微波电磁特性与天线实验.doc

微波分光仪综合实验 微波技术是近代发展起来的一门新兴学科，在国防、通讯、工业、农业，以及材料科学中有着广泛应用。随着社会向信息化、数字化的迈进，微波作为无线传输信息的技术手段，将发挥更为重要的作用。特别在天体物理，射电天文、宇航通信等领域，具有别的方法和技术无法取代的特殊功能。微波有“似光性”，用可见光、X光观察到的反射、干涉和衍射现象都可以用微波再现出来，对于微波的波长为0.01m量级的电磁波，用微波设备作波动实验要显得形象、直观，更容易理解，通过观测微波的反射干涉、衍射及偏振等现象，能加深理解微波和光都是电磁波，都具有波动这一共同性。本实验通过研究微波的反射，单缝衍射等来揭示微波的波动性，以此来增加对微薄的波动性的了解。一、实验目的1、了解微波分光仪的结构，学会调整它并能用它进行实验2、掌握电磁波反射定律的方法。3、掌握电磁波的单峰衍射时衍射角对衍射波强度的影响。4、掌握来自双缝的两束中央衍射波相互干涉的影响。5，掌握平面波长的测量方法。6、验证电磁波的马吕斯定律、布拉格方程。7、验证天线的方向性。8、培养综合性设计电磁波实验方案的能力。二、微波的特性及应用1微波的特性什么是微波？微波是波长很短的电磁波，一般把波长从1米到1毫米，频率在300300000MHZ范围内的电磁波称作微波。广义的微波包括波长从10米到10微米（频率从30MHZ到30THZ）的电磁波。微波具有以下特点。（1）波长短：它不同于一般的无线电波，因微波波长短到毫米,它具有类似光一样有直线传播性质。（2）频率高：微波已成为一种电磁辐射，趋肤效应、辐射损耗相当严重。所以在研究微波问题时要采用电磁场和电磁波的概念和方法。不能采用集中参数元件。需要采用分布参数元件，如波导、谐振腔、测量线等。测量的量是驻波比，频率。特性阻抗等。（3）量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围约为10-610-3eV。许多原子和分子发射和吸收的电磁波能量正好处于微波波段内，人们正是利用这一特点研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学、量子电子学等新兴学科，并研制了量子放大器、分子钟和原子钟。（4）能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿过地球周围的电离层，是进行卫星通信，宇航通信和射电天文学研究的一种有效手段。基于上述特点，微波作为一门独立学科得到人们的重视，获得迅速的发展。2微波的应用（1）雷达与通信微波的早期发展与雷达密切相关：利用微波直线传播的特性，可制成军用的如超远程预警雷达，相控阵雷达。民用的气象雷达，导航雷达等。在通信方面，微波的可用频带很宽，信息容量大，现代移动通信和卫星通信中都在微波波段。（2）受邀辐射原理频标、计量标准在微波波谱学深入研究的基础上，1957年根据受激辐射原理发明了微波受激辐射放大器，即“脉塞”，这就是大家知道的量子放大器。1960年发明了光受激辐射放大器，即“莱塞”这就是激光器。激光的发明，是本世纪科学技术上的一个重大突破，但是追根寻源，不难看出激光器的发明只是将微波技术中的（受激辐射原理）成果（量子放大器）“移植”到可见光波段的一项新成就。量子频率标准（原子钟）是利用波谱学成就制作的精确时间频率测量设备，目前量子频标的频率稳定度和准确度已分别达到10-14和10-15的数量级，在精确测量频率的基础上，物理学理论如量子电动力学和广义相对论所预言的某些效应，兰姆移位，电子反常磁矩、引力“红移”和引力波等已得到验证。（3）微波与物质的相互作用微波铁氧体是微波技术中常用的一种各向异性材料，它不仅具有较强的磁性，而且具有很高的电阻率。微波很容易通过铁氧体，在铁氧体中产生特殊的磁效应旋磁性。在恒磁场和微波场的作用下，微波铁氧体的微波磁导率是一个张量。张量磁导率的特点是：非对称性，这使微波在铁氧体中传播具有非互易性，成为制作非互易微波铁氧体器件的基础；张量元素都是复数，其实部具有频散特征，其虚部具有共振特性，是研究铁氧体的微波特性和微观结构的基础。等离子体是分别带有正负电荷的两种粒子所组成的电中性的粒子体系，其中至少有一种带电粒子是可以自由运动的。等离子态称为物质的第四态。等离子体物理与受控热核反应、空间研究、天体物理和气体激光等密切相关，且有重要应用，利用微波与等离子体的相互作用，可以对等离子体的特性进行研究并促进应用。