微波電磁特性與天線實驗

1、微波技術(shù)是近代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，在國防、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)，以及材料科學(xué)中有著廣泛應(yīng)用。隨著社會向信息化、數(shù)字化的邁進，微波作為無線傳輸信息的技術(shù)手段，將發(fā)揮更為重要的作用。特別在天體物理，射電天文、宇航通信等領(lǐng)域，具有別的方法和技術(shù)無法取代的特殊功能。微波有“似光性”，用可見光、X光觀察到的反射、干涉和衍射現(xiàn)象都可以用微波再現(xiàn)出來，對于微波的波長為0.01m量級的電磁波，用微波設(shè)備作波動實驗要顯得形象、直觀，更容易理解，通過觀測微波的反射干涉、衍射及偏振等現(xiàn)象，能加深理解微波和光都是電磁波，都具有波動這一共同性。本實驗通過研究微波的反射，單縫衍射等來揭示微波的波動性，以此來增加對微薄的波

2、動性的了解。一、實驗?zāi)康?、了解微波分光儀的結(jié)構(gòu)，學(xué)會調(diào)整它并能用它進行實驗2、掌握電磁波反射定律的方法。3、掌握電磁波的單峰衍射時衍射角對衍射波強度的影響。4、掌握來自雙縫的兩束中央衍射波相互干涉的影響。5，掌握平面波長的測量方法。6、驗證電磁波的馬呂斯定律、布拉格方程。7、驗證天線的方向性。8、培養(yǎng)綜合性設(shè)計電磁波實驗方案的能力。二、微波的特性及應(yīng)用1微波的特性什么是微波？微波是波長很短的電磁波，一般把波長從1米到1毫米，頻率在300300000MHZ范圍內(nèi)的電磁波稱作微波。廣義的微波包括波長從10米到10微米（頻率從30MHZ到30THZ）的電磁波。微波具有以下特點。（1）波長短：它不同

3、于一般的無線電波，因微波波長短到毫米,它具有類似光一樣有直線傳播性質(zhì)。（2）頻率高：微波已成為一種電磁輻射，趨膚效應(yīng)、輻射損耗相當(dāng)嚴(yán)重。所以在研究微波問題時要采用電磁場和電磁波的概念和方法。不能采用集中參數(shù)元件。需要采用分布參數(shù)元件，如波導(dǎo)、諧振腔、測量線等。測量的量是駐波比，頻率。特性阻抗等。（3）量子特性：在微波波段，電磁波每個量子的能量范圍約為10-610-3eV。許多原子和分子發(fā)射和吸收的電磁波能量正好處于微波波段內(nèi)，人們正是利用這一特點研究分子和原子的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了微波波譜學(xué)、量子電子學(xué)等新興學(xué)科，并研制了量子放大器、分子鐘和原子鐘。（4）能穿透電離層：微波可以暢通無阻地穿過地球周圍的

4、電離層，是進行衛(wèi)星通信，宇航通信和射電天文學(xué)研究的一種有效手段?；谏鲜鎏攸c，微波作為一門獨立學(xué)科得到人們的重視，獲得迅速的發(fā)展。2微波的應(yīng)用（1）雷達與通信微波的早期發(fā)展與雷達密切相關(guān)：利用微波直線傳播的特性，可制成軍用的如超遠程預(yù)警雷達，相控陣?yán)走_。民用的氣象雷達，導(dǎo)航雷達等。在通信方面，微波的可用頻帶很寬，信息容量大，現(xiàn)代移動通信和衛(wèi)星通信中都在微波波段。（2）受邀輻射原理頻標(biāo)、計量標(biāo)準(zhǔn)在微波波譜學(xué)深入研究的基礎(chǔ)上，1957年根據(jù)受激輻射原理發(fā)明了微波受激輻射放大器，即“脈塞”，這就是大家知道的量子放大器。1960年發(fā)明了光受激輻射放大器，即“萊塞”這就是激光器。激光的發(fā)明，是本世紀(jì)科學(xué)

5、技術(shù)上的一個重大突破，但是追根尋源，不難看出激光器的發(fā)明只是將微波技術(shù)中的（受激輻射原理）成果（量子放大器）“移植”到可見光波段的一項新成就。量子頻率標(biāo)準(zhǔn)（原子鐘）是利用波譜學(xué)成就制作的精確時間頻率測量設(shè)備，目前量子頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度已分別達到10-14和10-15的數(shù)量級，在精確測量頻率的基礎(chǔ)上，物理學(xué)理論如量子電動力學(xué)和廣義相對論所預(yù)言的某些效應(yīng)，蘭姆移位，電子反常磁矩、引力“紅移”和引力波等已得到驗證。（3）微波與物質(zhì)的相互作用微波鐵氧體是微波技術(shù)中常用的一種各向異性材料，它不僅具有較強的磁性，而且具有很高的電阻率。微波很容易通過鐵氧體，在鐵氧體中產(chǎn)生特殊的磁效應(yīng)旋磁性。在恒磁場和

