微波实验预备知识

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1、预备知识微波是波长最短的无线电波。无线电波可按其波长范围或频率范围进行分类，波长范围约1米～1毫米，即频率为300兆赫～300千兆赫的无线电波称为微波。微波技术是第二次世界大战期间，由于雷达的需要而发展起来的一门电子技术。它已在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及工农业生产等许多部门都得到了广泛的应用，并深入到医疗卫生和日常生活。如家用微波炉已进入了人们的家庭，成为烹调的得力工具。　　在实际工作中，将微波中最常用的波段分别称为Ｌ，Ｓ，Ｃ，…波段，其划分如下：波段代号频率范围（GHz）标称波长（cm）L1.0～

2、2.022S2.0～4.010C4.0～8.05X8.0～12.53K18.0～27.01.25Q27.0～40.00.8 其中Ｘ波段的微波测量系统是一般实验室中所常见的。微波中常用的频率单位吉赫用GＨｚ表示，即1gＨｚ＝109Ｈｚ。微波测量与低频无线电测量相比具有独自的特点，所用的测量方法和仪器也有所不同。在低频电路中，常用电压、电流、频率作为基本量，阻抗、功率等均用电压、电流的关系式推得。可是，在微波电路中，由于它是分布参数电路，电压、电流失去了明确的意义，必须用场的概念进行讨论。在微波测量中，以驻波、波长（频

3、率）、功率作为三个基本测量，通过驻波的测量不仅可以测出电磁波在传输线中传播时场强的相对大小，而且可以测量传输线的阻抗、衰减、相移等参量，传输线中的波长是根据电磁场的驻波分布，由测量线直接测得的。1.微波的波导传输   广义而言，波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线。在微波波段，随着工作频率的升高，由于导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线。（1）波导管中的ＴＥ10型波　　波导管是一种空

4、心金属管，其截面形状有圆形、矩形、椭圆形等，用得最多的是矩形波导管，简称波导，见图11.0-1。根据电磁场的普遍规律——麦克斯韦方程组或由它导出的波动方程——及具体波导的边界条件，严格求解得出矩形波导中不能传输ＴＥＭ波，只能传输ＴＥ波（横电波）和ＴＭ波（横磁波）。ＴＥ波的电矢量只有横向分量，而磁矢量的横向和纵向分量都有；ＴＭ波的磁矢量只有横向分量，而电矢量的纵向、横向两个分量都有。在实际应用中，一般让波导中存在一类波型，而且只传其中一种波型，例如ＴＥ10波就是矩形波导中常用的一种波型。考虑一个截面为ａ×ｂ的矩形波导

5、（见图11.0-1），其管壁为理想导体，则沿ｚ方向传播的ＴＥ10型波的各个场分量为：（11.0-1）式中ω为角频率，；β为相位常数，；λg为波导波长：（11.0-2）其中λC＝2ａ，称为波导截止波长。因此，波导中只能传播λ＜λC的电磁波，λ是自由空间电磁波的波长。波导内ＴＥ10波电场和磁场的分布即所谓场结构，可用图11.0-2表示：图（ａ）说明电矢量只位于ＸＹ平面内（在Ｚ＝0处，上为负，下为正），起止于上下两个宽边，宽边中间电场最强，两侧减弱，呈正弦分布。它的磁力线在宽边相平行的平面内形成闭合线如图（ｂ），并表明Ｅ

6、y、Ｈx和Ｈz在Ｚ方向各有的相位差。图（ｃ）表示TE10型波场结构的空间分布。当电磁波在波导中传输时，其高频电磁场将在波导壁上产生高频感应电流且分布在波导的内表面，如图11.0-3所示。波型ＴＥ10的脚标“1”表示电场沿宽边是一个半驻波分布，“0”表示电磁场沿窄壁均匀分布。（2）波导管的工作状态波导的终端一般接有晶体检波器或其它负载。当入射的电磁波没有被负载全部吸收，即所谓不匹配时，就有一部分波被反射，波导中的任何不均匀性也会产生反射波。一般来说，波导中同时存在着入射波Ｅi与反射波Ｅr，Ｅi与Ｅr会发生干涉，形成驻

7、波。为描述驻波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数Γ定义为：φ为Ｅi与Ｅr的相位差。驻波比ρ的定义为：Γ与ρ的关系为：　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11.0-3)                                   当波导终端接的是匹配负载时，Er＝0，故｜Γ｜＝0，ρ＝1，此时波导内是行波。波导终端用金属板短路时，由边界条件Ey＝0，得Er＝-Ei，即产生全反射，这时｜Γ｜＝1，ρ→∞。称纯驻波状态。一般情况下，负载吸收部分入射波，产生部分反射波，于是0＜｜Γ｜＜1，1＜ρ＜∞，场分

8、布是一个行波和一个驻波的叠加，称为混合波状态。图11.0-4表示波导内三种｜Γ｜情况下的电场。（3）谐振腔谐振腔是微波谐振系统，当它和入射电磁波谐振时，在腔内建立起确定波型的场分布，因此它与低频的ＬＣ谐振回路相似。谐振腔的主要参数为谐振频率ｆ0与品质因数Ｑ。常用的谐振腔有：①ＴＥ101矩形腔是长度ｌ为λg／2的矩形波导管，两端用导体板封闭，在一个端面上开一小