例如：微波等离子诊断；利用高功率微波加热等离子体；利用微波产生等离子体。（4）穿透电离层天体物理和射电天文研究以微波为主要观测手段的射电天文学的迅速发展，扩大了天文观察的视野，促进了天体物理的研究，所谓六十年天文学的四大发现类星体、中子星、微波背景辐射和星际分了，全都是利用微波为主要观测手段发现的。其中，微波背景辐射被誉为“二十世纪天文学的一项重大成就”，荣获1978年诺贝尔物理奖。（5）介质的微波特性微波电谱和磁谱，微波吸收材料，微波遥感微波电谱和磁谱是指介质的介电常数和磁导率与外加微波场频率的相互关系，微波电谱和磁谱不仅提供介质材料性能的重要判据，在基础研究中也具有特殊的意义。例如在电子对抗技术中采用的微波吸收材料，由微波遥感获得遥感信息等，都与微波技术和微波电谱、磁谱有关。三、实验原理微波和光波都是电磁波，都具有波动这一共同性，即能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。因此用微波作光波做实验所说明的波动现象及其规律是一致的。由于微波的波长比光波的波长在量级上差一万倍左右，因此用微波设备作波动实验比光学实验要更直观、方便和安全，所需要设备制造也较容易。1.微波的反射电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反对，微波遵从反射定律，本处以一块大的金属板作为障碍物来研究当电波以某一入射角投射到此金属板上所遵循的反射定律，即反射线在入射线和通过入射点的法线所决定的平面上，反射线和入射线分居在法线两侧，反射角等于入射角。如图5.1所示，一束微波从发射喇叭A发出以入射角射向金属板MN，则在反射方向的位置上，置一接收喇叭B，只有当B处在反射角=时，接受到的功率最大，即反射角等于入射角。图5.1 微波的反射2.微波的单缝衍射微波的衍射原理与光波完全相同，当一束微波入射到一宽度与波长可比拟的狭缝时，它就要发生衍射现象，如图5.2所示。图5.2 微波的单缝衍射设微波波长为，狭缝宽度为，当衍射角符合： =1,2,3,时在狭缝背面出现衍射波的强度极小，而当 =0,1,2,时，则在缝后面出现衍射波的强度极大（主极大发生在处）。3.微波的双缝干涉微波遵守光波的干涉规律，如图5.3所示，图5.3 微波的双缝干涉当一束微波（波长为）垂直入射到金属板的二条狭缝上，则每条狭缝就是次波源。由两缝发出的次波是相干波，因此金属板的背面空间中，将产生干涉现象，设缝宽为，两缝间距离为，则由光的干涉原理可知，当 =0,1,2,3,时，干涉加强（主极大发生在处）。当 =0,1,2,3,时，干涉减弱。4.微波的偏振性微波在自由空间传播是横电磁波，它的电场强度矢量与磁场强度矢量和波的传播方向永远成正交的关系，它们的振动面的方向总是保持不变。、遵守乌莫夫-坡印矢量关系（见图5.4），即为。如果在垂直于传播方向的平面内，沿着一条固定的直线变化，这样的横电磁波叫线极化波，在光学中也叫偏振波。电磁场沿某一方向的能量有的关系，这就是光学中的马吕斯定律。 式中为偏振光强度，是与间的夹角。5.微波的迈克尔逊干涉用微波源做波源的迈克尔逊干涉仪与光学中的迈克尔逊干涉完全相似，其装置如图5.4所示，发射喇叭发出的微波，被45放置的分光玻璃板MM（也称半透射板）分成两束，一束由MM反射到固定反射板A；另一束透过MM到达可移动反射板B.由于A、B为全反射金属板，两列波被反射再次回到半透射板。A束透射，B束反射，会聚于接受喇叭，于是接受喇叭收到两束同频率、振动方向一致的二束波。如果这二束波的位相差为的偶数倍，则干涉加强；当位相差为的奇数倍则干涉减弱。图5.4 、遵守乌莫夫-坡印矢量关系 微波的迈克尔逊干涉仪假设入射的微波波长为，经A和B反射后到达接受喇叭的波长度为，当 =0，1,2,3, 时，将有接受喇叭后面的指示器有极大示数。当 =0，1,2,3,时，指示器显示极小示数。当A不动，将活动板B移动距离，则波程差就改变了，假设从某一级极大开始记数，测出个极大值，则由得到即可测出微波的波长。6.微波的布拉格衍射X光波与晶体的晶格常数属于同一数量级，晶体点阵可以做为X射线衍射光栅，而微波波长是0.01m量级的电磁波，显然实际晶体不能作为微波的三维衍射光栅，本实验以立方点阵（点阵结点之间距离为0.01m量级）的模拟晶体为研究对象，用微波向模拟晶体入射，观测不同晶面上点阵的反射波产生干涉应符合的条件，即应满足布拉格在1912年导出的X射线衍射关系式-布拉格公式。