文档介绍：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
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:
电场仅有分量,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。
电磁