《微波技术实验》word版

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1、微波技术实验微波技术是近代发展起来的一门尖端技术，以其高效、均匀、节能、环保等诸多优点受到普遍关注，在科学研究中也是一种重要的观测手段，并广泛应用于国防军事、科学研究、医疗卫生等领域。随着社会向信息化、数字化的迈进，作为无线传输信息的主要手段，微波技术将发挥更为重要的作用。本实验旨在通过观测微波的产生和传播的特性，使同学们了解微波的基本知识，掌握常用微波元器件的原理和使用方法，学习若干种微波测量方法，并理解微波通信的基本原理，为从事与微波有关的工作打下基础。一、微波的性质微波是无线电波中波长最短的电磁波，其波长在1mm～1m范围，频率范围处于光波和广播电视所采

2、用的无线电波之间，为300MHz～300GHz。微波又分为分米波、厘米波和毫米波。微波具有电磁波的一切特性，但因其波长的特殊性，微波在产生、传输、接收和应用等方面跟其他波段很不相同，具有下述几个独特的性质，主要表现在：（1）波长短。其波长比地球上一般物体的几何尺寸小得多或在同一数量级上，具有直线传播的特性。利用这个特点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，从而确定物体的方位和距离，广泛用于通信、雷达、导航等领域。（2）频率高。微波的频率很高，电磁振荡周期（10-9~10-12s）很短，与电子在电真空器件中的

3、渡越时间相似。因此，低频的电子器件在微波阶段都不能使用，而必须采用原理上完全不同的微波电子管、微波固体器件和量子器件来代替。在不太大的相对带宽下可用带宽很宽，所以信息容量大。此外，作为能量，可用于微波加热、微波武器等。（3）量子特性。在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV，能被很多的原子分子吸收或发射，成为研究物质结构的重要手段，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并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。（4）似光性，微波介于一般无线电波与光波之间，它不仅具有无线电波的性质，还具有光波的性质，以光速直线传播，有反射、

4、衍射、干涉等现象。（5）在微波波段的电波能穿透电离层。微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯、导航、定位及射电天文学的研究和发展提供了广阔的前景，进行外太空通信（卫星、宇航、射电天文学等）。综上所述，微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。而且，微波实验是近代物理实验的重要组成部分，在研究方法上不像无线电那样去研究电路系统中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波比等特性作为基本测量参量。二、微波的传输特性1．矩形波导中的T

5、E10波在微波波段，为了避免导线的辐射损耗和趋肤效应等影响，一般采用波导管（微波在设备内传递的通道）作为微波传输线。矩形波导管是较常用的传输线，它能传输各种波型的横电波（TE波）和横磁波（TM波）。在本实验中，使用的标准矩形波导管为通常教学上使用的“3厘米”波导管，其采用的传输波型是TE10波，即只传输单一波型。该波型具有单模传输、频带宽、低损耗、模式简单稳定、易于激励和耦合等优点，因此应用广泛。设矩形波导管内壁为理想导体且波导管沿轴方向为无限长，截面宽边为、窄边为，电磁波以圆频率自波导开口端沿轴方向传输。由Maxwell'sequations可得矩形波导中T

6、E10波的各电磁场分量为：其中，常用来描述电磁波在波导管中传播时的传输特性参量有：电磁波的圆频率：；相移常量：；图1TE波的场结构透视图波导波长：；截止（临界）波长：；电磁波在自由空间的波长：，为电磁波的频率。TE波整体场结构分布如图1所示，其具有以下特性：（1），，即电场垂直于波导的宽边（因此是线偏振的），磁场平行于波导的宽边。电力线从一导体壁出发，终止在另一导体壁上；磁力线则环绕电力线，形成闭合曲线。电场只存在横向分量，即始终垂直于波导中波的传播方向；磁场则既有横向分量，也有纵向分量。这是与自由电磁波不同的，自由电磁波的电场和磁场都只有横向分量。（2）沿方

7、向为一个驻立半波，沿方向为均匀分布；（3）电磁场沿方向为行波状态，在该方向，电磁场分量与的分布规律相同（即最大处也最大，为零处也为零），与的位相则相差。（4）存在有一个临界波长，只有其自由空间的波长的电磁波才能在此宽边为的矩形波导管中传播。同时，由于，因此TE波的相速。由以上可以看出“TE10”波的含义：“TE”表明电场纵分量，第一个角标“1”表明场沿波导宽边只有一个最大值，即形成一个驻波；第二个角标“0”表明场沿波导窄边没有变化。2．微波传输的工作状态为描述电磁波在波导管中的传输状态，引入反射系数与驻波比的概念。反射系数定义为：驻波比定义为：其中，和分别为波

8、腹和波节处电场的大小。在实际应用中，波