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第五单元微波技术2
第五单元微波技术
实验5-1微波基本参量测量
一、引言
微波通常是指波长从1米(300MHZ)到1毫米(300GHZ)范围内的电磁波,其低频端与超短波波段相衔接,高频端与远红外相邻,由于它比一般无线电波的波长要短的多,故把这一波段的无线电波称为微波,可划分为分米波,厘米波和毫米波。
微波有一些基本特性:
1.微波的波长极短,比地球上一些物体的几何尺寸小得多,因此当微波照射到这些物体上时,产生显著的反射,其传播特性与几何光学相似,具有“似光性”直线传播的特点。
因此能制成体积小方向性极高的天线系统。
能接收由地面或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。
广泛应用于警戒、瞄准、导航、气象、雷达等。
2.微波的频率极高,即振荡周期极短(10-9~10-12秒),与电子管中电子在电极间的飞越时间在同一数量级。
因此,普通的电子管不能用作微波器件(微波振荡器、放大器、检波器等),而必须采用原理完全不同的微波电子管(如速调管、磁控管、行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。
另外,一般无线电元件如导线,电阻,电容,电感等元件在微波的传输,测量过程中都不再适用,也必须用原理完全不同的微波元件(如波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。
3.微波可以毫无阻碍地穿过电离层,具有穿透性,对于人类来说,它是天线电波谱中的一个“宇宙窗户”,加上微波可用频带很宽,信息容量大,因此微波技术被广泛的应用于卫星通讯、遥感技术、宇航、射电天文学等尖端领域。
4.在微波波段,电磁波每个量子的能量范围为10-6~10-3eV。
许多原子和分子发射和吸收原子电磁波波长正好处于微波波段内。
人们正是利用这一特性研究原子和分子的结构,发展了微波波谱学、量子电子学,并研制了量子放大器,分子钟和原子钟。
5.研究方法和测量技术上,微波电路与低频电路中采用“路”的概念和方法有很大的不同。
在低频情况下,由于传波能量的电磁场与线路中电荷和电流的关系比较简单,因而场在线路中的作用往往用通过线路的一些参数(电压、电流、电阻、电容和电感等)表示出来,在这种情况下,我们可以用电路方程解决实际问题,而不必直接研究场的分布,在高频情况下,场的波动性显著,集中的电容电感等概念已不能适用,而且整个线路上的电流不再是一个与位置无关的量,而是和电磁场相应地具有波动性质。
此外,电压的概念亦失去确切的意义,因此,在高频情况下,电路方程逐渐失效,我们必须直接研究场和线路上的电荷电流的相互作用,要从集中参数元件转变为分布参数元件,要从“电路”转到“电磁场”的概念去研究和分析,从测量电压、电流、电阻转变为测量功率、驻波比、频率和特性阻抗等。
近年来,微波边缘学科,如微波超导、微波化学、微波生物学、微波医学都得到了长足的发展。
因此,微波技术是一门独特的现代科学技术,我们应掌握它的基本知识和实验方法。
二、相关理论基础
1.微波传输线——波导管
引导微波电磁能量沿一定方向传播的微波传输系统,一般有同轴线、波导管、带状线和微带线等。
波导管的功率容量大、损耗小,特别适用于大功率微波系统,常见有矩形波导和圆波导两种,本实验室用矩形波导管,其形状如图一所示,矩形截面宽边记为a,窄边记为b,分别对应坐标轴x和y,微波沿z轴方向传播。
a
b
图一
微波传输线中某种确定的电磁场分布称为“波型”,根据麦克斯韦方程组和电磁波在波导管壁的边界条件可以解得波导管中电磁场的结构。
麦克斯韦方程组的微分形式为:
(1)
介质的性质对场的影响可表示为:
(2)
对于导体和空气的界面,由方程组可以得到边界条件
(3)
由(3)表明,在导体附近电场必须垂直导体表面,而磁场则应与导体表面平行。
可以证明,矩形波导中只能传播两大类的电磁波:
一类是电场只有横向分量,但磁场可以有纵向分量和横向分量,称为横电波或磁波,简写为TE波或H波,另一类是磁场只有横向分量而电场可以有纵向分量和横向分量,称为横磁波或电波,简写为TM或E波。
电场和磁场纵向分量均不为零的波可视为TE波或TM波的叠加。
实际应用中,都将波导管设计成只能传输单一波型,这里我们具体介绍矩形波导管中波的电磁场结构:
设宽边为a,窄边为b的无限长波导管,电磁波以圆频率ω自波导开口端沿z方向传播,在忽略损耗,且管内充以均匀介质(空气)下,波导管内电磁场各分量可由上述
(1),
(2),(3)方程解得:
(4)
其中:
位相常数
波导波长
自由空间波长
方程组(4)中各分量图解如图二所示:
图二
由此,我们可以看到波有如下特点:
a.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
b.电磁场沿y方向是均匀的,而在x方向形成驻立波
通常以脚标m、n分别表示在波导宽边和窄边的驻立半波的个数,中脚标“1”的含义就是在宽边上有一个驻立半波,而“0”表示波导窄边电场均匀。
c.电磁场在波导的纵向Z上形成行波。
沿Z方向和分布规律相同,即最大处亦最大,=0处=0,场的这种结构是行波的特点,两者相差为。
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