图5.5 模拟晶体微波布拉格衍射现对模拟立方晶体水平上的某一晶面加以分析，如图5.5所示，假设“原子”占据着点阵的结点，两相邻“原子”之间的距离为（晶格常数）。晶体内特定取向的平面用密勒指数标记，图9中实线和虚线分别表示（100）和（110）晶面与水平某一晶面的交线，当一束微波以0角掠射到（100）晶面，一部分微波将为表面层的“原子”所散射，其余部分的微波将为晶体内部各晶面上的“原子”所散射。各层晶面上“原子”散射的本质是因“原子”在微波电磁场协迫下做与微波同频率的受迫振荡，然后向周围发出电磁电子波。由图9知入射波束PA和QB分别受到表层“原子”A和第二层“原子”B散射，散射束分别为AP和BQ，则PAP和QBQ的波程差为：式中为晶面间距，对立方晶体，显然波程差为入射波波长的整数倍时，即两列波同相位，产生干涉极大值，式中表示掠射角（入射线与晶面夹角），称为布拉格角；为整数，称为衍射级次。同样可以证明，凡是在此掠射角被（100）各晶面散射的微波均为干涉加强，11式就是著名的布拉格公式。布拉格公式仅对于（100）晶面族成立，而对于其它晶面族也成立，但晶面间距不同。对于（110）晶面族，计算晶面间距的公式为：7.天线的方向性通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。其中方向系数最大的地方，即辐射增强的方向，称主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线对各个方向的方向系数大小。由下面的方向图可以看出，天线的方向性图像象花朵的叶瓣，各叶瓣称为方向叶。处于主射方向的方向叶称为主叶，处于主叶反方向位置的方向叶称为后叶，其他方向的方向叶统称为副叶。显然主叶的宽度越窄，说明天线的方向性也好。天线方向性的好坏，工程上常采用半功率角和零功率角两个参量来表示。所谓半功率角是指主叶瓣上场强为主射方向场强的1/2= 0.707时（即功率下降1/2时），两个方向间的夹角，即为“20.5”；所谓零功率角是指偏离主射方向最近的两个零射方向（辐射场强为零的方向）之间的夹角，记为“20”。半功率角和零功率角越小，表示主叶瓣的宽度越窄，说明天线的方向性越好。一副方向性良好的天线，除了必须具备上述具有较小的半功率角和零功率角外，还应该包括后叶瓣和副叶瓣尽可能小，以减小可能出现的窜扰。四、实验仪器本装置为图2.1示出微波分光计的结构，可分为四个部分。一是发射部分：是由固定臂4及其上端的发射喇叭3组成，称为发射天线，微波信号由三厘米雪崩固态源发出，经可变衰减器到发射喇叭3.二是接受部分：由可绕中心轴转动的活动臂7、接受喇叭6及其转动角度指示仪15、晶体检波器9和指示器10组成。三是在两喇叭之间可绕中心轴自由转动的分度平台11，平台一周分为360等分，其转动的角度可由固定臂指针5指示，平台上有定位销，定向坐标和固定被测部件14用的四个弹簧销钉，四是圆盘底座12，底座上有做迈克尔逊干涉实验用的固定正交两个反射板（图中未画出）的定位螺纹孔和水平调节螺钉13。图2.1 实验装置图固态信号源发出的信号具有单一的波长（=32.02mm），相当于光学实验中要求的单色光束。当选择“连续”时，指示器是微安表，当选择“方波”时指示器为测量放大器。两个喇叭天线的增益大约的20dB，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面是20，E面是16，当发射喇叭口面宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏振方向是垂直的。成套微波分光仪如图2.2所示。 图2.2 微 波 分 光 仪- 9 -序号 名称 1 分度转台 2 喇叭天线 3 可变衰减器 4 晶体检波器 5 检波指示器 6 视频电缆及微安表 7 反射板 序号 名称8 单缝板 9 双缝板 10 半透射板 11 模拟晶体（模拟晶体及支架） 12 读数机构 13 支座 14 支柱 15 模片 微波分光仪综合实验 三厘米固态振荡器发出的信号具有单一的波长（出厂时信号调在=32.02mm 上），这种微波信号就相当于光学实验中要求的单色光束。喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面是200，E面是160。