微波傳播速度的測量講解

1、微波傳播速度的測量摘要：微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。本實(shí)驗(yàn)通過對微波頻率和波長的測量進(jìn)而求出微波在空氣中的傳播速度，并與光速進(jìn)行對比。關(guān)鍵詞：電磁波；無線電波；波速；波粒二象性。Abstract

2、Themicrowaveisafrequencyof300MHz-300GHzelectromagneticradiowavesinalimitedfrequencybandreferred,thewavelengthinmeters(excluding1meter)to1mmbetweentheelectromagneticwaves,decimetriccentimeterwavecollectivelyreferredtoasthemillimeterandsubmillimeter.Microwavefrequencieshigherthantheaverageradiofrequen

3、cy,usuallyreferredtoasultra-high-frequencyelectromagneticwaves.Microwaveasanelectromagneticwavewithwave-particleduality.Thebasicnatureofthemicrowaveisgenerallypresentforpenetratingreflectionandabsorptionofthethreecharacteristics.Forglass,plasticandporcelain,microwavealmostthroughwithoutbeingabsorbed

4、.Forwaterandfoodwillabsorbmicrowaveleavingtheself-heating.Metaltypeofthingwillbereflectedmicrowaves.Inthisstudy,bymeasurementofmicrowavefrequencyandwavelengthandthencalculatethepropagationvelocityofthemicrowaveintheair,comparedwiththespeedoflight.Keywords:electromagneticwave;radiowaves;wavevelocity;

5、wave-particleduality.微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時，由于介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時，物料內(nèi)外加熱均勻一致。物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介

6、質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率隨時可調(diào)，介質(zhì)溫升可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。由于微波頻率很高，所以在不大的相對帶寬下，其可用的頻帶很寬，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲。這是低頻無線電波無法比擬的。這意味著微波的信息容量大，所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外都是工作在微波波段。另外，微波信號還可以提供相位信息，極化信息，多普勒頻率信息。這在

7、目標(biāo)檢測，遙感目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中十分重要。1實(shí)驗(yàn)方案微波屬于一種電磁波根據(jù)電磁波理論，電磁波在真空中傳播時其傳播速度與其波長和頻率有如下關(guān)系V=尚,n=c/v電磁波在不同的介質(zhì)中傳播時其波速由相應(yīng)的介質(zhì)的性質(zhì)決定，本實(shí)驗(yàn)在測量時實(shí)驗(yàn)室空氣的折射率近似取標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣折射率n=1.00029o1.1、實(shí)驗(yàn)計算公式的推導(dǎo)在波導(dǎo)中常用相移常數(shù)、波導(dǎo)波長、駐波系數(shù)等特性參量來描述波導(dǎo)中的傳輸特性，對于矩形波導(dǎo)中的TE10波自由仝間波長兒=c/f截止(臨界)波長九。=2ac:波導(dǎo)波長Kg=/4-(1/I)根據(jù)以上的三個公式可以得到本實(shí)驗(yàn)的測量公式：(1/1+(1/2a)2考慮到空氣折射率的影響，則實(shí)

8、驗(yàn)室條件下，微波的傳播速度為:1.2 j/n=f*xgV1/+(xg/2a)2l/n圖五1.3 、測量方法a、按圖五接好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)b、打開信號源.調(diào)節(jié)輸出電平及頻率、方波內(nèi)調(diào)制、重復(fù)頻率為1000Hz&右。c、移動測量線探針.同時適當(dāng)調(diào)整放大器的增益避免在最大輸出位置時使選頻放大器的表頭指針打表。來回移動測量線的探針.觀傳輸在終端短路情況下全反射的駐波分布情況。d、用“平均法”找出兩個相鄰的最小點(diǎn)位置D1和D2,即：移動探針在駐波最小點(diǎn)左右找出兩個具有相同幅度（由選頻放大器讀出）的位置di和d2然后取其平均值、即為所需的最小點(diǎn)位置D1,用同樣的方法找出相鄰的最小點(diǎn)D2,如下圖所示e、求出最小點(diǎn)位

9、置D1和D2相鄰兩個最小點(diǎn)的距離即為半個波導(dǎo)波長D1和D2的位置在測量線上通過標(biāo)尺讀出，如要精確測量的話，同軸測量線可通過附件微測器，波導(dǎo)測量線可通過附件千分表讀出。1.4、 使用吸收式頻率計測量微波頻率1.4.1、 實(shí)驗(yàn)連接圖1旨Z軸方向傳播TE10波的各個分量為其中，相位常數(shù)波導(dǎo)波長:所以為了使波導(dǎo)內(nèi)只傳播TE10波，波導(dǎo)截面尺寸應(yīng)滿足v口v兒Ovhv72般取a七0.740Ao.30.5/1目前我國通常取a=22,86m/n,/?=10.16?其主模頻率范圍為8.20-12.50GHz截止頻率為6.557GHz。1.4.2、測量方法系統(tǒng)中的頻率計為吸收式頻率計其結(jié)構(gòu)如圖八所示。當(dāng)傳輸線中相

