《微波基本参数的测量—原理.doc

微波基本参数的测量 一、实验目的 1、了解各种微波器件； 2、了解微波工作状态及传输特性； 3、了解微波传输线场型特性； 4、熟悉驻波、衰减、波长（频率）和功率的测量； 5、学会测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。 二、实验原理 微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。要对这些参数进行测量，首先要了解电磁波在规则波导内传播的特点，各种常用元器件及仪器的结构原理和使用方法，其次是要掌握一些微波测量的基本技术。 １、导行波的概念： 由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。导行波的电场E 或磁场H 都是x、y、z 三个方向的函数。导行波可分成以下三种类型： (A) 横电磁波（TEM 波）： TEM 波的特征是：电场E 和磁场H 均无纵向分量，亦即： ,。电场E 和磁场H，都是纯横向的。TEM 波沿传输方向的分量为零。所以，这种波是无法在波导中传播的。 (B) 横电波（TE 波）： TE 波即是横电波或称为“磁波”（H波），其特征是 ,而。亦即：电场E 是纯横向的，而磁场H则具有纵向分量。 (C) 横磁波（TM 波）： TM 波即是横磁波或称为“电波”(E 波)，其特征是，而。亦即：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”。矩形波导中，既能传输波，又能传输波（其中m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、波导管： 波导管是引导微波电磁波能量沿一定方向传播的微波传输系统，有同轴线波导管和微带等，波导的功率容量大，损耗小。常见的波导管有矩形波导和圆波导，本实验用矩形波导。 矩形波导的宽边定为x 方向，内尺寸用a 表示。窄边定为y方向，内尺寸用b 表示。波以圆频率自波导管开口沿着z 方向传播。在忽略损耗，且管内充满均匀介质（空气）下，波导管内电磁场的各分量可由麦克斯韦方程组以及边界条件得到： ， ， ， 其中，位相常数，波导波长。 3、波导管中的微波参数： (1) 临界波长： 矩形波导中传播的色散波，都有一定的“临界波长”。只有当自由空间的波长小于临界波长c 时，电磁波才能在矩形波导中得到传播。波或波的临界波长公式为： 。 (2)波导波长和相速V、群速Vc： 色散波在波导中的波长用表示。波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速度称为相速V。群速Vc是表示能量沿波导纵向传播的速度，其关系为。因为，波导中电磁波是成“之”字形并以光速传播的。所以，波导波长将大于自由空间的波长。同时，相速V也大于光速C。它们之间的相互关系为： ， 图1 示出了电磁波在波导中传播的方向。 (3) 反射系数和驻波比： 波导终端接入负载后，由于负载性质的不同， 电磁波就将在终端产生不同程度的反射。如用Zc表 示传输线的特性阻抗，用ZL 表示负载阻抗。则反 射系数为： 可见，反射系数是个复数。当特性阻抗与负载阻抗相等（即接入匹配负载）时： = 0 ,入射波全部被负载吸收而无反射。当终端短路（微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即）时：=1，入射波被负载全部反射。 微波技术中，还经常使用驻波比来描述传输线阻抗匹配的情况。波导中驻波比被定义为：波导中驻波电场最大值和电场最小值之比，即: ，驻波比与反射系数之间的关系应为： 。 由此，从图2中(a)、(b)、(c)可看出电场在波导中的分布情况。 (a) 在负载匹配情况下有： = 0及= 1；波导中传播的是“行波”，其幅值为； (b) 在负载短路情况下有： = 1及；波导中传播的是“纯驻波”，其幅度值为； (c) 在其它任意负载下有：0 1及1 ；波导中传播的是“行驻波”，其幅度 (1+)。传输线的目的是要无损的传输功率，故常希望工作在负载阻抗匹配的情况下。 图2 不同负载情况下电场在波导中的分布图 (4) 反射系数和驻波比 波在无限长的波导管中沿z方向传播，构成行波，现只考虑某时刻t的传输状态，略去因子，则，。若波导不是无限长的均匀导体，则存在反射波，电场由入射波和反射波叠加而成，，和分别表示入射波和反射波的振幅，将距离L的原点取在终端负载的反射面上，则上式变为。 定义反射系数为波导中某横截面处的电场反射波与入射波之比，即： ，其中，R（0）为终端的反射系数，表示在终端反射波与入射波的相位差，。 当时，驻波电场达最大值，形成波腹，即： 当时，驻波电场大最小值，形成波节，即： 驻波比定义为波导中驻波最大值与最小值之比，即： 4、波的特点： 电场仅有分量，表明电场矢量总是垂直于波导宽边a，而表明磁场矢量在平行于波导宽边的平面内