微波頻率及波導(dǎo)波長的測量

1、開放項目講義微波頻率及波導(dǎo)波長的測量1、微波的性質(zhì) 微波技術(shù)是近代發(fā)展起來的一門尖端科學(xué)技術(shù)，它不僅在通訊、原子能技術(shù)、空間技術(shù)、量子電子學(xué)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面有著廣泛的應(yīng)用，在科學(xué)研究中也是一種重要的觀測手段，微波的研究方法和測試設(shè)備都與無線電波的不同。從圖1可以看出，微波的頻率范圍是處于光波和廣播電視所采用的無線電波之間，因此它兼有兩者的性質(zhì)，卻又區(qū)別于兩者。與無線電波相比，微波有下述幾個主要特點圖1 電磁波的分類 （1）波長短(1m 1mm)：具有直線傳播的特性，利用這個特點，就能在微波波段制成方向性極好的天線系統(tǒng)，也可以收到地面和宇宙空間各種物體反射回來的微弱信號，從而確定物體的方位和距

2、離，為雷達定位、導(dǎo)航等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用。 （2）頻率高：微波的電磁振蕩周期(10-9一10-12s)很短，已經(jīng)和電子管中電子在電極間的飛越時間(約10-9s)可以比擬，甚至還小，因此普通電子管不能再用作微波器件(振蕩器、放大器和檢波器)中，而必須采用原理完全不同的微波電子管(速調(diào)管、磁控管和行波管等)、微波固體器件和量子器件來代替。另外，微波傳輸線、微波元件和微波測量設(shè)備的線度與波長具有相近的數(shù)量級，在導(dǎo)體中傳播時趨膚效應(yīng)和輻射變得十分嚴(yán)重，一般無線電元件如電阻，電容，電感等元件都不再適用，也必須用原理完全不同的微波元件(波導(dǎo)管、波導(dǎo)元件、諧振腔等)來代替。 （3）微波在研究方法上不像無線

3、電那樣去研究電路中的電壓和電流，而是研究微波系統(tǒng)中的電磁場，以波長、功率、駐波系數(shù)等作為基本測量參量。 （4）量子特性：在微波波段，電磁波每個量子的能量范圍大約是10-610-3eV，而許多原子和分子發(fā)射和吸收的電磁波的波長也正好處在微波波段內(nèi)。人們利用這一特點來研究分子和原子的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了微波波譜學(xué)和量子電子學(xué)等尖端學(xué)科，并研制了低噪音的量子放大器和準(zhǔn)確的分子鐘，原子鐘。 （5）能穿透電離層：微波可以暢通無阻地穿越地球上空的電離層，為衛(wèi)星通訊，宇宙通訊和射電天文學(xué)的研究和發(fā)展提供了廣闊的前途。綜上所述微波具有自己的特點，不論在處理問題時運用的概念和方法上，還是在實際應(yīng)用的微波系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)

4、上，都與普通無線電不同。微波實驗是近代物理實驗的重要組成部分。2、微波的用途（1）微波爐 微波爐是一種相當(dāng)簡單的系統(tǒng)，由高功率源、波導(dǎo)饋線和爐腔所成。源一般是工作在2.45GHz的磁控管，它的輸出功率通常在5001500W之間。爐腔具有金屬壁，電氣尺寸相對較大，為了減小由于爐子內(nèi)存在駐波所引起的不均勻加熱，用一種“模擾動器”擾亂腔內(nèi)場分布，這種“模擾動器”是一種金屬風(fēng)扇葉片，食品放在隨電機旋轉(zhuǎn)的大淺盤上。 在普通氣體或木炭火的爐子中，首先，被加熱的食品由于熱傳遞先在它的外部得到熱量，然后，食品內(nèi)部由傳導(dǎo)得到熱。微波加熱時，食品的內(nèi)部先得到熱。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于水分子的諧振和具有大損耗正切材

5、料的損耗。一種有趣的事實是很多食物的損耗正切，隨著溫度的增加而下降，以使微波加熱在某種程度上有自我調(diào)節(jié)功能。結(jié)果與通常烹調(diào)比較，微波烹調(diào)給出極快并更均勻的食品加熱。微波爐的效率定義為變換為食品中熱量的功率對供給爐子功率的比值，一般小于50%；但是，這通常大于普通爐子的烹調(diào)效率。 （2）雷達系統(tǒng)現(xiàn)代雷達大多數(shù)是微波雷達，利用微波工作的雷達可以使用尺寸較小的天線，來獲得很窄的波束寬度以獲得關(guān)于被測目標(biāo)性質(zhì)的更多的信息。雷達不僅用于軍事，也用于民用，如導(dǎo)航，氣象探測，大地測量,工業(yè)檢測和交通管制等。 雷達或稱雷達檢測和定位，也許是微波技術(shù)最有優(yōu)勢的應(yīng)用。在運行中，發(fā)射機發(fā)出一個信號，信號的一部分被遙