10、當(dāng)一部分功率進(jìn)入頻率計諧振腔內(nèi)，而另一部分從耦合元件處反射回去，在諧振時腔中場很強(qiáng)反射回去也強(qiáng)。使之頻率計的輸出在諧振時明顯減小。如圖九所示。螺旋測微機(jī)構(gòu)可調(diào)短路活塞網(wǎng)柱諧振腔明臺孔矩形波導(dǎo)圖A吸收式頻率計結(jié)構(gòu)Q圖九慢慢旋動頻率計由內(nèi)向外慢慢轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)動到輸出幅度明顯降低，在降低到最低的頻率時，就是所測信號源的頻率。由于頻率計的測量精度是小于0.3%所以這種測量的精度是很高的。通過選取不同的負(fù)載，可測量出較多組的頻率和相應(yīng)的波導(dǎo)波長，通過計算可以較為精確的求出微波傳播速度的平均值。2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄2.1、中駐波頻率測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄項(xiàng)目組別1組2組3組4組5組6組7組8組9組10組長度L/mm3

11、.6513.5673.5603.5613.6563.5653.5663.5703.5613.563頻率f/GHz9.1579.1569.1579.1579.1569.1569.1569.1559.1579.157平均波長f0/GHz9.1564表12.1.1、中駐波波導(dǎo)波長測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄項(xiàng)目組別1組2組3組4組空間位直l/mm84.386.8107.9110.1131.5133.9155.1157.2同組之和/mm171.1218265.4312.3波導(dǎo)波長入g/mm46.946.9平均波導(dǎo)波長入g/mm46.9表23、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理3.1.1、微波在空氣中的傳播速度計算根據(jù)表1中相關(guān)數(shù)據(jù)可知

12、本實(shí)驗(yàn)中測量的微波的平均頻率為:fo=9.1564GHz根據(jù)表2中相關(guān)數(shù)據(jù)可知，本實(shí)驗(yàn)測量的微波的波導(dǎo)波長為:g=46.9mm實(shí)驗(yàn)室空氣折射率近似取標(biāo)準(zhǔn)情況下的空氣折射率n=1.00029。將上述數(shù)據(jù)帶如實(shí)驗(yàn)測量公式有：cv二一n.f*%，1/T(%/2a)2n,9156.4*10*0.04694八1+0.0469(2*0.02289)2一1.00029=2.99878*18m/s3.1.2、實(shí)驗(yàn)相對誤差的計算已知光在真空中的傳播速度為：c=299792458m/s則光在空氣中的傳播速度為：299792458一1.00029=299705543.4m/s則本實(shí)驗(yàn)測量微波在空氣中的傳播速度的相對

13、誤差為:v測量-v理論*100%v理論1299878000-299705543.4*100%299705543.4=0.058%4、實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)4.1.1 、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析從實(shí)驗(yàn)相對誤差來看，本實(shí)驗(yàn)測量微波的傳播速度實(shí)驗(yàn)相對誤差較小，在實(shí)驗(yàn)精度要求和實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果真實(shí)有效，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近其真值。實(shí)驗(yàn)方案建立時查閱了大量相關(guān)文獻(xiàn)，對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了相應(yīng)的改良，并在實(shí)驗(yàn)中注意相應(yīng)的操作過程，避免了因?yàn)椴僮魇д`引入的測量誤差。4.1.2 實(shí)驗(yàn)總結(jié)(1)本實(shí)驗(yàn)使用駐波測量線來測量微波的波導(dǎo)波長及其頻率，在使用測量線的過長中因注意防止回程誤差，移動時盡量向著一個方向移動，當(dāng)要接近目標(biāo)時應(yīng)減緩移動的速度，防止超過目標(biāo)而引入回程誤差。(2)在測量頻率時，旋轉(zhuǎn)頻率計的速度應(yīng)慢，由于檢流計有一定的弛豫，且當(dāng)頻率計的固有頻率等于微波的頻率時其因吸收而衰減的速度較快，檢流計來不及偏轉(zhuǎn)而一晃而過，從而給實(shí)驗(yàn)帶來較大麻煩浪費(fèi)試驗(yàn)時間。參考文獻(xiàn)1黃席椿編.論波速M(fèi).高等教育出版社,19852截止