微波系列實驗 - 復件

1、微波系列實驗微波系列實驗 實驗目的 本系列實驗是為了讓學生了解微波的概 念，了解微波的作用，掌握若干微波元 器件的原理和用法，學習若干種微波測 量方法，為從事與微波有關(guān)的工作打下 基礎(chǔ)。 本學期安排2個實驗：微波分光計微波分光計實驗 和微波測量微波測量實驗。 微波是什么微波是什么？ 微波是電磁波的一種，其波長在1mm1m 范圍，對應的頻率300MHz300GHz，比無 線電波的波長短，頻率高，但比光波的波長 要長。微波又分為分米波、厘米波和毫米波。 因其波長的特殊性，微波在產(chǎn)生、傳輸、接 收和應用等方面跟其他波段很不相同，需要 特別對待，因之成為獨立的學科。 微波的物理特點微波的物理特點 波長

2、短波長短 比一般物體的尺寸小，因此，跟 光相似，具有直線傳播的特點，能做成 方向很好的天線，可用在通信、雷達、 導航等領(lǐng)域。 量子性量子性 微波量子（h）在10-6-10-3eV， 能被很多的原子分子吸收或發(fā)射，成為 研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要手段，發(fā)展成了微 波波譜學和量子電子學。 能穿越電離層能穿越電離層 進行外太空通信（衛(wèi)星、 宇航、射電天文學等）。 作為能量作為能量 微波加熱、微波武器等。 微波的技術(shù)特點微波的技術(shù)特點 場代替了電路場代替了電路 因微波波長短，周期短， 傳統(tǒng)的電子元件(電阻、電容、電感)不能 使用，需要使用特有的微波元件(波導管、 諧振腔等)。 耳目一新的微波器件耳目一新的微波

3、器件 在微波的產(chǎn)生、放 大和檢測上，不能使用普通的電子管或晶 體管，而要使用微波電子管(速調(diào)管、磁 控管、行波管)、微波固體器件和量子器 件。 微波元件微波元件1：波導管：波導管 矩形波導管矩形波導管：金屬管道，是微波在設備 內(nèi)傳遞的通道，通常教學上使用所謂的 “3厘米”波導管，傳播TE10波。 X Z Y a b a2.286c m b1.016c m 波導管內(nèi)的電磁場分布波導管內(nèi)的電磁場分布TE10 EyE0sin x a ei tz HxE0sin x a ei tz Hz i a 2 E0cos x a ei tz x y Ey 其余分量為其余分量為0 0。E Ey y跟偏振和檢波有關(guān)

4、，振幅分布：跟偏振和檢波有關(guān)，振幅分布： 其中的參數(shù)其中的參數(shù)： 相位常數(shù) 波導波長 臨界波長 自由波長 2 g g 1 2 c 2 c 2a c f 波導管內(nèi)分布特點波導管內(nèi)分布特點 1、電場垂直于波導的寬邊(因此是線偏振因此是線偏振 的的)，磁場平行于波導的寬邊。 2、電磁場在X方向形成一個駐立半波，沿Y 方向是均勻的。 3、電磁場在Z方向形成行波。 Ey、Hx Hz 諧振腔的結(jié)構(gòu)諧振腔的結(jié)構(gòu) 封閉的金屬盒子，內(nèi)表面涂有高電導率 的材料，用于選頻、共振和能量儲存。 X Z Y a b l 微波元件微波元件2：諧振：諧振腔腔 波形特點波形特點 1、在X、Z方向都形成駐波，在Y方向 是均勻的。

5、 2、對TE10波，諧振波長： 2 p2 l2 1 a2 p =1，2，3 既可做發(fā)射天線，也可做接收天線。作 為發(fā)射天線，它輻射的微波，一是有一 定的發(fā)散；二是波面不是平面波，而是 接近球面波。 微波元件微波元件3：喇叭天線：喇叭天線 衰減器的作用是調(diào)節(jié)通過的微波的強度 或能量。它是利用了波導管內(nèi)電場分布 的特點，用吸收微波的材料，在不同的 位置吸收量的不同實現(xiàn)調(diào)節(jié)的。 微波元件微波元件4：衰減器：衰減器 波導波導 電場沿寬邊方向的分布電場沿寬邊方向的分布 吸收片吸收片 推進桿推進桿 旋鈕旋鈕 隔離器，也叫單向器，它利用了鐵氧體 吸收微波的特性，即沿某一方向吸收很 少，而反方向則吸收很多，讓

