗。測(cè)量鐵氧體的微波性質(zhì)，如鐵磁共振線寬，一般采用諧振腔法。根據(jù)諧振腔的微擾理論，假設(shè)在腔內(nèi)放置一個(gè)很小的樣品，除樣品所在地外，整個(gè)腔內(nèi)的電磁場(chǎng)分布保持不變。即把樣品看成一個(gè)微擾。把樣品放到腔內(nèi)微波磁場(chǎng)最大處，將會(huì)引起諧振腔的諧振頻率么和品質(zhì)因數(shù)ql的變化。（6）（7）（6）（7）=—A("-1)foA(—)=4Ar〃Q其中f0、f分別為無(wú)樣品和有樣品時(shí)腔的諧振頻率。/、四〃為磁導(dǎo)率張量對(duì)角元的實(shí)部和虛部。A為與腔的振蕩模式和體積及樣品的體積有關(guān)的常數(shù)。可以證明，在保證諧振腔輸入功率P（f）不變和微擾條件下，輸出功率P（f）與Q2成in0 out0 L正比。要測(cè)量鐵磁共振線寬AB就要測(cè)量W'。由式（7）可知，測(cè)量R〃即是測(cè)量腔的Ql值的變化。而ql值的變化又可以通過(guò)腔的輸出功率Pout（f）的變化來(lái)測(cè)量。因此，現(xiàn)在測(cè)量鐵磁共振曲線就是測(cè)量輸出功率P與恒定磁場(chǎng)B的關(guān)系曲線。如圖3所示。

圖3輸出功率P與恒定磁場(chǎng)B的關(guān)系曲線對(duì)于傳輸式諧振腔，在諧振腔始終調(diào)諧時(shí)，當(dāng)輸入功率P(①)不變的情況下，有(8)p(?)=5.Q2

out0Q?QL(8)即P(%)xQl2即P(%)xQl2。式中Q1、而Ql的變化可以通過(guò)腔的輸出功率Putt(30)的變化來(lái)測(cè)量，這就是測(cè)量△B的基本思想。實(shí)際測(cè)量時(shí)要滿足以下條件：樣品小球放到腔內(nèi)微波磁場(chǎng)最大處。小球要足夠小，即把小球看成一個(gè)微擾。諧振腔始終保持在諧振狀態(tài)。微波輸入功率保持恒定。在這樣的條件下，把磁場(chǎng)B由零開(kāi)始逐漸增大，對(duì)應(yīng)每一個(gè)B測(cè)出一個(gè)P。就能得到圖3所示的輸出功率P與恒定磁場(chǎng)B的關(guān)系曲線。在圖3中，P為遠(yuǎn)離共振區(qū)時(shí)的諧振腔輸出功率，P共振區(qū)時(shí)的輸出功率，P半共振點(diǎn)的輸出功率。12必須注意是，當(dāng)B改變時(shí)，磁導(dǎo)率的變化會(huì)引起諧振腔諧振頻率的變化(頻散效應(yīng))，故實(shí)驗(yàn)時(shí)，每改變一次B都要調(diào)節(jié)諧振腔(或微波發(fā)生器頻率)使它與輸入微波磁場(chǎng)頻率調(diào)諧，以滿足式(8)關(guān)系，這種測(cè)量稱逐點(diǎn)調(diào)諧，可以獲得真實(shí)的共振吸收曲線如，此時(shí)，對(duì)應(yīng)于B1、B2的輸出功率為 1 2TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"P=( 4P )\o"CurrentDocument"1P/P+1力 ，、2、0r， (9)式中P、P和P分別是遠(yuǎn)離共振點(diǎn)、共振點(diǎn)和共振幅度一半處對(duì)應(yīng)的輸出功率。因此根據(jù)測(cè)0r12得曲線，計(jì)算出P，即能確定出△B。12為了簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，往往采用非逐點(diǎn)調(diào)諧，即在遠(yuǎn)離共振區(qū)時(shí)，先調(diào)節(jié)諧振腔使與入射微波磁場(chǎng)頻率調(diào)諧，測(cè)量過(guò)程中同不再調(diào)諧，則計(jì)算P的關(guān)系式為12

P12此式是考慮了頻散影響修正后計(jì)算P的公式。%實(shí)驗(yàn)時(shí)，直接測(cè)量的不是功率，而是檢波電流I，P12此式是考慮了頻散影響修正后計(jì)算P的公式。%實(shí)驗(yàn)時(shí)，直接測(cè)量的不是功率，而是檢波電流I，2PP

