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1、微波基本參量測量摘要微波技術(shù)是一門獨特的現(xiàn)代科學技術(shù),在通過對微波測試系統(tǒng)的基本組成和工作原理的觀察和研究后,了解了微波在波導中的傳播特點,掌握頻率、功率以及駐波比等基本量的測量,同時掌握微波的基本知識;學習用微波作為觀測手段來研究物理現(xiàn)象。關(guān)鍵詞微波頻率駐波比功率引言微波技術(shù)是近代發(fā)展起來的一門尖端科學技術(shù),它不僅在通訊、原子能技術(shù)、空間技術(shù)、量子電子學以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面有著廣泛的應(yīng)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(shè)備都與無線電波的不同。微波的波長決定了它的性質(zhì)既不同與無線電波,也不同與光波。實驗原理一、電
2、磁波的基本關(guān)系描寫電磁場的基本方程是:,,⑴和,,。⑵方程組⑴稱為麥克斯韋方程組,方程組⑵描述了介質(zhì)的性質(zhì)對場的影響。對于空氣和導體的界面,由上述關(guān)系可以得到邊界條件(左側(cè)均為空氣中場量),,⑶,。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(yīng)平行于導體表面。二、矩形波導中波的傳播根據(jù)電磁場的普遍規(guī)律——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
3、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(yīng)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。1.TE10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),可以解得沿z方向傳播的TE10型波的各個場分量為,⑷其中,位相常數(shù)β=2π/λg;λg為波導波長,其中λ=c/fTE10波具有如下特點:①存在一個臨界波長=2α,只有波長λ<λC的電磁波才能在波導管中傳播②波導波長λg>自由空間波長λ。③電場只存在橫向分量,電力線從一個導體壁出發(fā),
4、終止在另一個導體壁上,并且始終平行于波導的窄邊。④磁場既有橫向分量,也有縱向分量,磁力線環(huán)繞電力線。⑤電磁場在波導的縱方向(z)上形成行波。在z方向上,和的分布規(guī)律相同,也就是說最大處也最大,為零處也為零,場的這種結(jié)構(gòu)是行波的特點。微波技術(shù)中,還經(jīng)常使用駐波比來描述傳輸線阻抗匹配的情況。波導中駐波比被定義為:波導中駐波電場最大值和電場最小值之比,即 實驗儀器衰減器、匹配負載、隔離器、環(huán)行器、選頻放大器、駐波測量線實驗內(nèi)容1.微波的傳輸特性在微波波段中,為了避免導線輻射損耗和趨膚效應(yīng)等的影響,一般采用波導作為微波傳輸線。微波
5、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。微波實驗中使用的標準矩形波導管,通常采用的傳輸波型是TE10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或反射系數(shù)。依據(jù)終端負載的不同,波導管具有三種工作狀態(tài): (1)當終端接"匹配負載"時,反射波不存在,波導中呈行波狀態(tài); (2)當終端接"短路片"、開路或接純電抗性負載時,終端全反射,波導中呈純駐波狀態(tài); (3)一般情況下,終端是部分反射,波導中傳輸?shù)募炔皇切胁?,也不是純駐波,而是呈混波狀態(tài)。2.微波頻率的測量微波的頻
6、率是表征微波信號的一個重要物理量,頻率的測量通常采用數(shù)字式頻率計或吸收式頻率計進行測量。下面主要介紹較常用的吸收式頻率計的工作原理:當調(diào)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或功率計可觀察到信號幅度明顯減小的現(xiàn)象(注意,應(yīng)以減幅最大的位置作為判斷頻率測量值的依據(jù))。調(diào)整L,找到諧振頻率,記下此時L,查波長校正表,可知頻率f(由l=c/f,可求波長)。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。也就是將微波功率借助于能量轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)
7、換成易于測量的低頻或直流物理量,來實現(xiàn)微波功率的測量。實驗室中通常采用吸收式微瓦功率計(如GX2A):傳輸線路終端接入探頭和功率計,并選擇合適的量程,功率計調(diào)零后把波導開關(guān)旋至檢波器上,讀出功率讀數(shù)。4.波導波長和駐波比的測量(1)駐波比的測量關(guān)于駐波比,定義為波導中駐波極大值點與駐波極小值點的電場之比。a)????大駐波比(r>6)的測量.在大駐波比情況下,檢波電流Imax與Imin相差太大,在波節(jié)點上檢波電流極微,在波腹點上二極管檢波特性遠離平方律,故不能用(8.1.2)式計算駐波比r,可采用“二倍極小功率法”.利用駐波測量線測量極
8、小點兩旁功率為其二倍的點坐標,進而求出d,則(r>>1)b)????中駐波比(1.5£r£6)的測量.中駐波比的情況可直接計算,.c)???小駐波比(1.005£r£1.5)的測量.在小駐波比情況下,駐波極