微波基本参数的测量实验报告.docVIP

微波基本参数的测量 【目的要求】 学习微波的基本知识，了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用； 了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术； 掌握驻波测量线的正确使用方法； 掌握电压驻波系数的测量原理和方法。 【仪器用具】 微波参数测试系统，包括：三厘米固态信号源三厘米测量线选频放大器精密衰减器 图1 电磁波的分类 1．波长短(1m —1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成 方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而 确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。 2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9一10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻、电容、电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。 3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。 4．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。 5．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。 综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。微波实验是近代物理实验的重要组成部分。 在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的导线不能完全传输微波能量，而必须改用微波传输线。常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线，本实验用的是矩形波导管，波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线。 根据电磁场的普遍规律——Maxwell方程组以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有两大类波能够在矩形波导中传播：①横电波（又称为磁波），简写为TE波（或H波），磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。②横磁波（又称为电波），简写为TM波（或E波），电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。在实际应用中，一般让波导中存在一种波型，而且只传输一种波型，本实验采用TE10波，是矩形波导中常用的一种波型。 TE10型波： 在一个均匀、无限长和无耗的矩形波导中，沿z方向传播的TE10型波的各个场分量为 ， ， ， ，， 其中：为电磁波的角频率，，是微波频率； : 波导截面宽边的长度； ：微波沿传输方向的相位常数； ：波导波长（在波导管里面，某些特定波长的电磁波与波导谐振，其中最长的一个波长被称为波导的特征波长 ：微波在自由空间波长。 以上表明，TE10波具有如下特点： ① 存在一个临界波长，（矩形波导中传播的TE波和TM波，都有一定的“临界波长”。的电磁波才能在波导管中传播 ② ，即波导波长λg 大于自由空间波长λ，（TE波和TM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群速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。图电磁波在波导中的传播和的分布规律相同，也就是说最大处也最大，为零处也为零，场的这种结构是行波的特点。 图 2 TE10波的电磁场结构（a）,（b）,(c) 及波导壁电流分布(d) 波导管的工作状态： （1）如果波导终端负载是匹配的（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。如用表示传输线的特性阻抗，用表示负载阻抗＝）入射波全部被负载吸收而无反射无损当终端短路（微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即：）时，入射波被负载全部反射。“纯驻波”0，而＝0，见图3（C）。 （3）当波导终端不匹配时（任意负载下“行驻波”0，并且0，见图3（b）。 为描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数定义为 。 驻波比定义为：，用驻波比来描述传