6、微波單向 傳輸。 微波元件微波元件5：隔離器：隔離器 U磁鐵磁鐵 N極極 S極極波導波導 鐵氧體鐵氧體 采用二極管平方律檢波：把二極管垂直于波導采用二極管平方律檢波：把二極管垂直于波導 的寬面放置，微波電場在二極管兩端施加周期的寬面放置，微波電場在二極管兩端施加周期 性電壓，二極管輸出半波整流信號，該信號的性電壓，二極管輸出半波整流信號，該信號的 直流分量正比于直流分量正比于微波電場幅度的平方微波電場幅度的平方，即正比，即正比 于微波功率。因此，用直流電流表的讀數(shù)表示于微波功率。因此，用直流電流表的讀數(shù)表示 功率的相對大小。在小功率下，是很好的近似功率的相對大小。在小功率下，是很好的近似。 微

7、波元件微波元件6：檢波器：檢波器 波導寬面 檢波管 電流表 I P 微波振蕩器微波振蕩器1：體效應管：體效應管 體效應管體效應管： 一種半導體材料，如GaAs等，做成棒狀 或條狀。它的特點是：如果兩端加上合 適的直流電壓，它內(nèi)部就會出現(xiàn)脈動的 電流(按常理，應出現(xiàn)直流電流按常理，應出現(xiàn)直流電流)，而且脈 動頻率在微波波段。 t I 1/f 根據(jù)電磁學，變化的電流產(chǎn)生電磁波變化的電流產(chǎn)生電磁波， 電磁波的頻率跟電流的頻率一致，因此， 體效應管要輻射電磁波。因為電流不是 純正弦波，因此，輻射的微波也不是單 一頻率的，而是以f為基頻的復合波復合波。如 果加一個選頻元件選頻元件，就可以選出單一頻 率的

8、微波來。于是，把體效應管放到一 個諧振腔諧振腔里，就構(gòu)成了微波振蕩器。 體效應管振蕩器物理原理體效應管振蕩器物理原理 由體效應管構(gòu)成的微波振蕩器由體效應管構(gòu)成的微波振蕩器 體效應管 波導管 頻率微調(diào) 諧振腔 孔 穩(wěn)壓源 微波振蕩器微波振蕩器2：速調(diào)管：速調(diào)管 速調(diào)管結(jié)構(gòu)原理速調(diào)管結(jié)構(gòu)原理 陰極 諧振腔電壓U0 反射電壓VR 調(diào)制信號 諧振腔 耦合線 燈絲電源 耦合電容 速調(diào)管電源面板速調(diào)管電源面板 電源開關(guān)電源開關(guān) 工作方式工作方式 高壓高壓 預熱預熱 關(guān)關(guān) 外調(diào)制外調(diào)制 鋸齒波鋸齒波方波方波 等幅等幅 反射極電壓 調(diào)制幅度外調(diào)制輸入視頻輸出 燈絲燈絲燈絲燈絲 反射極反射極地地 陽極陽極陰極陰

9、極 諧振腔電流 速調(diào)管振蕩條件速調(diào)管振蕩條件： 其中，d是反射極到諧振腔的距離，f是振 蕩頻率，n是正整數(shù)，稱為模式序數(shù)。上 式表明，在諧振腔電壓固定的情況下，反 射電壓只有滿足不連續(xù)值時才能起振。另 外，因為諧振腔的固有頻率有一定帶寬， 故反射電壓也有一定帶寬。 4d mU0 2e U0VR fn 3 4 速調(diào)管的輸出特性曲線速調(diào)管的輸出特性曲線 包括輸出功率曲線和輸出頻率曲線，都跟反射 電壓有關(guān)。出現(xiàn)分立的模，模之間無振蕩。 n = 5 n = 4 n = 3 n = 2 P /mW f/GHz f0 VR f VR 根據(jù)特性曲線，可得根據(jù)特性曲線，可得2 2點結(jié)論：點結(jié)論： 1、速調(diào)管的