p￥P(10)因此，必須控制輸入功率的大小，使在測(cè)量范圍內(nèi)，微波檢波二極管遵從平方律關(guān)系，則【與入射到檢波器的微波功率（即PJI=*, 四寸 10+'「成正比，則(11)因此，只要測(cè)出I—B曲線，即算得^B和［。另外，由鐵磁共振條件，根據(jù)外加磁場(chǎng)B和微波頻率oY Y，可求得g因子?！緦?shí)驗(yàn)裝置】本實(shí)驗(yàn)是采用掃場(chǎng)法（或稱“調(diào)場(chǎng)法”）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。即保持微波頻率不變，連續(xù)改變外磁場(chǎng)，當(dāng)外磁場(chǎng)與微波頻率之間符合一定關(guān)系時(shí)，可發(fā)生射頻磁場(chǎng)能量被吸收的鐵磁共振現(xiàn)象。圖4為微波鐵磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)的照片。圖4為微波鐵磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)的照片本實(shí)驗(yàn)采用DH800A型微波鐵磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其系統(tǒng)的工作框圖如圖5所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在三厘米微波頻段做鐵磁共振實(shí)驗(yàn)。信號(hào)源輸出的微波信號(hào)經(jīng)隔離器、衰減器、波長(zhǎng)表等元件進(jìn)入諧振腔。諧振腔由兩端帶耦合片的一段矩形直波導(dǎo)構(gòu)成。當(dāng)被測(cè)鐵氧體樣品放入諧振腔內(nèi)微波磁場(chǎng)最大處時(shí)，將會(huì)引起諧振腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)變化。當(dāng)改變外磁場(chǎng)進(jìn)入鐵磁共振區(qū)域時(shí)，由于樣品的鐵磁共振損耗，使輸出功率降低，從而可測(cè)出諧振腔輸出功率P與外加恒磁場(chǎng)B的關(guān)系曲線。圖5鐵磁共振系統(tǒng)工作框圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)步驟】調(diào)整系統(tǒng)到諧振狀態(tài)并測(cè)量諧振頻率在調(diào)整系統(tǒng)之前請(qǐng)仔細(xì)閱讀DH800A型微波鐵磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)說(shuō)明書。首先在諧振腔內(nèi)不放置樣品時(shí)進(jìn)彳丁調(diào)整。按圖5連接測(cè)試系統(tǒng)，將可變衰減器的衰減量置到最大，磁共振實(shí)驗(yàn)儀的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)鈕反時(shí)針旋到底(即不加磁場(chǎng)電流)。三厘米固態(tài)信號(hào)源“電表顯示”置“電壓”，“工作狀態(tài)”置“等幅”，打開(kāi)微波信號(hào)源及磁共振實(shí)驗(yàn)儀的電源，預(yù)熱20分鐘。調(diào)節(jié)微波系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)：根據(jù)諧振腔上標(biāo)明的頻率和“頻率一測(cè)微器刻度對(duì)照表”上的數(shù)值，仔細(xì)調(diào)整頻率測(cè)微器(垂直方向的測(cè)微器)，當(dāng)微安表指示電流(檢波電流)出現(xiàn)一個(gè)極大值時(shí)，則微波頻率達(dá)到諧振腔的諧振頻率。再仔細(xì)調(diào)整檢波器活塞使檢波電流最大。如檢波電流過(guò)低或超出量程，調(diào)節(jié)衰減器使檢波電流最大值在量程的2/3左右。此時(shí)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)。調(diào)節(jié)微波頻率：將檢波器輸出接到微安表。