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微波实验 MICROWAVEEXPERIMENTS 同济大学应用物理系学生 徐敏王备指导老师 徐少磊 微波简介 什么是微波微波的特点微波的应用微波技术的内容和研究方法 微波简介 什么是微波 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 划分为四个波段 如下表所示 微波简介 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 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相似 所以低频的电子器件在微波阶段都不能使用 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 微波简介 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 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 微波射电天文学 微波波谱学 微波生物学等等 微波简介 微波技术的内容和研究方法 内容 微波的产生 放大 传输 变换 检测 测量 发射与接收 以及与之相对应的微波元器件和设备等 方法 根据麦克斯韦方程对各种特定的边值问题进行求解 即人们常说的 场解法 对于一些本质上是属于场的问题 在一定条件下可以转化为电路的问题 应用 路论法 进行求解 在研究工程中的电磁场问题时 常将场解法与路论法结合起来使用 第一部分 微波测量实验 晶体检波器的校准直接法测量驻波系数波长和阻抗的测量 微波测量实验 晶体检波器的校准 实验原理 晶体检波器的校准就是晶体检波率 的校准 测量线中全反射的驻波的电场分布某一d处的检波电流I d 就对应着该d处的相对场强E d Emax只要测出I d 就可知道E d Emax这就是晶体检波器的校准依据 微波测量实验 晶体检波器的校准 实验步骤 将测量线终端接短路板调节信号源加到测量线上的功率确定相邻波节点的距离求出波导波长由上式算出随d的分布测出相应的分布 约10个点 作出晶体校准曲线由于所以两边取对数所以晶体检波率n由校准曲线斜率求得 微波测量实验 直接法测量驻波系数 实验原理 微波元件的驻波系数是输入波导中最大点场强和最小点场强之比当 不大于6时可直接沿测量线测量驻波最大点和最小点的场强得到这就是直接法测量驻波系数 微波测量实验 直接法测量驻波系数 实验步骤 测量线的探针沿纵向移动由测量放大器读出对应的检波电流和对应的因为所以 n由对晶体检波器校准得到 在检波功率电平很小条件下n 2 微波测量实验 波长和阻抗的测量 波长测量 波导中存在反射时就形成驻波相邻两波腹和波节间的距离就是半个波长所以很容易在测量线上测得波长 但因为波腹点附近场强变化缓慢和在驻波系数较小时波节点附近场强变化不尖锐所以在测量线上测量波导波长准确度不高 精确测量要用谐振式波长计 通过式波长计和吸收式波长计 吸收式波长计 微波测量实验 波长和阻抗的测量 波长计腔体通过耦合元件与系统连接 形成一分路 当空腔失谐时 它不吸收功率 不影响微波功率的传输 这时检波电流为I0 当腔体频率f0与被测频率f一致时 耦合进腔体的功率最大 传输到检波器的功率减小 检波电流最小 调谐曲线如图 2 所示测量时旋转调谐活塞 当I0下降到最小时 波长计上指示值就是要知道的测量值 微波测量实验 波长和阻抗的测量 阻抗测量 负载阻抗 单端口网络阻抗 的测量可由驻波系数及其波节点位置换算得到 系统上的输人阻抗周期性的变化 每隔阻抗重复一次 所以被测元件的输入阻抗可由测量线上距被测元件端口的参考面T的输入阻抗来确定 测量时测得驻波系数和参考面到波节点的距离通过圆图换算确定被测元件的阻抗 第二部分 微波检测实验 微波法湿度的测定微波法液体浓度的测量 微波检测实验 微波法湿度的测定 替代法测量 在两个喇叭之间置一烧杯 加入适量小苏打 NaHCO3 使喇叭 烧杯 喇叭间的距离固定 调节信号源到适当的频率 逐渐往烧杯中添水 记录指示器读数 绘出被测物质的湿度曲线 微波检测实验 微波法湿度的测定 微波检测实验 微波法湿度的测定 反射波法测量 在喇叭和挡板之间置一烧杯 加入适量小苏 NaHCO3 使喇叭 烧杯 挡板之间的距离固定 调节信号源到适当的频率 逐渐往烧杯中添水 记录指示器读数 画出被测物质的湿度曲线 微波检测实验 微波法湿度的测定 微波检测实验 微波法湿度的测定 微波检测实验 微波法液体浓度的测定 在盛液漏斗中先后加入不同浓度的牛奶 记录选频放大器的电流示数 根据测量数据绘出相应的测量浓度曲线 微波检测实验 微波法液体浓度的测定 微波检测实验 微波法测介电常数 当微波频率等于谐振腔谐振频率时 示波器曲线振幅最大 为谐振状态 可通过示波器观察谐振曲线 当谐振腔中插入介质棒后 品质因数与介电常数发生变化 调节信号源频率至新的谐振频率 可观察到吸收峰的位置偏移 记下偏移距离 查表得频差 利用公式 QL f0 f1 f2 QL