《微波多媒体》PPT课件.ppt

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1、2006届本科毕业论文,微波多媒体课件制作,主要内容,微波基本知识 微波基本元件简介反射式速调管的特性和波导管的工作特性铁磁共振,微波的特点,第一.微波波长很短。具有直线传播的性质，能在微波波段制成方向性极强的无线系统，也可以接收到地面和宇宙空间各种物体发射回来的微弱回波，从而确定物体的方向和距离。这使微波技术广泛的应用于雷达中。第二.微波的频率很高，电磁振荡周期很短。比电子管中电子在电极经历的时间还要小。普通电子管不能用作微波振荡器、放大器和检波器，而必须用原理上完全不同的微波电子管来代替。第三.许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长正好处在微波波内。用这特点研究分子和原子的结构，发展了微波

2、波谱学和量子无线电物理学等尖端学科,还研制了低噪音的量子放大器和极为准确的分子钟与原子钟。第四.微波可以畅通无阻的穿过地球上空的电离层。微波波段 为宇宙通讯、导航、定位及射电天文学的研究和发展提供了广阔的前景。,基本知识,微波传输线,一.波导管:引导电磁波传播的空心金属管.在波导管中不可能传播横的电磁波。二.矩形波导管中的TE10波1在无耗，均匀和无限长的矩形波导管中，TE10波的电磁场分量为：位相常数(2);波导波长(3)临界波长(4);自由空间波长(5),（1）,基本知识,反射系数 定义：波导出某横截面出的电场反射波与入射波的复数比称为反射系数。即：驻波比 定义：波导中驻波电场最大值与驻波

3、最小值之比称为驻波比。即：,谐振腔,用途 1.作为储存微电磁能量和具有谐振特性的振荡回路。例如微波测量系 统中常用的空腔波长计和反射式速调管中的谐振腔等。2.提供一个电场或磁场集中的区域，以便电 磁场和物质相互作用。例 如在铁磁共振实验中的矩形谐振腔等。矩形谐振腔 谐振条件：谐振频率：,基本知识,品质因数Q定义为:如果腔内的介质损耗可以忽略,则,此时腔的有载品质因数 为:(1)取倒数(2),定义:(3)(4)(5)则(2)变为(6)定义:(7),由（6），（7）得（8）谐振腔的固有品质因数可以用下式作近似估计：（9）为腔壁的趋肤深度.谐振腔的谐振特性也可用谐振曲线来表示，谐振腔的Q值越高，谐振

4、曲线越窄，频率选择性好。可以证明谐振腔的品质因数等于谐振曲线的中心频率与半功率点的频率宽度比，即(10),微波信号源,一.反射式速调管振荡器结构(1)反射式速调管反射式速调管的结构原理如图。1.阴极用来发射电子;2.谐振腔相对于阴极处在正电位,利用耦 合环和同轴线输出微波功率;3.反射极相对于阴极处在负电位。,基本知识,(2)稳压电源 由于反射式速调管各个电极的工作电压要求不同的数值和极性,对电源稳压度的要求也很高.为了满足阳极和反射极的不同要求,线路必须设计成两个单独的整流电源来分别供给。整个速调管电源包括提供阳极电压,反射极电压和灯丝电压等部分。(3)高频结构 速调管插座是微波测试设备中的

5、微波型号源，在波导管上安装有反射式速调管的管座，速调管的输出同轴探针通过波导管宽壁上小孔插入示波管内，输出微波功率。速调管与波导管的耦合程度可以借助于适当的机构使速调管作上下移动，以改变同轴针伸入波导管的深度。调节装在波导一端的短路活塞，可以使波导管中有最大的输出功率波导的另一端接有隔离器和可变衰减器，然后再和测量线路连接。,工作原理 阴极发射的电子被谐振腔的正电子加速，直流电源的能量转变成真空中运动电子的能量，电子在加速电场的作用下飞入了谐振腔，在腔中激起感应电流脉冲，使谐振腔中产生了振荡，因而在两个栅网间产生了一个微弱的微波电场。穿过栅网的电子受到微波电场的作用，电子受到速度调制。在正半周