將磁共振實(shí)驗(yàn)儀按鍵開(kāi)關(guān)按在的“檢波”位置，調(diào)節(jié)可變衰減器的衰減量，使電表有適當(dāng)?shù)闹甘?，用波長(zhǎng)表測(cè)試此時(shí)的微波信號(hào)頻率。(方法是：旋轉(zhuǎn)波長(zhǎng)表的測(cè)微頭，找到電表跌落點(diǎn)，讀出測(cè)微頭讀數(shù)，查波長(zhǎng)表頻率刻度表即可確定振蕩頻率)當(dāng)信號(hào)頻率與樣品諧振腔上所標(biāo)諧振頻率不一致時(shí)，則應(yīng)調(diào)節(jié)微波信號(hào)源的信號(hào)振蕩頻率。使之與樣品諧振腔上所標(biāo)諧振頻率相同。測(cè)定完頻率后，須將波長(zhǎng)表刻度旋開(kāi)諧振點(diǎn)，避免波長(zhǎng)表的吸收對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾。仔細(xì)調(diào)整波長(zhǎng)表測(cè)微器，找到檢波電流的極小點(diǎn)，讀出測(cè)微器的值，查3cm空腔波長(zhǎng)頻率對(duì)照表”，得到微波頻率，此頻率應(yīng)與樣品諧振腔上標(biāo)明的頻率非常接近。如這兩個(gè)頻率相差較大，要重復(fù)步驟(3)，調(diào)整頻率測(cè)微器尋找其它諧振點(diǎn)，再測(cè)量諧振頻率。示波器直接用觀察鐵磁共振現(xiàn)象測(cè)量g和Y將白色外殼的單晶樣品裝到諧振腔內(nèi)，將掃場(chǎng)接線與電磁鐵掃場(chǎng)接線柱相連，將“掃場(chǎng)”選鈕旋到正時(shí)針最大。將磁共振實(shí)驗(yàn)儀的X軸與Y軸輸出接到示波器的X、Y軸上，磁共振實(shí)驗(yàn)儀按鍵按在“掃場(chǎng)”位置，示波器選到X—YX作方式。調(diào)節(jié)示波器X軸輸入靈敏度，使熒光屏的X軸的掃描有適當(dāng)顯示，Y軸輸入放置適當(dāng)位置。調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流在1.7A左右時(shí)，在示波器上即可觀察到鐵磁共振信號(hào)，如圖6。若波形幅度太大，可改變Y軸輸入的靈敏度。如兩個(gè)共振信號(hào)幅度相差較大，可移動(dòng)樣品諧振腔在磁場(chǎng)中的位置，同時(shí)觀察磁共振諧振信號(hào)的變化，使之滿意為止。如兩個(gè)共振信號(hào)出現(xiàn)圖6圖形，應(yīng)微調(diào)微波信號(hào)源的頻率，使諧振圖形的上翹部分下壓，調(diào)節(jié)“相位”旋鈕，可使兩個(gè)共振信號(hào)移動(dòng)到合適的位置，使之滿意為止。圖6示波器直接用觀察鐵磁共振現(xiàn)象測(cè)量鐵磁共振線寬△B、g和丫采用逐點(diǎn)測(cè)量法，繪制出鐵磁共振曲線，即可求出共振磁場(chǎng)和共振線寬。去掉掃場(chǎng)接線(或?qū)邎?chǎng)調(diào)至為零)。磁共振實(shí)驗(yàn)儀的按鍵按到“檢波”位置，緩緩順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)磁共振實(shí)驗(yàn)儀的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)鈕，加大磁場(chǎng)電流，當(dāng)電表指示最小的時(shí)，即鐵磁共振吸收點(diǎn)。傳輸式諧振腔的輸出功率可以用晶體檢波器作相對(duì)指示，這是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)微波信號(hào)源功率較小，晶體檢波器的檢波律符合平方律，即檢波電流與輸入功率成正比，故檢波指示可作為鐵磁共振曲線的縱坐標(biāo)。磁共振實(shí)驗(yàn)儀的磁場(chǎng)旋鈕是調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)大小的，它通過(guò)改變磁場(chǎng)線圈中的電流來(lái)達(dá)到這個(gè)要求。