10、輸出功率是可以改變的， 輸出頻率也能在一個范圍內(nèi)改變，其手 段就是改變反射電壓。 2、當反射極電壓固定時，輸出的功率 和頻率就是固定的。如果反射電壓在小 范圍變動，則功率和頻率都可以在小范 圍變動；如果反射電壓是任意波形，則 功率和頻率就可以是各種各樣。 根據(jù)速調(diào)管特性與反射電壓的這種密切 關(guān)系，可以設計出各種調(diào)制方式來滿足 不同的需要?；咀龇ɑ咀龇ǎ哼x中某個模式， 確定對應的中心反射電壓，固定之；然 后在反射極上接一電容器，在電容器和 陰極之間加上調(diào)制信號，例如方波、鋸 齒波等，電容器將調(diào)制信號耦合到反射 極，跟固定的反射極電壓加起來，作為 總的反射電壓，因此就能改變速調(diào)管的 輸出電壓和

11、頻率。 例：小幅度鋸齒波調(diào)制例：小幅度鋸齒波調(diào)制 f0 f0 VR VR 附加調(diào)幅 調(diào)頻信號 P P ff t t t 反射電壓 固定分量 特性曲線 輸出信號 調(diào)制信號 微波測量裝置原理圖微波測量裝置原理圖 靈敏電流計靈敏電流計 速調(diào)管速調(diào)管 隔離器隔離器 衰減器衰減器 頻率計頻率計 測量線測量線 檢波頭檢波頭 示波器示波器 Y2Y1 速調(diào)管速調(diào)管 電源電源 調(diào)制信號調(diào)制信號 示波器用來觀察速調(diào)管在調(diào)制下的功率特性示波器用來觀察速調(diào)管在調(diào)制下的功率特性。 微波元件微波元件7：吸收式頻率計：吸收式頻率計 利用諧振腔對微波的共振原理測量頻率，當微 波的頻率與諧振腔的固有頻率相同時，微波才 能進入諧

12、振腔，從而對在波導中傳播的微波造 成分流，使在波導管末端測量的微波功率下降。 諧振腔 波導 孔或縫 可動壁 旋筒 頻率計的共振曲線頻率計的共振曲線 共振峰很窄；下降深度有限。共振峰很窄；下降深度有限。 f0f P 在波導管的寬面上開一個狹縫，垂直插 入一金屬探針，后面連接檢波線路，沿 狹縫移動探針，就能沿著波導管方向來 測量駐波強度分布。 微波元件微波元件8：測量線：測量線 波導管 狹縫 探針 檢波器 實驗實驗1：微波分光實驗微波分光實驗 基本裝置基本裝置 穩(wěn)壓源 分波元件 檢波器 電流表 衰減器體效應管 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容 1、觀察微波反射現(xiàn)象，檢驗反射定律。 2、測量微波經(jīng)單縫和雙縫之后的衍

13、射和干涉 強度分布，并與標準的理論結(jié)果比較，說明差 別的來源。 3、觀察微波的偏振現(xiàn)象，測量檢波強度與偏 振角的關(guān)系，并與理論結(jié)果對比。 4、觀察微波被模擬晶體衍射的現(xiàn)象。 5、深入研究： （a）推導或調(diào)查所有的公式；（b）調(diào)查微波 天線理論，了解更多微波器件；（c）函數(shù)作 圖、數(shù)據(jù)作圖、曲線擬合。 幾個理論結(jié)果幾個理論結(jié)果 單縫衍射強度分布單縫衍射強度分布 asin I sin 2 雙縫干涉強度分布（雙縫干涉強度分布（N=2） dsin I sin 2 sinN sin 2 偏振的偏振的MALUS定律定律 II0Cos2：波導寬面法線與入射電場的夾角：波導寬面法線與入射電場的夾角 ：衍射角：