6、内电子受到微波电场的加速，微波电场把能量传给电子；在负半周内电子受到微波电场的减速，微波从电子取得能量。因为电子是均匀连续的从阴极出发，所以在正半周内电子取得的能量等于负半周内电子失去的能量。总的来说，微波电场净得能量为零，微波振荡不能持 续.,.工作特性 1反射式速调管并不是在任意的反射极电压数值都能生振荡只有在某些特定的反射极电压值才能振荡。个有振荡输出功率的区域，叫做速调管的振荡模。2对每一个振荡模，当反射极电压变化时，速调管的输出功率 和振荡模频率f都随之变化；在振荡模中心的反射极电压上，输出功率 最大，而且输出功率和振荡频率随反射极电压的变 化也比较缓慢。3输出功率最大的振荡模，叫做

7、最佳振荡模，为了使速调管具 有最大的输出功率和稳定的工作频率，通常使速调管工作在 最佳振荡模的中心反射极电压上。4各个振荡模的中心频率相同，通常称为速调管的工作频率。,二.微波信号源的使用正确使用步骤：(1)首先加上灯丝电压(6.3伏)，预热足够时间（约5-10分钟）后，才允许加其它电压注意反射极电压相对于阴极不能为零或正值。谐振腔电压调节到规定值；(2)然后调节反射极电压使速调管发生振荡，并使速调管工作在所需的频率，则可慢慢地进行机械调谐，并调整反射极电压，直到速调管处在最佳的连续工作状态。如果需要对速调管进行调制，则在“连续状态”的基础上，加上所需调制方式“方波”或“锯齿波”，这就是“方波

8、调幅状态”或“锯齿波压频态”。速调管的机械调谐旋钮在调节到一定频后，不要随意旋动。频率重调后约需15分钟才能稳定。在使用波长计测量速调管的工作频率后，必须将其旋转12圈，使其失谐。,微波测量,一.驻波测量 原理:探针在开槽传输线中移动，将一小部分功率耦合出来，经过晶 体二极管检波后由指示器指示，从而看出开槽线中电场的分 布情况.(1)小驻波比的测量:驻波波腹和波节都不尖锐，要多测几个波腹和波节，按下式计算 平 均值：(1)当检波晶体满足平方律时，(2),基本知识,（2）中驻波比的测量：此时只需测一个驻波波腹和一个驻波波节，按下式计算：(3)平方律时(4)（3）大驻波比的测量：波腹振幅与波节振幅

9、的差别很大测量线不能同时测量波节，因 此必须采用别的测量方法-二倍极小功率法。使用平方律的检波晶体管，利用探针测量极小点两旁功率为极小 点 功率 二倍的两点的距离W，以及波导波长，按下式计算驻 波比：,（4）波节位置和波导波长的测量 如果极小点不太容易找出时，可在它附近测两点的距离坐标，此二点在指示器上的指示相等，然后取这两点坐标的平均值.即(6)波导波长由两个邻近极小点的距离决定：,二.功率的测量 微波功率测量方法：(1)相对功率测量；(2)绝对功率测量。在小功率情况下，当检波电流不超过510微安时，检波晶体管可定为平方律检波，即检流计测得的检波电流与微波功率P成正比。(8)（是常数）如果微

10、波元件的输入端功率为，输出端功率为，则定义：衰减量（分贝）(9)当测量的微波输入功率变化时，可调节精密衰减器的衰减量使检波晶体管的检波电流始终保持一个衡定值，则由精密衰减器的衰减量的大小便可精确的知道输入功率的相对值。,（如图所示）给出进行相对功率测量的线路，用它来测量微波器件的插 入损耗A。如果检波晶体是平方律检波，则它的检波电流即表示相对功率。在微波器件未插入前，调节测量线路使系统的驻波比，改变衰减器的衰减量，使晶体管的检波电流为（例如=100），则微波器件的插入损耗为：(10),三.频率测量微波频率的测量方法：1.谐振法;2.频率比较法.谐振波长计与微波系统连接:1.传输型（最大读数法）

11、图;2.吸收型（最小读数法）图。,图,图A,常用的微波元件简介,隔离器 驻波测量线 选频放大器 可调矩形反射腔微波源 反射式谐振腔,衰减器晶体检波器 磁共振实验仪 传输式谐振腔匹配负载特斯拉计,隔离器,位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收,经过适当调节,可使其对微波具有单方向传播的特性。它的作用相当于普通电路中二极管,基本元件,衰减器,把一片能吸收微波能量的介质片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小，使输入电磁波得到不同程度的衰减,基本元件,晶体检波器,检波晶体将微波信号转换成直流信号来检测。从波导宽壁