而這個(gè)電流的大小與磁場(chǎng)成正比，所以，鐵磁共振曲線的橫坐標(biāo)可以用磁共振實(shí)驗(yàn)儀的電流指示來(lái)代表磁場(chǎng)的大小。從電流1.2A起，逐點(diǎn)記錄磁共振實(shí)驗(yàn)儀的磁場(chǎng)電流表讀數(shù)與檢波指示的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在坐標(biāo)紙上描繪出連續(xù)的曲線，即可得到鐵磁共振曲線。按圖3所示的樣子，從求得數(shù)據(jù)所畫的曲線上找出共振磁場(chǎng)B和線寬△B，并計(jì)算出g和y。Y測(cè)量多晶樣品的共振線寬AB、g和y將樣品換成多晶樣品(半透明外殼)，測(cè)量上述各項(xiàng)參數(shù)共振線寬AB、g和y。將測(cè)量結(jié)果與單晶樣品的相比較。注意多晶樣品的共振吸收峰很寬。有載品質(zhì)因數(shù)Ql的測(cè)量(選作)系統(tǒng)調(diào)到諧振狀態(tài)后，才可以測(cè)量有載品質(zhì)因數(shù)。先測(cè)量單晶樣品(白色外殼)將單晶樣品安裝到樣品諧振腔內(nèi)。將檢波器輸出接到100UA電流表。調(diào)整調(diào)節(jié)衰減器使檢波電流為80UA(可在60?90UA之間任選)，此值為諧振時(shí)的檢波電流。仔細(xì)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)表，找到檢波電流大幅度下降點(diǎn)，記錄波長(zhǎng)表讀數(shù)，用3cm空腔頻率刻度對(duì)照表”讀取對(duì)應(yīng)的微波頻率值九。測(cè)量后將波長(zhǎng)表調(diào)到遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)的位置。仔細(xì)調(diào)整微波頻率分別找出兩個(gè)半功率點(diǎn)fi和匕。注意，微波功率P與檢波電流I的關(guān)系：P=KI2，K為一個(gè)常數(shù)。(4)由式Q=頊七可計(jì)算有載品質(zhì)因數(shù)Q。Lf-f L2 1【注意事項(xiàng)】檢波器輸出兩線不得短路，否則將損壞檢波晶體。要調(diào)整摔減器使微波功率摔減接近0時(shí)再到接微安表或檢波輸入。衰減器盡量調(diào)到衰減較大的位置，輸出功率夠用即可。磁場(chǎng)和掃場(chǎng)不要長(zhǎng)時(shí)間使用較大電流。測(cè)量后磁場(chǎng)要調(diào)到0.8A以下，掃場(chǎng)調(diào)到零。調(diào)整磁場(chǎng)和掃場(chǎng)應(yīng)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)選鈕。更換樣品要小心，防止樣品損壞、丟失。【思考題】討論樣品可放到諧振腔的哪些位置？計(jì)算本實(shí)驗(yàn)所用的矩形諧振腔的長(zhǎng)度。a=22.86mm，b=10.16mm，振蕩模式：TE108,f0采用實(shí)測(cè)值。【參考文獻(xiàn)】電流I與磁場(chǎng)B的關(guān)系表I(A)B(mT)I(A)B(mT)I(A)B(mT)1.2002071.6602852.1203601.2202101.6802892.1403621.2402131.7002922.1603661.2602161.7202962.1803701.2802191.7403002.200374

1.3002221.7603042.2203781.3202251.7803082.2403811.3402281.8003102.2603841.3602321.8203132.2803871.3802351.8403172.3003901.4002391.8603202.3201.4202421.8803232.3401.4402451.9003262.3601.4602491.9203292.3801.4802521.9403322.4001.5002551.9603362.4201.5202581.9803402.4401.5402612.0003432.4601.5602652.0203462.4801.5802702.0403462.5001.6002752.0603522.5201.6202792.0803541.6402822.100358微波諧振腔的基本知識(shí)：1.