6、微波場的作用下，微波鐵氧體的微波磁導(dǎo)率是一個張量。張量磁導(dǎo)率的特點是：非對稱性，這使微波在鐵氧體中傳播具有非互易性，成為制作非互易微波鐵氧體器件的基礎(chǔ)；張量元素都是復(fù)數(shù)，其實部具有頻散特征，其虛部具有共振特性，是研究鐵氧體的微波特性和微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。等離子體是分別帶有正負電荷的兩種粒子所組成的電中性的粒子體系，其中至少有一種帶電粒子是可以自由運動的。等離子態(tài)稱為物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體物理與受控?zé)岷朔磻?yīng)、空間研究、天體物理和氣體激光等密切相關(guān)，且有重要應(yīng)用，利用微波與等離子體的相互作用，可以對等離子體的特性進行研究并促進應(yīng)用。例如：微波等離子診斷；利用高功率微波加熱等離子體；利用微波產(chǎn)生等離子體

7、。（4）穿透電離層天體物理和射電天文研究以微波為主要觀測手段的射電天文學(xué)的迅速發(fā)展，擴大了天文觀察的視野，促進了天體物理的研究，所謂六十年天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)類星體、中子星、微波背景輻射和星際分了，全都是利用微波為主要觀測手段發(fā)現(xiàn)的。其中，微波背景輻射被譽為“二十世紀(jì)天文學(xué)的一項重大成就”，榮獲1978年諾貝爾物理獎。（5）介質(zhì)的微波特性微波電譜和磁譜，微波吸收材料，微波遙感微波電譜和磁譜是指介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與外加微波場頻率的相互關(guān)系，微波電譜和磁譜不僅提供介質(zhì)材料性能的重要判據(jù)，在基礎(chǔ)研究中也具有特殊的意義。例如在電子對抗技術(shù)中采用的微波吸收材料，由微波遙感獲得遙感信息等，都與微波技術(shù)和微

8、波電譜、磁譜有關(guān)。三、實驗原理微波和光波都是電磁波，都具有波動這一共同性，即能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象。因此用微波作光波做實驗所說明的波動現(xiàn)象及其規(guī)律是一致的。由于微波的波長比光波的波長在量級上差一萬倍左右，因此用微波設(shè)備作波動實驗比光學(xué)實驗要更直觀、方便和安全，所需要設(shè)備制造也較容易。1.微波的反射電磁波在傳播過程中如遇到障礙物，必定要發(fā)生反對，微波遵從反射定律，本處以一塊大的金屬板作為障礙物來研究當(dāng)電波以某一入射角投射到此金屬板上所遵循的反射定律，即反射線在入射線和通過入射點的法線所決定的平面上，反射線和入射線分居在法線兩側(cè)，反射角等于入射角。如圖5.1所示，一束微波從發(fā)射喇叭A發(fā)

9、出以入射角射向金屬板MN，則在反射方向的位置上，置一接收喇叭B，只有當(dāng)B處在反射角=時，接受到的功率最大，即反射角等于入射角。圖5.1 微波的反射2.微波的單縫衍射微波的衍射原理與光波完全相同，當(dāng)一束微波入射到一寬度與波長可比擬的狹縫時，它就要發(fā)生衍射現(xiàn)象，如圖5.2所示。圖5.2  微波的單縫衍射設(shè)微波波長為，狹縫寬度為，當(dāng)衍射角符合： =1,2,3, 時在狹縫背面出現(xiàn)衍射波的強度極小，而當(dāng)    =0,1,2,  時，則在縫后面出現(xiàn)衍射波的強度極大（主極大發(fā)生在處）。3.微波的雙縫干涉微波遵守光波的干涉規(guī)律，如圖5.3所

