產品品牌：

大華

產品型號：

VXI總線微波開關、信號源模塊

實驗五 微波實驗       微波技術是近代發展起來的一門科學技術，它不僅在通訊、原子能技術、空間技術、量子電子學以及農業生產等方面有著廣泛的應用，在科學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，卻又區別于兩者。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，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離，為雷達定位、導航等領域提供了廣闊的應用。     2．頻率高：微波的電磁振蕩周期(10^-9一10^-12s)很短，已經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備的線度與波長具有相近的數量級，在導體中傳播時趨膚效應和輻射變得十分嚴重，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(波導管、波導元件、諧振腔等)來代替。     3．微波在研究方法上不像無線電那樣去研究電路中的電壓和電流，而是研究微波系統中的電磁場，以波長、功率、駐波系數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^-6～10^-3eV，而許多原子和分子發射和吸收的電磁波的波長也正好處在微波波段內。人們利用這一特點來研究分子和原子的結構，發展了微波波譜學和量子電子學等學科，并研制了低噪音的量子放大器和準確的分子鐘，原子鐘。(北京大華無線電儀器廠)     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，為衛星通訊，宇宙通訊和射電天文學的研究和發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，還是在實際應用的微波系統的原理和結構上，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。   實  驗 目 的 1.       學習微波的基本知識； 2.       了解微波在波導中傳播的特點，掌握微波基本測量技術； 3.       學習用微波作為觀測手段來研究物理現象。     微波基本知識 一、電磁波的基本關系 描寫電磁場的基本方程是： ，    ，                    ⑴ 和 ，    ，    。                  ⑵   方程組⑴稱為Maxwell方程組，方程組⑵描述了介質的性質對場的影響。 對于空氣和導體的界面，由上述關系可以得到邊界條件(左側均為空氣中場量)      ， ，                                                ⑶      ， 。 方程組⑶表明，在導體附近電場必須垂直于導體表面，而磁場則應平行于導體表面。   二、矩形波導中波的傳播     在微波波段，隨著工作頻率的升高，導線的趨膚效應和輻射效應增大，使得普通的雙 導線不能完全傳輸微波能量，而必須改用微波傳輸線。常用的微波傳輸線有平行雙線、同軸線、帶狀線、微帶線、金屬波導管及介質波導等多種形式的傳輸線，本實驗用的是矩形波導管，波導是指能夠引導電磁波沿一定方向傳輸能量的傳輸線。     根據電磁場的普遍規律——Maxwell方程組或由它導出的波動方程以及具體波導的邊界條件，可以嚴格求解出只有兩大類波能夠在矩形波導中傳播：①橫電波又稱為磁波，簡寫為TE波或H波，磁場可以有縱向和橫向的分量，但電場只有橫向分量。②橫磁波又稱為電波，簡寫為TM波或E波，電場可以有縱向和橫向的分量，但磁場只有橫向分量。在實際應用中，一般讓波導中存在一種波型，而且只傳輸一種波型，我們實驗用的TE₁₀波就是矩形波導中常用的一種波型。        1．TE₁₀型波     在一個均勻、無限長和無耗的矩形波導中，從電磁場基本方程組⑴和⑵出發，可以解得沿z方向傳播的TE₁₀型波的各個場分量為 ，   ，     ，   ，     ，           ⑷ 其中：ω為電磁波的角頻率， ， 是微波頻率； a為波導截面寬邊的長度； β為微波沿傳輸方向的相位常數β=2π/λ_g； λ_g為波導波長， 圖2和式⑷均表明，TE₁₀波具有如下特點： ①存在一個臨界波長 ＝2α，只有波長λ<λ_C的電磁波才能在波導管中傳播 ②波導波長λ_g >自由空間波長λ。 ③電場只存在橫向分量，電力線從一個導體壁出發，終止在另一個導體壁上，并且始 終平行于波導的窄邊。 ④磁場既有橫向分量，也有縱向分量，磁力線環繞電力線。 ⑤電磁場在波導的縱方向(z)上形成行波。在z方向上， 和 的分布規律相同， 也就是說 處 也， 為零處 也為零，場的這種結構是行波的特點。 圖 2  TE₁₀波的電磁場結構（a）,（b）,(c) 及波導壁電流分布(d)  2．波導管的工作狀態 如果波導終端負載是匹配的，傳播到終端的電磁波的所有能量全部被吸收，這時波導 中呈現的是行波。當波導終端不匹配時，就有一部分波被反射，波導中的任何不均勻性也會產生反射，形成所謂混合波。為描述電磁波，引入反射系數與駐波比的概念，反射系數 定義為   。 駐波比ρ定義為：           其中： 和 分別為波腹和波節              圖 3（a）行波,（b）混合波,(c)駐波 點電場E的大小。                              不難看出：對于行波，ρ=1；對于駐波，ρ=∞；而當1<ρ<∞,是混合波。圖3為 行波、混合波和駐波的振幅分布波示意圖。          常用微波元件及設備簡介     1．波導管：本實驗所使用的波導管型號為BJ—100，其內腔尺寸為α＝22.86mm，b＝10．16mm。其主模頻率范圍為8．20～12．50GHz，截止頻率為6．557GHz。     2．隔離器：位于磁場中的某些鐵氧體材料對于來自不同方向的電磁波有著不同的吸收，經過適當調節，可使其對微波具有單方向傳播的特性(見圖4)。隔離器常用于振蕩器與負載之間，起隔離和單向傳輸作用。     3．衰減器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波導的寬邊，縱向插入波導管即成(見圖5)，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動吸收片可改變衰減量的大小。衰減器起調節系統中微波功率以及去耦合的作用。 圖 4 隔離器結構示意圖                 圖5  衰減其結構示意圖   本公司經營VXI總線微波開關、信號源模塊，質量保證，歡迎咨詢洽談。