6、遠(yuǎn)的目標(biāo)反射，然后被一個靈敏的接收機檢測到。如果使用的是一個窄波束天線，則目標(biāo)的方向就可由天線的位置準(zhǔn)確地測出；目標(biāo)的距離，由信號傳導(dǎo)目標(biāo)并被目標(biāo)反射回來所使用的時間來決定，目標(biāo)的徑向速度也與返回信號的多普勒頻移有關(guān)。雷達系統(tǒng)經(jīng)常應(yīng)用在如下的場合中： A、公眾應(yīng)用：機場監(jiān)視、海上導(dǎo)航、氣象雷達、測量學(xué)、飛機著陸、夜間防盜、速度測量（警戒雷達）、測繪等。 B、軍事應(yīng)用：空間和海事導(dǎo)航，飛機、導(dǎo)彈、空間飛行器的檢測和跟蹤，導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)，導(dǎo)彈和火炮的點火控制，武器保險、偵察等。 C、科學(xué)應(yīng)用：天文學(xué)、繪圖和成像，精密距離測量，自然資源遙感等。（3）無線電輻射計雷達系統(tǒng)得到有關(guān)目標(biāo)的信息，是用發(fā)射一

7、個信號并接收從目標(biāo)返回的回波實現(xiàn)的，因此，可以當(dāng)作是一個有源的遙感系統(tǒng)。無線電輻射計是一種無源遙感技術(shù)，用它發(fā)現(xiàn)有關(guān)目標(biāo)的信息是通過接收黑體輻射的微波粒子（噪聲）實現(xiàn)的，該微波粒子直接由周圍物體輻射或反射，無線電輻射計是一種靈敏的接收機，專門用以測量這種噪聲功率。 微波輻射計是一門相當(dāng)新的技術(shù)領(lǐng)域，它正處在迅速發(fā)展階段，從電子工程、海洋地理、地球物理、大氣和空間科學(xué)等領(lǐng)域中引伸。下面是微波輻射計的一些典型的應(yīng)用： （一）環(huán)境應(yīng)用：沙子潮濕的測量、海洋表面的風(fēng)速、洪水繪圖、大氣層溫度的輪廓、雪層/冰層的測繪等。（二）軍事應(yīng)用：目標(biāo)檢測、監(jiān)視、目標(biāo)確認(rèn)、繪圖等。（三）天文學(xué)應(yīng)用：行星繪圖、銀河星系

8、射電噪聲目標(biāo)的測繪、太陽輻射測繪、宇宙黑體輻射的測量等。（4）生物效應(yīng)已經(jīng)證實微波輻射對暴露體產(chǎn)生的危害是由熱效應(yīng)產(chǎn)生的。人體吸收RF和微波能量，并將它變換成熱，如同在微波爐中那樣，在低電平時這種熱在身體中沒有感覺。它對腦、眼睛、胃組織等影響最大，過度照射可能引起白內(nèi)障等生理疾病。因此，必須設(shè)定一個安全的輻射電平標(biāo)準(zhǔn)，使微波設(shè)備的用戶不暴露在有害的功率電平下。某些專家認(rèn)為，長期暴露在微波輻射下，非熱效應(yīng)對身體亦有危害。既然微波具有如此多的用途，而且許多用途都跟微波的波長與頻率有很大的關(guān)系。那么微波的波長與其頻率有什么關(guān)系，頻率的變化會引起波導(dǎo)波長怎樣的變化，頻率的變化會引起微波駐波比重要的變化

9、等等問題有待我們?nèi)ソ鉀Q。3、原理（1）.微波的波導(dǎo)傳輸和波導(dǎo)管的工作狀態(tài)（見 “微波基本知識”）（2）頻率的測量頻率的測量比較簡易的方法是測量波長，然后由波長推算出頻率。在分米波與厘米波段，常用諧振式頻率計（波長表），見實驗教材附錄30B圖30-10。波長表由傳輸波導(dǎo)與圓柱形諧振腔構(gòu)成，連接處用長方形孔作耦合。電磁波通過耦合孔從波導(dǎo)進入頻率計的空腔中，當(dāng)頻率計的腔體失諧時，腔里的電磁場極為微弱，此時，它基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過波導(dǎo)中的電磁波信號強度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入

10、微波諧振時的刻度，通過查表可得知輸入微波諧振頻率。這是吸收式波長表。（3）.波導(dǎo)波長測量（駐波測量線法）波導(dǎo)波長是指在波導(dǎo)管中傳播的合成波的兩個相鄰波峰或波谷之間的距離。它在數(shù)值上等于相鄰兩個駐波極值點（波腹或波節(jié)）距離的兩倍。由于場強在極大值點附近變化緩慢，峰頂位置不易確定，而且探針位于波節(jié)點處對場分布的影響最小，所以實際采用測定駐波極小點的位置來求出波導(dǎo)波長。為提高測量精度，通常采用交叉讀數(shù)法確定波節(jié)點的位置，即在波節(jié)點附近找出指示器上輸出幅度相等的兩點的坐標(biāo)，取這兩點坐標(biāo)的平均值作為波節(jié)點的坐標(biāo)。如下圖所示，則即 圖2 波導(dǎo)波長測量 圖3 節(jié)點附近場的分布為駐波節(jié)點相鄰兩旁的等指示值，為等指示度之間的距離，為波導(dǎo)波長。與的測量精度對測量結(jié)果影響很大，因此必須用高精度的探針位置指示裝置(如百分表)進行讀數(shù)。4、