14、衍射角 反射定律：入射角反射定律：入射角=反射角反射角 發(fā)射天線與接收天線寬度的影響發(fā)射天線與接收天線寬度的影響 1 1、發(fā)射信號并非嚴格的平面波；、發(fā)射信號并非嚴格的平面波；2 2、接收天線、接收天線 離分光元件太近，屬于近場接收，近場分布與離分光元件太近，屬于近場接收，近場分布與 遠場分布有差別；遠場分布有差別；3 3、天線太寬，不是接收很窄、天線太寬，不是接收很窄 角度的強度，結(jié)果就與理想的光學公式有差別。角度的強度，結(jié)果就與理想的光學公式有差別。 單或雙縫單或雙縫 發(fā)射天線 接收天線 衍射信號 0 0度角處不是最大值，反而是個極小值。度角處不是最大值，反而是個極小值。 圍繞理論曲線振蕩

15、，是有規(guī)律的而非隨機的。圍繞理論曲線振蕩，是有規(guī)律的而非隨機的。 例例1：單縫衍射：單縫衍射 0.20.40.60.811.21.4 sin a 0.2 0.4 0.6 0.8 1 I 理論曲線 例例2：雙縫干涉：雙縫干涉 測量與理論存在系統(tǒng)的偏差，角度越大，差別越大。測量與理論存在系統(tǒng)的偏差，角度越大，差別越大。 0.511.522.5 sin d 0.2 0.4 0.6 0.8 1 I 理論曲線 例例3：波導偏振實驗：波導偏振實驗 存在系統(tǒng)偏差，尤其是中間部分更明顯，但總存在系統(tǒng)偏差，尤其是中間部分更明顯，但總 的來說，差別比前面的來說，差別比前面2 2個實驗小。個實驗小。 2040608

16、0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 I 理論曲線 偏振角 例例4：模擬晶體衍射：模擬晶體衍射 有多個衍射峰，縫的高度和位置沒有明顯的規(guī)律有多個衍射峰，縫的高度和位置沒有明顯的規(guī)律 20406080100120140 0.2 0.4 0.6 0.8 1 I 低的峰可通過提高輻照強度來更明顯顯示。低的峰可通過提高輻照強度來更明顯顯示。 例例4：模擬晶體衍射：連接圖：模擬晶體衍射：連接圖 20406080100120140 0.2 0.4 0.6 0.8 1 I 例例5：微波被金屬反射：微波被金屬反射 反射信號分布較寬，反射信號的最大值對應的角度并反射信號分布較寬，反射信號的最大值對應的角度并

17、不嚴格等于入射角，兩邊分布也不對稱。不嚴格等于入射角，兩邊分布也不對稱。 20406080 0.2 0.4 0.6 0.8 1 I 入 射 角:40 反射角 40 實驗實驗2：微波測量實驗微波測量實驗 本實驗使用的微波源是速調(diào)管。 測量內(nèi)容測量內(nèi)容：功率特性、頻率特性，駐波 分布，駐波波長和駐波比等。 延伸討論延伸討論： 1、根據(jù)駐波波長換算出自由波長，并 與頻率測量換算出的波長進行對比； 2、設計測量方法，驗證速調(diào)管的振蕩 條件，并求出模數(shù)。 幾個理論結(jié)果幾個理論結(jié)果 微波頻率與反射電壓的關(guān)系微波頻率與反射電壓的關(guān)系 f Const U0 n 3 4 U0VR I zI0Cos2 2zz0

18、g I 微波駐波沿微波駐波沿Z軸的分布軸的分布 80100120140160180200 VRVolta 10 20 30 40 50 60 70 PmW 例例1：速調(diào)管的功率特性：速調(diào)管的功率特性 80100120140160180200 VRVolta 10 20 30 40 50 60 70 PmW 功率特性：連起來看功率特性：連起來看 快速下降 例例2：速調(diào)管的頻率特性：速調(diào)管的頻率特性 80100120140160180200 VRVolta 9.58 9.59 9.6 9.61 9.62 9.63 f GHz 68101214 x cm 10 20 30 40 50 60 PmW P 47.0 cos 2