10、示，圖5.3  微波的雙縫干涉當(dāng)一束微波（波長為）垂直入射到金屬板的二條狹縫上，則每條狹縫就是次波源。由兩縫發(fā)出的次波是相干波，因此金屬板的背面空間中，將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，設(shè)縫寬為，兩縫間距離為，則由光的干涉原理可知，當(dāng) =0,1,2,3, 時，干涉加強（主極大發(fā)生在處）。當(dāng)  =0,1,2,3,時，干涉減弱。4.微波的偏振性微波在自由空間傳播是橫電磁波，它的電場強度矢量與磁場強度矢量和波的傳播方向永遠成正交的關(guān)系，它們的振動面的方向總是保持不變。、遵守烏莫夫-坡印矢量關(guān)系（見圖5.4），即為。如果在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，沿著一條固定的直線變化，這樣的橫電磁波叫線極

11、化波，在光學(xué)中也叫偏振波。電磁場沿某一方向的能量有的關(guān)系，這就是光學(xué)中的馬呂斯定律。 式中為偏振光強度，是與間的夾角。5.微波的邁克爾遜干涉用微波源做波源的邁克爾遜干涉儀與光學(xué)中的邁克爾遜干涉完全相似，其裝置如圖5.4所示，發(fā)射喇叭發(fā)出的微波，被45°放置的分光玻璃板MM（也稱半透射板）分成兩束，一束由MM反射到固定反射板A；另一束透過MM到達可移動反射板B.由于A、B為全反射金屬板，兩列波被反射再次回到半透射板。A束透射，B束反射，會聚于接受喇叭，于是接受喇叭收到兩束同頻率、振動方向一致的二束波。如果這二束波的位相差為的偶數(shù)倍，則干涉加強；當(dāng)位相差為的奇數(shù)倍則干涉減弱。圖5.4&#

12、160; 、遵守烏莫夫-坡印矢量關(guān)系    微波的邁克爾遜干涉儀假設(shè)入射的微波波長為，經(jīng)A和B反射后到達接受喇叭的波長度為，當(dāng)    =0，±1,±2,±3,  時，將有接受喇叭后面的指示器有極大示數(shù)。當(dāng)   =0，±1,±2,±3, 時，指示器顯示極小示數(shù)。當(dāng)A不動，將活動板B移動距離，則波程差就改變了，假設(shè)從某一級極大開始記數(shù)，測出個極大值，則由得到 即可測出微波的波長。6.微波的布拉格衍射X光波與晶體的晶格常數(shù)屬于同一數(shù)

13、量級，晶體點陣可以做為X射線衍射光柵，而微波波長是0.01m量級的電磁波，顯然實際晶體不能作為微波的三維衍射光柵，本實驗以立方點陣（點陣結(jié)點之間距離為0.01m量級）的模擬晶體為研究對象，用微波向模擬晶體入射，觀測不同晶面上點陣的反射波產(chǎn)生干涉應(yīng)符合的條件，即應(yīng)滿足布拉格在1912年導(dǎo)出的X射線衍射關(guān)系式-布拉格公式。圖5.5   模擬晶體微波布拉格衍射現(xiàn)對模擬立方晶體水平上的某一晶面加以分析，如圖5.5所示，假設(shè)“原子”占據(jù)著點陣的結(jié)點，兩相鄰“原子”之間的距離為（晶格常數(shù)）。晶體內(nèi)特定取向的平面用密勒指數(shù)標(biāo)記，圖9中實線和虛線分別表示（100）和（110）晶面與水平某一

14、晶面的交線，當(dāng)一束微波以0角掠射到（100）晶面，一部分微波將為表面層的“原子”所散射，其余部分的微波將為晶體內(nèi)部各晶面上的“原子”所散射。各層晶面上“原子”散射的本質(zhì)是因“原子”在微波電磁場協(xié)迫下做與微波同頻率的受迫振蕩，然后向周圍發(fā)出電磁電子波。由圖9知入射波束PA和QB分別受到表層“原子”A和第二層“原子”B散射，散射束分別為AP和BQ，則PAP和QBQ的波程差為：式中為晶面間距，對立方晶體，顯然波程差為入射波波長的整數(shù)倍時，即 兩列波同相位，產(chǎn)生干涉極大值，式中表示掠射角（入射線與晶面夾角），稱為布拉格角；為整數(shù)，稱為衍射級次。同樣可以證明，凡是在此掠射角被（100）各晶面散

15、射的微波均為干涉加強，11式就是著名的布拉格公式。布拉格公式僅對于（100）晶面族成立，而對于其它晶面族也成立，但晶面間距不同。對于（110）晶面族，計算晶面間距的公式為：7.天線的方向性通常一副天線向各個方向輻射電磁波的能力是不同的，它沿各個方向輻射電磁能量的強弱可用天線的方向系數(shù)來表示。其中方向系數(shù)最大的地方，即輻射增強的方向，稱主射方向。通常人們用天線的方向圖來表示天線對各個方向的方向系數(shù)大小。由下面的方向圖可以看出，天線的方向性圖像象花朵的葉瓣，各葉瓣稱為方向葉。處于主射方向的方向葉稱為主葉，處于主葉反方向位置的方向葉稱為后葉，其他方向的方向葉統(tǒng)稱為副葉。顯然主葉的寬度越窄，說明天線的

