微波基本参数的测量—原理

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1、微波基本参数的测量一、实验目的1、了解各种微波器件；2、了解微波工作状态及传输特性；3、了解微波传输线场型特性；4、熟悉驻波、衰减、波长（频率）和功率的测量；5、学会测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。二、实验原理微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。要对这些参数进行测量，首先要了解电磁波在规则波导内传播的特点，各种常用元器件及仪器的结构原理和使用方法，其次是要掌握一些微波测量的基本技术。１、导行波的概念：由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。导行波的电场E或磁场H都是x、y、z三个方向的函数。导行波可分成以下三种类型：(A)横电磁波（TEM波）：TEM波

2、的特征是：电场E和磁场H均无纵向分量，亦即：,。电场E和磁场H，都是纯横向的。TEM波沿传输方向的分量为零。所以，这种波是无法在波导中传播的。(B)横电波（TE波）：TE波即是横电波或称为“磁波”（H波），其特征是,而。亦即：电场E是纯横向的，而磁场H则具有纵向分量。(C)横磁波（TM波）：TM波即是横磁波或称为“电波”(E波)，其特征是，而。亦即：磁场H是纯横向的，而电场E则具有纵向分量。TE波和TM波均为“色散波”。矩形波导中，既能传输波，又能传输波（其中m代表电场或磁场在x方向半周变化的次数，n代表电场或磁场在y方向半周变化的次数)。２、波导管：波导管是引导微波电磁波能量沿一定方向传

3、播的微波传输系统，有同轴线波导管和微带等，波导的功率容量大，损耗小。常见的波导管有矩形波导和圆波导，本实验用矩形波导。矩形波导的宽边定为x方向，内尺寸用a表示。窄边定为y方向，内尺寸用b表示。波以圆频率自波导管开口沿着z方向传播。在忽略损耗，且管内充满均匀介质（空气）下，波导管内电磁场的各分量可由麦克斯韦方程组以及边界条件得到：，，，其中，位相常数，波导波长。3、波导管中的微波参数：(1)临界波长：矩形波导中传播的色散波，都有一定的“临界波长”。只有当自由空间的波长小于临界波长c时，电磁波才能在矩形波导中得到传播。波或波的临界波长公式为：。(2)波导波长和相速V、群速Vc：图1平面波的传播

4、色散波在波导中的波长用表示。波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速度称为相速V。群速Vc是表示能量沿波导纵向传播的速度，其关系为。因为，波导中电磁波是成“之”字形并以光速传播的。所以，波导波长将大于自由空间的波长。同时，相速V也大于光速C。它们之间的相互关系为：，图1示出了电磁波在波导中传播的方向。(3)反射系数和驻波比：波导终端接入负载后，由于负载性质的不同，电磁波就将在终端产生不同程度的反射。如用Zc表示传输线的特性阻抗，用ZL表示负载阻抗。则反射系数为：可见，反射系数是个复数。当特性阻抗与负载阻抗相等（即接入匹配负载）时：=0,入射波全部被负载吸收而无反射。当终端短

5、路（微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即）时：=1，入射波被负载全部反射。微波技术中，还经常使用驻波比来描述传输线阻抗匹配的情况。波导中驻波比被定义为：波导中驻波电场最大值和电场最小值之比，即:，驻波比与反射系数之间的关系应为：。由此，从图2中(a)、(b)、(c)可看出电场在波导中的分布情况。(a)在负载匹配情况下有：=0及=1；波导中传播的是“行波”，其幅值为；(b)在负载短路情况下有：=1及；波导中传播的是“纯驻波”，其幅度值为；(c)在其它任意负载下有：0<<1及1<<；波导中传播的是“行驻波”，其幅度(1+)。传输线的目的是要无损的传输功率，故常希望工作在负载阻抗匹配的

6、情况下。图2不同负载情况下电场在波导中的分布图(4)反射系数和驻波比波在无限长的波导管中沿z方向传播，构成行波，现只考虑某时刻t的传输状态，略去因子，则，。若波导不是无限长的均匀导体，则存在反射波，电场由入射波和反射波叠加而成，，和分别表示入射波和反射波的振幅，将距离L的原点取在终端负载的反射面上，则上式变为。定义反射系数为波导中某横截面处的电场反射波与入射波之比，即：，其中，R（0）为终端的反射系数，表示在终端反射波与入射波的相位差，。当时，驻波电场达最大值，形成波腹，即：当时，驻波电场大最小值，形成波节，即：驻波比定义为波导中驻波最大值与最小值之比，即：4、波的特点：a．电场仅有分量，

7、表明电场矢量总是垂直于波导宽边a，而表明磁场矢量在平行于波导宽边的平面内。b．电磁场沿y方向是均匀的，而在x方向形成驻波通常以脚标m,n分别表示在波导宽边和窄边的驻波的个数。c．电磁场在波导的纵向z上形成行波。沿z方向和分布规律相同，即最大处亦最大，处，场的这种结构是行波的特点，两者相差为。5、波：由公式可知，矩形波导中临界波长的最大值应出现在m＝1，n＝0的情况下（此时：=2a）。这就是波。波被称为矩形波导中的“主波”