微波諧振腔在微波技術(shù)中諧振腔是一個(gè)非常重要的部分。所謂微波諧振腔就是一個(gè)封閉的金屬導(dǎo)體空腔，一般為矩形或圓柱形。腔壁反射電磁波輻射，使電磁波局限在空腔內(nèi)部。諧振腔的入射端開(kāi)一小孔，使電磁波進(jìn)入諧振腔。電磁波在腔內(nèi)連續(xù)反射。若波形和頻率與諧振腔匹配，可形成駐波，也即發(fā)生諧振現(xiàn)象。如諧振腔無(wú)損耗，則腔內(nèi)振蕩便可持續(xù)下去。（1）矩形波導(dǎo)管矩形截面的空心導(dǎo)體管構(gòu)成矩形波導(dǎo)，它是傳播微波最常用的傳輸線。矩形諧振腔實(shí)際上是一段封閉的矩形波導(dǎo)，即在波導(dǎo)入射端和出射端加裝了反射電磁波的金屬片。理論分析表明：在波導(dǎo)管中不存在電場(chǎng)縱向分量和磁場(chǎng)縱向分量同時(shí)為零的電磁波。在波導(dǎo)管中傳播的電磁波可以分為兩大類：（1）橫電波又稱為磁波。簡(jiǎn)寫為TE波或H波；磁場(chǎng)可以有縱向和橫向分量，但電場(chǎng)只有橫向分量。矩形波導(dǎo)管傳播的基本波形是TE10波。（2）橫磁波又稱為電波，簡(jiǎn)寫為TM波或E波；電

場(chǎng)可以有縱向和橫向分量，但磁場(chǎng)只有橫向分量。至于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的縱向分量都不為零的電磁波，則可以看成橫電波和橫磁波迭加而成。在實(shí)際應(yīng)用中，總是把波導(dǎo)管設(shè)計(jì)成只能傳播單一波形。我們使用的矩形波導(dǎo)管只能傳播TE10波。(2)TE10波在波導(dǎo)管截面為aXb(a>b)的矩形波導(dǎo)管的一端輸入角頻率為3的電磁波，使它沿著z軸傳播。忽略傳輸中的損耗，由麥克斯維方程組和邊界條件，可以得到矩形波導(dǎo)管中TE10波的電磁場(chǎng)分量。TE10波有以下特點(diǎn)：電力線：只有并行于b面(窄邊)的電力線Ey存在。磁力線：環(huán)繞電力線，始終與a面平行，無(wú)y分量。電場(chǎng)在y方向均勻分布，沿y方向無(wú)變化。在z方向(傳播方向)，任意給定時(shí)刻場(chǎng)呈現(xiàn)周期性變化?！氪虬ｋ娏χ?力任*朝著我們”—碾打埃電力株?力任*朝著我們”―侍播方沏圖(1)矩形波導(dǎo)和TE10波的電磁場(chǎng)分布矩形諧振腔如果波導(dǎo)終端負(fù)載始終是匹配的，所有的能量全部被吸收，這時(shí)波導(dǎo)中呈現(xiàn)的是行波。如果波導(dǎo)終端是短路的，波導(dǎo)發(fā)生完全反射。入射波和反射波迭加形成駐波。這時(shí)波的能量不能傳播。在一般情況下，波將發(fā)生部分反射，形成混合波。諧振腔中駐波的成分遠(yuǎn)大于行波。實(shí)驗(yàn)用的樣品應(yīng)裝在諧振腔磁場(chǎng)分量最大的位置。截面為aXb(a>b)，長(zhǎng)為l的一段波導(dǎo)管，兩端用金屬片封閉，為了微波的進(jìn)入和少量泄露(以便檢測(cè))，這兩片金屬片或其中的一片開(kāi)有小孔(偶合孔)。改變腔長(zhǎng)或調(diào)節(jié)微波的頻率，腔內(nèi)會(huì)發(fā)生諧振，形成駐波。傳輸式諧振腔兩端都有偶合孔，一端進(jìn)入電磁波，另一端泄露少量電磁波，以便檢測(cè)。矩形諧振腔發(fā)生諧振產(chǎn)生駐波的條件為：力l力l=p—g (p=1,2,3...)(1-1)其中l(wèi)是諧振腔的長(zhǎng)度。Ag是波導(dǎo)波長(zhǎng):(1-2)入

y'1-(X2a)2(1-2)入是微波在自由空間的波長(zhǎng)。式(1)說(shuō)明，矩形諧振腔產(chǎn)生駐波的條件是腔長(zhǎng)為半波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍。振蕩模式一一諧振時(shí)電磁場(chǎng)的分布形式，如下E=E=0H=