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1、微 波 实 验,MICROWAVE EXPERIMENTS,大学物理实验中心李倩,微波基础,什么是微波微波的特点微波的应用,微波基础何为微波,微波是无线电波中波长最短的电磁波，它包括从.的波长范围，其频率范围从。划分为四个波段，如下表所示：,微波基础微波的特点,波长极短，它与所使用的元件、设备的尺寸可比拟。比地球上一般物体的几何尺寸小得多或在同一数量级上。微波的频率很高，在不太大的相对带宽下可用带宽很宽，所以信息容量大。并且在微波波段的电波能穿透电离层。微波的振荡周期极短，与电子在电真空器件中的渡越时间相似。所以低频的电子器件在微波段都不能使用。似光性，微波介于一般无线电波与光波之间，它不仅具
2、有无线电波的性质，还具有光波的性质，以光速直线传播，有反射、衍射、干涉等现象。,微波基础微波的应用,微波应用始于世纪三十年代，开始主要是通信和雷达。微波通信特点是信息容量大，抗干扰能力强。利用被测物体的介电常数、导磁系数、电阻率与周围物质的差异而产生的反射信号，可制成探地雷达、汽车雷达等。人们利用微波的热效能和生物效能，还与别的产业相结合，形成一些新的边缘学科，如：微波气象学、微波射电天文学、微波波谱学、微波生物学等等。,微波实验的目的要求,目的：学习微波基本知识和掌握微波基本测量技术；学习用微波作为观测手段研究物理现象。要求：在微波知识方面要求掌握（1）速调管的原理、结构、工作特性和微波信号
3、源的使用方法；（2）波导管的工作状态；（3）谐振腔的振荡模式、谐振曲线方程；（4）三种基本测量驻波、功率和频率的测量。在科学研究手段方面要求（1）了解观测的物理现象和测定的物理参数；（2）掌握测量原理、实验条件和测量方法；（3）分析实验结果并做必要的讨论。,微波器件,微波器件的种类很多，这里介绍一些实验室通常用到的器件，它都适用于三公分系统。,微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高（300MHz300GHz），要求振荡回路具有非常微小的电感与电容，故不能用普通电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。下面只介绍速调管（一）反射式速调管反射
4、式速调管是一种微波电子管，利用速度调制方法改变在交变电磁场中电子流的运动速度，从而将直流能量转换为微波能量。它的振荡频率能在一定的范围内改变，且容易调谐，并能做脉冲和频率调制。反射速调管的结构如图：反射式速调管的结构原理图反射式速调管K-27的结构和管座图,阴极发射电子经直流加速电压加速，以初速度v。通过谐振腔栅网间隙驰向反射极。因反射极对阴极为负电压，所以使电子减速，最后将发射电子折返穿过谐振腔栅网。由于热扰动等原因，谐振腔栅网存在一高频交变场,初速为v。的电子穿过栅网时将因受高频电场作用而加速或减速，如图所示。当高频电场为正时，穿过栅网的 电子 受到加速；高频场为负时，穿过栅网电子 受到减
5、速；而高 频场为零时，穿过栅网的电子 速度不变，这就是速度调制。当电子群回到谐振腔栅网间隙的时候，遇到腔内减速高频场就可把能量交给高频场，从而使速调管维持振荡。当群聚中心电子从穿出栅,网到返回栅网的渡越时间满足式0()(，)时,发生最强的振荡，式中为高频振荡周期，为振荡模式，受反射级电压大小控制。,（二）微波检波二极管微波系统中常用硅材料的二极管对输出信号进行检波，将微波二极管（检波晶体）插入波导宽壁中，使它对波导两宽壁间的感应电压（与该处电场强度成正比）进行检波。其伏安特性中电流与电压的关系式中：比例常数二极管的检波率检波二极管的伏安曲线可分二段来考虑,(a)小信号段：曲线呈非线性n=2（称
6、：平方律检波）(b)大信号段：曲线近似直线n=1（称：线性检波）（三）矩形波导 波导管是引导电磁波传播的空心金属管，一般是由铜或铝等良导体材料制成，内表面渡银后可提高导电率，银层上再渡铑或金可防止银层氧化。波导管的加工非常精密，内表面光洁度要求很高，能避免电磁波多次反射而产生的高次寄生波。常用的有矩形和圆形两种。矩形波导的宽边定为X方向，内尺寸用a表示，窄边定为,y，内尺寸用b表示，电磁波是沿z方向传播。为方便对波导内场型的了解，通常将x、y方向称为“横向”，z方向称为“纵向”。a与b的数值一般取：三公分的矩形波导内尺寸应为：（四）隔离器微波隔离器是一种特殊的衰减器，隔离器对入射波的衰减很小，
7、对反射波的衰减则很大，两者之比值称为“隔离度”。使用隔离器目的在于减小因负载阻抗变化对振荡频率带来的影响。一般在矩形波导的横向加上恒定磁场，,放置在波导横向的铁氧体片恰好能与反射波产生铁磁共振，继而抑制了反射波，而入射波不会产生这种共振吸收。但在做成器件后，隔离器对入射波也会产生一些正向衰减，约为1dB，对反射的反向衰减则大于20dB。使用时务需认清箭头方向以免装错。（五）可变衰减器 可变衰减器可被用来连续改变传输线路中的功率电平，也可当作振荡器与负载之间的去耦器件。在矩形波导内安置的吸收片应平行于电场的极化方向，并能做横向的移动。通常，在不需要做功率衰减时，吸收片是紧帖在波导管窄壁上。吸收片