当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏损方向是垂直的。可变衰减器用来改变微波信号幅度的大小，衰减器的度盘指示越大，对微波信号的衰减也越大。晶体检波器可将微波信号变成直流信号或低频信号。五、装置调整 首先旋转工作平台使00刻线与固定臂上指针对正，再转动活动臂使活动臂上的指针对正在工作平台 1800刻线上，然后将安装在基座上的滚花螺钉拧紧，使活动臂不易自动摆动（即锁紧）,读出指示器示数；然后，松开螺钉，移动活动臂向左右同样角度（如20）时，观看指示器读数左右移动时，偏转是否相同，如果不同，略略旋转接受喇叭，反复调节直至左右指示器偏转相等为止。用一根细线绳，拉紧在发射，接收两个喇叭天线之间，先使喇叭天线上刻的短刻线（每个喇叭上和法兰上都有刻线）成一直线。这可以细绳为准绳，通过水平转动两个天线的角度来实现。然后，用一块反射板（本仪器所带的成套件）或一块大三角板垂直放在工作平台上，并使垂足通过工作平台中心。此时，着细线是否正与反射板或三角板垂直平台平面的一边正好靠上（允许误差上2mm）。如不符合规定要求，可重新调整固定臂的安装角度和指针，也可稍微摆动活动臂，使细线正与垂边靠上，然后调整活动臂上的指针位置，使其正指 1800。做反射，单缝衍射，双缝干涉实验时，14分别为反射板，单缝衍射板，双缝干涉板；做万克尔逊干涉实验时，14为分光玻璃板，并安装二个正交反射板；做布拉格衍射实验时14为模拟立方晶体。六、实验内容1反射实验实验仪器布置如图6.1图6.1 反射实验仪器的布置 仪器连接时，两喇叭口面应互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上。指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的900刻度处，将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座（与支座上刻线对齐）拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。反射全属板放到支座上时，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致。而把带支座的金属反射板放到小平台上时，应使圆盘上的这对与金属板平面一致的刻线与小平台上相应900刻度的一对刻线一致。这时小平台上的00刻度就与金属板的法线方向一致。转动小平台，使固定臂指针指在某一角度处，这角度该数就是入射角，然后转动活动臂在表头上找到一最大指示，此时活动臂上的指针所指的刻度就是反射角。若此时表头指示太大或太小，应调整衰减器、固态振荡器或 晶体检波器，使表头指示接近满量程。做此项实验，入射角最好取300至650之间。因为入射角太大接收喇叭有可能直接接受入射波。做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响。2单缝衍射实验 实验仪器布置如图6.2仪器连接时，预先接需要调整单缝衍射板的缝宽，当该板放到支座上时，应使狭缝平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致，此刻线应与工作平台上的900刻度的一对线一致。转动小平台使固定臂的指针在小平台的1800处，此时小平台的00就是狭缝平面的法线方向。这时调整信号电平使表头指示接近满度。然后从衍射角00开始，在单缝的两侧使衍射角每改变10 读取 一次表头读数，并记录下来，这时就可画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线，并根据微波波长和缝宽算出一级极小和一级极大的衍射角，并与实验曲线上求得的一级极小和极大的衍射角进行比较。最后记录数据并绘出曲线。图6.2 单缝衍射实验的仪器布置 3双缝干涉实验 实验仪器布置同图6.2，仅将小平台上的单缝衍射板以双缝衍射板代替。调整过程也相同,由于衍射板横向尺寸小，所以当b取较大时，为了避免接收喇叭直接收到发射喇叭的发射波或通过板的边缘过来的波，活动臂转动角度应小些。最后记录数据并绘出曲线。图6.3 迈克尔逊干涉实验的基本原理4迈克尔逊干涉实验迈克尔逊干涉实验的基本原理见图6.3，在平面波前进的方向上放置成450的半透射板。实验仪器布置如图6.4；使两喇叭口面互成900。半透射板与两喇