物理实验教程近代物理实验-第二章.doc

第二章 微波测量技术实验 微波microwave）是一种波长较短的电磁波，频率范围约为300 MHz300GHz，对应波长范围约为1m1mm。微波波段还可细分为分米波（波长为1m至10cm），厘米波（波长10cm至1cm）和毫米波（波长为1cm至1mm）。波长在1毫米以下至红外线之间的电磁波称为亚毫米波或超微波，这是一个正在开发的波段。 微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，不仅在雷达、通讯、导航、电子对抗、空间技术、工农业生产的各个方面有着广泛的应用，而且在高能粒子加速器、受控热核反应、射电天文气象观测、分子生物学、等离子体、遥感技术等当代尖端科学研究中也是一种重要手段。microwave measurement technique）作为微波技术的实验部分，在科学研究和工程实际中具有重要作用。例如微波加速器可研究原子和分子结构，微波衍射仪可用来研究晶体结构微波波谱仪可测定物质的许多基本物理量，微波谐振腔可用来测量物质的常数损耗，等等。因此，微波测量技术重要的实验技术。 微波测量技术实验的基本目的包含学微波和用微波两个方面：（1）学习微波基础知识和掌握微波基本测量技术；（2）学习用微波作为观测手段或处理方法来研究物理现象的基本原理和实验方法。通过一系列实验，了解微波microwave signal）的产生特点、工作状态及传输特性，了解微波器件microwave devices）的基本性能和使用方法掌握微波传输与测量系统的基本组成和调试技术，掌握频率、功率及驻波比等基本参量的测量技术，掌握微波传输系统的阻抗匹配技术介质材料微波测量 本章共包括个实验项目，微波测量系统调试与测量晶体检波律与驻波比测量微波天线方向图与极化特性各项目的实验内容都设计了基础性实验内容和性实验内容，后者的设计主要结合了石油或能源应用特色。 在微波波段因工作频率的升高使普通导线的趋肤效应和辐射效应增大，传输微波能量必须改用微波传输线，因此微波测量测量测量特性测量系统测量系统 【】 1 2．微波测量系统主要由哪几部分组成？各部分有什么作用？ 3．测量微波频率有哪些基本方法？各怎样？ 【实验原理】 一．波导传输特性 导行波的概念 由所引导沿一定方向传播的电磁波称为导行波。电场E磁场H是x、y、z三个方向函数的导行波z方向为传播方向即纵向，则x、y传播的导行波可横电磁波横电波横磁波三种类型波型 （1）横电磁波（TEM波ransverse electromagnetic wave，TEM wave） TEM波的电场E和磁场H均无纵向分量，即。电场E和磁场H，都是纯横向的。TEM波沿方向的分量为零，无法在波导中传播。 2）横电波（TE波ransverse electric wave，TE wave） TE波称为磁波（H波），其特征是而即电场E是纯横向的，而磁场H则具有纵向分量。 3）横磁波（TM波ransverse magnetic wave，TM wave） TM波称为电（E波），其特征是，而即磁场H是纯横向的，而电场E则具有纵向分量。 TE波和TM波均为色散波dispersive wave），TEmn波TMmn波能矩形波导中传输代表电场或磁场在x方向半周变化的次数，n代表电场或磁场在y方向半周变化的次数 2．无限长波导传输特性 为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响，采用微波传输线。引导微波传播的空心金属管称为波导管。rectangular waveguide）。电磁波在波导内有限空间的传播与在自由空间的传播不同。在波导内不能传播TEM波波导内所传播的电磁波必定存在着电磁场的传播方向分量。波导中波型的场结构是分析和研究波导中各种问题及设计波导的基础。最常只能传播TE10波即H10波（m=1，n=0）。下面以TE10波为例，具体分析这种波型的电磁场结构。 如图2-1-1所示，设矩形波导横截面为a×b，波导壁为理想导体，则由麦克斯韦方程组和边界条件可推导出矩形波导内沿z方向传播的TE10波的各场分量为 图-1-1 矩形波导示意图 （1） 式中为输入管内电磁波的角频率，，、分别为管内介质（一般为空气）的磁导率和介电常数，为相位常数，，为波导波长waveguide wavelength）。 （），称为波导截止波长为自由空间波长。（1）截止波长cut-off wavelength） 存在截止波长，只有波长的电磁波才能在矩形波导中传播。 （2）波导波长、相速和群速 波导波长，由于光速，相速度，波在波导中传播的相速度大于光速。这里的相速度只是位相变化的速度，并不是波导电磁波能量的传播速度群速度）。、和的关系为 （）（）可看出群速度小于光速。 （