16、方向性也好。天線方向性的好壞，工程上常采用半功率角和零功率角兩個參量來表示。所謂半功率角是指主葉瓣上場強為主射方向場強的1/2= 0.707時（即功率下降1/2時），兩個方向間的夾角，即為“20.5”；所謂零功率角是指偏離主射方向最近的兩個零射方向（輻射場強為零的方向）之間的夾角，記為“20”。半功率角和零功率角越小，表示主葉瓣的寬度越窄，說明天線的方向性越好。一副方向性良好的天線，除了必須具備上述具有較小的半功率角和零功率角外，還應(yīng)該包括后葉瓣和副葉瓣盡可能小，以減小可能出現(xiàn)的竄擾。四、實驗儀器本裝置為圖2.1示出微波分光計的結(jié)構(gòu)，可分為四個部分。一是發(fā)射部分：是由固定臂4及其上端的發(fā)射喇叭

17、3組成，稱為發(fā)射天線，微波信號由三厘米雪崩固態(tài)源發(fā)出，經(jīng)可變衰減器到發(fā)射喇叭3.二是接受部分：由可繞中心軸轉(zhuǎn)動的活動臂7、接受喇叭6及其轉(zhuǎn)動角度指示儀15、晶體檢波器9和指示器10組成。三是在兩喇叭之間可繞中心軸自由轉(zhuǎn)動的分度平臺11，平臺一周分為360等分，其轉(zhuǎn)動的角度可由固定臂指針5指示，平臺上有定位銷，定向坐標(biāo)和固定被測部件14用的四個彈簧銷釘，四是圓盤底座12，底座上有做邁克爾遜干涉實驗用的固定正交兩個反射板（圖中未畫出）的定位螺紋孔和水平調(diào)節(jié)螺釘13。圖2.1  實驗裝置圖固態(tài)信號源發(fā)出的信號具有單一的波長（=32.02mm），相當(dāng)于光學(xué)實驗中要求的單色光束。當(dāng)選擇“連續(xù)”

18、時，指示器是微安表，當(dāng)選擇“方波”時指示器為測量放大器。兩個喇叭天線的增益大約的20dB，波瓣的理論半功率點寬度大約為：H面是20°，E面是16°，當(dāng)發(fā)射喇叭口面寬邊與水平面平行時，發(fā)射信號電矢量的偏振方向是垂直的。成套微波分光儀如圖2.2所示。 圖2.2 微 波 分 光 儀序號 名稱 1 分度轉(zhuǎn)臺 2 喇叭天線 3 可變衰減器 4 晶體檢波器 5 檢波指示器 6 視頻電纜及微安表 7 反射板 序號 名稱8 單縫板 9 雙縫板 10 半透射板 11 模擬晶體（模擬晶體及支架） 12 讀數(shù)機構(gòu) 13 支座 14 支柱 15 模片 三厘米固態(tài)振蕩器發(fā)出的信號具有單一的波長（出廠

19、時信號調(diào)在=32.02mm 上），這種微波信號就相當(dāng)于光學(xué)實驗中要求的單色光束。喇叭天線的增益大約是20分貝，波瓣的理論半功率點寬度大約為：H面是200，E面是160。當(dāng)發(fā)射喇叭口面的寬邊與水平面平行時，發(fā)射信號電矢量的偏損方向是垂直的。可變衰減器用來改變微波信號幅度的大小，衰減器的度盤指示越大，對微波信號的衰減也越大。晶體檢波器可將微波信號變成直流信號或低頻信號。五、裝置調(diào)整 首先旋轉(zhuǎn)工作平臺使00刻線與固定臂上指針對正，再轉(zhuǎn)動活動臂使活動臂上的指針對正在工作平臺 1800刻線上，然后將安裝在基座上的滾花螺釘擰緊，使活動臂不易自動擺動（即鎖緊）,讀出指示器示數(shù)；然后，松開螺釘，移動活動臂向左

