微波实验.ppt
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1、微微 波波 实实 验验MICROWAVE EXPERIMENTSMICROWAVE EXPERIMENTS大学物理实验中心大学物理实验中心李倩李倩微波基础微波基础什么是微波微波的特点微波的应用微波基础微波基础何为何为微波微波微波是无线电波中波长最短的电磁波,它包括从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,其频率范围从的波长范围,其频率范围从。划分为四个波段,如下表所示:。划分为四个波段,如下表所示:波段名称波段名称波长范围波长范围频率范围频率范围()()频段名称频段名称分米波分米波1 1 1 1.超高频超高频超高频超高频厘米波厘米波特高频特高频特高频特高频毫米波毫米波极高频极高
2、频极高频极高频亚毫米波亚毫米波.超级高频超级高频超级高频超级高频微波基础微波基础微波的特点微波的特点 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。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,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。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。
3、所以低频的电子器件在微波段都不能使用。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,它不仅具有似光性,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,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。有反射、衍射、干涉等现象。微波基础微波基础微波的应用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。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、电阻率与周围利用被测
4、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。达等。人们利用微波的热效能和生物效能,还与别的产业相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。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。微波作为观测手段研
5、究物理现象。要求:在微波知识方面要求掌握(在微波知识方面要求掌握(1 1)速调管的原理、结构、)速调管的原理、结构、工作特性和微波信号源的使用方法;(工作特性和微波信号源的使用方法;(2 2)波导管的工作)波导管的工作状态;(状态;(3 3)谐振腔的振荡模式、谐振曲线方程;()谐振腔的振荡模式、谐振曲线方程;(4 4)三)三种基本测量种基本测量驻波、功率和频率的测量。驻波、功率和频率的测量。在科学研究手段方面要求(在科学研究手段方面要求(1 1)了解观测的物理现象)了解观测的物理现象和测定的物理参数;(和测定的物理参数;(2 2)掌握测量原理、实验条件和测)掌握测量原理、实验条件和测量方法;(
6、量方法;(3 3)分析实验结果并做必要的讨论。)分析实验结果并做必要的讨论。微波器件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
7、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
8、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: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
9、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,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
10、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
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