8、移到宽边中央时，功率衰减最大，吸收片移动的位置可由衰减器上方刻度盘中显示出来。可变衰减器刻度盘上的读数与衰减量之间的关系可用功率计测定。,（六）测量线微波测量线是一种通用的微波测量仪器。对微波信号 的检测中虽然可以在输出波导管 的后部装接检波器或功率计等器 件，但这些负载在接入终端后驻 波比的改变是在四周封闭的波导 管内无法检测到的。为解决这一问题，必需在矩形波导管宽边中央，沿波导轴向开启一个能使耦合探针移动的长槽。检波头的探针越槽伸入波导内，并由传动机构带动着沿槽移动。波导中的高频信号经探针耦合后，再经测量线内部检波二极管检波，就能输出一个与场强相对应的信号。,微波测量,一、微波测试系统的认
9、识与调试1、了解微波测试系统（如上图）等效电源部分(即发送器)测量装置部分(即测量电路)指示器部分(即测量接受器)2、直观了解反射式速调管振荡器特性。,A、按正确步骤开启电源，改变反射极电压，观测速调管的各个振荡模（要求：VR从-300V变化到-580V）。描绘草图，注明各个振荡模的峰值以及始点、峰值和终点所对应的反射极电压值。B、逐点测量速调管最佳振荡模的功率P和反射极电压VR的关系曲线，以及频率和反射极电压VR的关系曲线。缓慢调谐直读式频率计，仔细观察功率计的变化，当指针出现一突降，频率计在指针最小偏转时的读数即为速调管振荡源的工作频率，记录频率计的读数。随即使频率计失谐。注意事项：1、将
10、速调管电源置预热位置，预热至分钟。谐振腔电压300），此时mA表上示出谐振腔电流。2、反射速调管工作在等幅振荡时，应避免反射极电压为零值,以延长管子的使用寿命。3、实验完毕，应首先切断反射速调管谐振腔电压，然后断开电源电压。,二、测量线调整与晶体检波器校准,1、熟悉测量线的使用方法。(1)驻波测量线的调整(2)波长测量测量波长常见的方法有谐振法和驻波分布法。后者是用驻波测量线测量，当测量线终端短路时，传输线上形成纯驻波,移动测量线探针，测出两个相邻驻波最小点之间的距离，即可求得波导波长。.2、掌握校准晶体检波器特性的方法。在测量驻波比时，驻波波腹和波节的大小由检波晶体的输出信号测出。晶体的检波
11、电流I和传输线探针附近的高频电压E的关系必须正确测定。根据检波晶体的非线性特征，可以写出I=k1En,(1)令驻波测量线终端短路，此时沿线各点驻波振幅与终端距离的关系为E=Emsin2l/g E/Em=sin2l/g 得=K”sin2l/g n 按E/Em和随d的变化规律,即可做出下图 在 g/4范围内移动探针,使其偏离驻波节点不同位置l,选取场强相对值 Isin2d/g I=0.1,0.2,0.3,1.0,各点读取指示电表读数,即能做出 sin2d/g 关系曲线,也就是晶体二极管定标曲线,由上式算出 随d的分布 测出 相应的 分布（约10个点）作出晶体 校准曲线 由于 所以 两边取对数 所以
12、晶体检波率n由校准曲线斜率求得,(2)测量线终端短路,测出半峰值读数间的距离W，如图所示,则n=log0.5/logcos(W/g)根据测定的晶体检波律,即能得到晶体平方律检波的工作范围。实验中大多数微波测试系统属于小信号工 作状态,因此，晶体检波律基本为平方律，如果不是精密测量，通常可取n=2。,三、观察波导管的工作状态一般说，波导管中存在入射波和反射波。描述波导管中匹配和反射程度的物理量是驻波比或反射系数。由于终端情况不同，波导管中电磁场的分布情况也不同，可以把波导管的工作状态归结为三种状态；匹配状态、驻波状态和混波状态，它们的电场分布曲线分别如图a、b、c所示。练习调节匹配，测量小驻波比
13、和中驻波比 A：直接法 该方法适用于测量中、小驻波比。如果驻波腹点和节点处指示电表读数分别为max和min，晶体二极管为平方律检波。,则,当驻波比1.051.5 驻波的最大值和最小值相差不大,且波腹和波 节平坦,难以准确测定.为了提高测量精确度,可移动探针测出几个波腹和波节点的数据,然后取平均值。B：观察驻波图形，测定波导波长。改变终端负载，驻波测量线终端接近全反射，观察驻波图形，并用平均值法测定波节的位置，要求测三个相邻波节（两个g/2之差0.10mm），决定波导波长。利用频率计测量频率，以便计算光速和群速度。,四、微波法测介电常数,随着微波系统固体小型化和隐身技术吸收材料研究的发展，固体材料的微波介电常数的测量和机理研究成为人们注目的课题。微波介质材料的介电常数的测量，对于研究材料的微波特性和设计微波器件，获得材料的结构信息以促进新材料的研制都有重要的意义。通过实验，一方面用示波器观察速调管的振荡模和反射式谐振腔的谐振曲线，掌握有关速调管和谐振腔的工作特性的知识；另一方面学习用谐振腔法测量介电常数的方法。,原理：当把小样品放到谐振腔中时，会可算出,”和tg=”/,=-j”,