20、右同樣角度（如20°）時，觀看指示器讀數(shù)左右移動時，偏轉(zhuǎn)是否相同，如果不同，略略旋轉(zhuǎn)接受喇叭，反復(fù)調(diào)節(jié)直至左右指示器偏轉(zhuǎn)相等為止。用一根細線繩，拉緊在發(fā)射，接收兩個喇叭天線之間，先使喇叭天線上刻的短刻線（每個喇叭上和法蘭上都有刻線）成一直線。這可以細繩為準(zhǔn)繩，通過水平轉(zhuǎn)動兩個天線的角度來實現(xiàn)。然后，用一塊反射板（本儀器所帶的成套件）或一塊大三角板垂直放在工作平臺上，并使垂足通過工作平臺中心。此時，著細線是否正與反射板或三角板垂直平臺平面的一邊正好靠上（允許誤差上2mm）。如不符合規(guī)定要求，可重新調(diào)整固定臂的安裝角度和指針，也可稍微擺動活動臂，使細線正與垂邊靠上，然后調(diào)整活動臂上的指針

21、位置，使其正指 1800。做反射，單縫衍射，雙縫干涉實驗時，14分別為反射板，單縫衍射板，雙縫干涉板；做萬克爾遜干涉實驗時，14為分光玻璃板，并安裝二個正交反射板；做布拉格衍射實驗時14為模擬立方晶體。六、實驗內(nèi)容1反射實驗實驗儀器布置如圖6.1圖6.1 反射實驗儀器的布置 儀器連接時，兩喇叭口面應(yīng)互相正對，它們各自的軸線應(yīng)在一條直線上。指示兩喇叭位置的指針分別指于工作平臺的900刻度處，將支座放在工作平臺上，并利用平臺上的定位銷和刻線對正支座（與支座上刻線對齊）拉起平臺上四個壓緊螺釘旋轉(zhuǎn)一個角度后放下，即可壓緊支座。反射全屬板放到支座上時，應(yīng)使金屬板平面與支座下面的小圓盤上的某一對刻線一致。

22、而把帶支座的金屬反射板放到小平臺上時，應(yīng)使圓盤上的這對與金屬板平面一致的刻線與小平臺上相應(yīng)900刻度的一對刻線一致。這時小平臺上的00刻度就與金屬板的法線方向一致。轉(zhuǎn)動小平臺，使固定臂指針指在某一角度處，這角度該數(shù)就是入射角，然后轉(zhuǎn)動活動臂在表頭上找到一最大指示，此時活動臂上的指針?biāo)傅目潭染褪欠瓷浣?。若此時表頭指示太大或太小，應(yīng)調(diào)整衰減器、固態(tài)振蕩器或 晶體檢波器，使表頭指示接近滿量程。做此項實驗，入射角最好取300至650之間。因為入射角太大接收喇叭有可能直接接受入射波。做這項實驗時應(yīng)注意系統(tǒng)的調(diào)整和周圍環(huán)境的影響。2單縫衍射實驗 實驗儀器布置如圖6.2儀器連接時，預(yù)先接需要調(diào)整單縫衍射板

23、的縫寬，當(dāng)該板放到支座上時，應(yīng)使狹縫平面與支座下面的小圓盤上的某一對刻線一致，此刻線應(yīng)與工作平臺上的900刻度的一對線一致。轉(zhuǎn)動小平臺使固定臂的指針在小平臺的1800處，此時小平臺的00就是狹縫平面的法線方向。這時調(diào)整信號電平使表頭指示接近滿度。然后從衍射角00開始，在單縫的兩側(cè)使衍射角每改變10 讀取 一次表頭讀數(shù)，并記錄下來，這時就可畫出單縫衍射強度與衍射角的關(guān)系曲線，并根據(jù)微波波長和縫寬算出一級極小和一級極大的衍射角，并與實驗曲線上求得的一級極小和極大的衍射角進行比較。最后記錄數(shù)據(jù)并繪出曲線。圖6.2 單縫衍射實驗的儀器布置 3雙縫干涉實驗 實驗儀器布置同圖6.2，僅將小平臺上的單縫衍射板以雙縫衍射板代替。調(diào)整過程也相同,由于衍射板橫向尺寸小，所以當(dāng)b取較大時，為了避免接收喇叭直接收到發(fā)射喇叭的發(fā)射波或通過板的邊緣過來的波，活動臂轉(zhuǎn)動角度應(yīng)小些。最后記錄數(shù)據(jù)并繪出曲線。圖6.3 邁克爾遜干涉實驗的基本原理4邁克爾遜干涉實驗邁克爾遜干涉實驗的基本原理見圖6.3，在平面波前進的方向上放置成450的半透射板。實驗儀器布置