12、中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调节其短路活塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率。通常还配有三个调节螺丝，用来改变检波器同波导的匹配。,基本元件,驻波测量线,测量微波传输系统中电场的强弱布的精密仪器。在波导中的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。探针可沿波导移动，则输出信号显示出波导中电场沿传播方向的变化。,基本元件,选频放大器,XF-1C选频放大器为实验室用测量仪器，本仪器用于测量微弱低频信号，配合微波测量线测量驻波系数，配合微波检波器进行衰减测量等。信号经

13、升压、放大，选出1KHz附近的信号，经整流平滑后由输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。,基本元件,可调矩形反射腔,样品腔采用可调矩形反射腔。与反射式谐振腔不同的是，可调矩形反射腔的末端是可移动的活塞，调节其位置，可以改变谐振腔的长度，腔长可以从带游标的刻度连杆读出。为了保证样品处于微波磁场最强处，在谐振腔宽边正中央开了一条窄槽，通过机械传动装置可以使样品处于谐振腔中的任何位置。样品在谐振腔中的位置可以从窄边上的刻度直接读出。谐振腔发生谐振时，腔长必须是半个波导波长的整数倍。,基本元件,磁共振实验仪,在电子自旋共振和铁磁共振实验中为样品提供可变的稳恒磁场及扫描磁场。,基本元件,

14、传输式谐振腔,传输式谐振腔是一个封闭的金属导体空腔，由一段标准矩形波导管，在其两端加上带有耦合孔的金属板，就可构成一个传输式谐振腔。,基本元件,匹配负载,波导中装有很好地吸收微波能量的介质片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。,基本元件,微波源,DH1121A型三厘米固态信号源由体效应管 振荡器、可变衰减器、PIN调制器、隔离器、调制电路及电源组成，它提供所需微波信号，频率范围在。,基本元件,反射式谐振腔,采用反射式矩形谐振腔来测量微波介质特性。反射式谐振腔是把一段标准矩形波导管的一端加上带有耦合孔的金属板，另一端加上封闭的金属板,基本元件,特斯拉计,特斯拉计（高斯计）是用于测量磁场强度的一

15、种仪器。本机所用探头为砷化镓霍尔器件，其感磁面积为，因此有很高的空间磁场分辨率，可以测量电磁体的空间磁场分布，可测出磁场细微分布。,基本元件,反射式速调管的特性和波导管的工作特性,一.实验内容和步骤.实验任务：利用图所示的实验线路进行下列实验：(1).观察速调管的各个振荡模；(2).测量最佳振荡模的曲线和曲线；(3).测量小驻波比和中驻波比；(4).测量波导波长;(5).测量驻波曲线的晶体检波律,实验步骤 按正确步骤开启电源，使速调管处于最佳工作状态。调节短路活塞，匹配螺钉和双T调配器使晶体检波器接头的输出为最大。改变反射极电压，观察速调管的各个振荡模。（描绘草图，注明各个 振荡模的始点，峰值

16、和终点对应的反射极电压值。）逐点测量速调管最佳振荡模的功率和反射极电压的关系曲线、以及频 率和反射极电压的关系曲线。（利用晶体检波接头测量相对功率，用 频率计测量频率）。把反射极电压调到最佳振荡模峰值对应的值上，并固定下来，以便在 工作频率情况下进行波导管工作状态的实验。调整好驻波测量线。利用双T调配器改变测量线终端的状态，测量中驻波比和小驻波比。在驻波测量线终端接上短路活塞，观察驻波图形，并用均值法测波节 位置，利用两个相邻波节的位置距离决定波导波长。测量两个相邻波节之间的驻波曲线（选做）,二.数据处理(1)绘出几个振荡模的草图；(2)绘出最佳振荡模的曲线和曲线；(3)计算最佳振荡模中心频率

17、对应的工作波长；(4)计算最佳振荡模的电子调谐范围和平均电子调谐率；(5)利用频率计测得的自由空间波长，代入下式：(6)画出驻波曲线I(L)，并作检波晶体管I/E/的曲线，求出检波律 n（选做）。,铁磁共振,一 实验目的：(1).了解并观察铁磁共振现象；(2).测量YIG单晶铁氧体材料的旋磁化和共振线宽。二 实验原理：磁性物质的磁性：物质的磁性来源于原子的磁矩。在铁磁性物质中，原子磁矩来源于未满壳层中未配对电子的自旋磁矩，这可由实验测得 g=2 的事实来证实。铁磁性物质中电子是束缚电子，自旋之间存在静电交换作用，在内部形成许多磁矩取向一致的微小自发磁化区磁畴。通常情况下每个磁畴无规则的排列着，

18、整体效果对外不显磁性。当外磁场作用时，各磁畴逐渐趋向外磁场方向，对外表现出磁性。在足够强的外恒磁场作用下，即可达到饱和磁化。引用磁化矢量表示铁磁性材料样品中全体电子自旋磁矩的集体行为，简称系统。,外磁场对铁磁性物质的作用(1)量子力学观点 根据量子力学理论，系统 在外磁场 中分裂为若干Zeeman能级，这时再加交变电磁场的作用，若其能量 等于系统的相邻Zeeman能级间的能量差时，则系统 发生吸收跃迁，即铁磁共振吸收。（1）例如:当直流恒磁场频率约为3000Oe时，交变磁场频率兆赫，即在微波段中观察到铁磁共振吸收现象。,(2).经典力学观点 铁磁性物质在直流磁场 及微波场 的同时作用下，系统

19、的经典力学运动方程为：(2)和 成正比，即：（3）比例常数r为旋磁比，它与电子的运动特性无关，只依赖于电子的荷质比，即(4),电子带负电荷，故磁矩和自旋动量矩的方向相反。则：（5）由（5）式很容易得到系统 的自由进动频率。并使，则得到：（6）（6）式中再对t微分一次，得到 和 的振动方程：（7）,铁磁共振实验装置图,三实验内容及方法测量YIG的旋磁比r(1)开启各部分电源，预热20分钟；(2)把微波顺磁共振仪的“调制”开关扳到“50HZ”档，调该旋钮使电表 指示最大并把当大档开关扳下（直通）；(3)把厘米波信号发生器工作状态置于“连续”状态，调“反射极电压”得到信号源的最佳工作模，用频率计定出

20、其中一个点频（一般选在 最佳模的峰值处）；(4)调样品谐振腔的可调终端活塞，使腔体的吸收峰与频率计的吸收 峰重合一致。（调腔体的吸收峰时应将尽量把终端活塞放置在腔体 的终端处，调好 吸收峰后终端活塞位置就不要在动了。）(5)读出此时的频率值，此值为微波工作频率，减小50HZ调制电流，使振荡模消失，示波器上只剩下两条稳定的曲线；(6)再把“调制”开关扳到“200HZ”处，调电流大小使，示波器上出现 较宽的4000根等幅线；,（7)启动电磁铁稳流源，然后徐徐一边调节磁化电流，一边观察示波器，当在4000根等幅线条上下出现包络（此包络只与磁场有关），则停止 调电流，此包络便是共振信号；调磁化电流时应

21、先“粗调”后“细调”，当磁化电流“换向”或“关闭”稳流源 时，应先将磁化电流调为0方可；（8)把微波顺磁共振仪上的放大开关扳到“放大”处，此时看到的就是电子 自旋共振信号，调“移相”使两共振信号重合，调“衰减”使共振信号在 示波器上，通过调磁场，使共振信号显示在示波器的屏幕正中；(要想得到满意的共振信号，可通过反复调双T，样品的位置200KHZ 调制电流的大小)（9)将高斯计探头放在样品所在处，一边徐徐减小调场电压，一边改变稳 流源磁化电流，使共振信号始终出现在示波器屏幕正中，直到调场示 为0，再测出外磁化场；(10)根据实验讲义要求测出g 因子（）；(11)测出波导波长.,测量谐振线宽实验测

22、到的样品吸收功率值和Hz的关系曲线实际上反映是 HZ的共振曲线。因此在实验中，只要改变直流磁场，测出谐振腔的相对功率输出P与磁场的关系曲线，根据P0和Pr值测出对应的相对功率输出所对应的两个磁场之差即为共振线宽。(8)测量时，先在示波器上调出对称并布满示波器可见部分的共振信号，然后将检流计接到晶体检波器上，徐徐改变稳流源“电流细调”旋钮测出对应的H值和检流计所反映的相对功率P值。从而得到共振区的PHZ曲线。同时记下远离共振区时的输出功率P0，代（8）求出 所对应的H1、H2，于是所求的线宽(9),参考文献,1吴思诚、王祖铨.近代物理实验（基本实验）.北京大学 出版社.1984 2范树礼.微波元件及测量.人民教育出版社.1961 3沈致远.微波技术.国防工业出版社.1980 4北京邮电学院微波教研组.电磁场理论及微波技术基础.人民邮电出版社.1961 5李萌远、李国栋.铁氧体物理学.科学出版社.1978 6林木欣.近代物理实验教程.科学出版社.1999 7陈振国.微波技术基础与应用.北京邮电大学出社.1996 1/00001/,谢谢观看,