微波的波导传输与检测.doc

微波的波导传输与检测1.微波的波导传输本实验采用传输的矩形截面波导管。(1)波的电磁场结构。(2)波的传输特性。(3)如何实现波导管内传输波的单一波型。2波导管的工作状态。在本章三中推导和讨论了在均匀无限长的波导中波的电磁场结构及传输特性(波导中传输的是行波，没有反射波)。电场分量由式(3-34)可知为(3-73)其中，若以a/2为参考面，只讨论t=0时的瞬时电磁场分布(测量时只是测场随时间变化的平均值)，则(3-74)如果波导不是无限长，终端负载不等于特征阻抗时，就会引起反射，波导中电场由入射波和反射波叠加而成(3-75)其中、分别是电场入射波和反射波的振幅。为了方便起见，我们耙坐标原点取在终端负载处，如图3-46所示(l与“三、矩形截面波导中的波”中规定的波传播的z方向相反)，则(3-75)式变成(3-76)为描述波导各截面的反射特性，引入反射系数r,其定义为波导某截面处电场反射波与入射波之比。亦即(3-77)式中(3-78)是终端负载处的反射系数，表示在终端负载处反射波与入射波的位相差，根据(3-77)、(3-78)和(3-76)式(3-79)当时，驻波电场达到最大值(波腹)，即(3-80)当时，驻波电场达最小值(波节)，即(3-81)因为反射系数不便于直接测量，所以我们引入一个新的在微波测量中经常用到的物理量驻波比S。其定义为：波导中驻波电场最大值与最小值之比，即(3-82)因为波导中的电场与电压(宽壁间的电位差)成正比，所以S又称为电压驻波比，(Voltage Standing Wave Radio)，用VSWR表示。把(3-80)和(3-81)式代入(3-82)：式可得(3-83)及(3-84)由以上两式看出：。当终端负载等于波导特征阻抗时，终端负载(这种负载称为“匹配负载”)将全部吸收入射波功率，而无反射，这时，这时传播的是行波，这种状态称为匹配(Match)状态。当波导终端用金属板短路，必然形成全反射，终端处，亦即(终端负载处电场反射波与入射波振幅相等，位相相反)，此时，形成纯驻波，在驻波波节处，在驻波波腹处。这种状态称为驻波状态。通常终端负载不等于特征阻抗，或者说不匹配，行波功率的一部分为负载所吸收，其余部分发生反射，返回信号源，形成部分反射，此时波导中有行波也有驻波，,。这种状态称为混波状态。图3-44(a)、(b)、(c)分别给出波导在上述三种状态(三种)情况下电场随l变化的分布曲线。因为波节的位相满足则即两个相邻波节的距离等于半个波导波长。同理，两个相邻波腹的距离也等于半个波导波长，由于波腹处变化缓慢，而在波节处变化尖锐。从测量精度方面来考虑，总是由确定两个相邻波节的位置来测定波导波长。3.负载阻抗与反射系数的关系从等效的观点，可以把波导视为一种传输线，则传输线中的阻抗公式在波导情况下也完全适用，其输入阻抗，负载阻抗及特性阻抗的关系为：(3-85)式中l为输入端至终端负载的距离(见图3-46)，实际应用时不需要知道输入阻抗的绝对值，而只需要知道相对特征阻抗的相对值(归一化阻抗)，则式(3-85)变为(3-86)由式(3-86)可知，只要知道负载阻抗，就能知道沿波导各点的输入阻抗。若将波导等效为传输线，则需特别注意以下几点对应关系：(1)对于波，对应于线间电压；对应线上电流，即U，I。不同模式对应的分量并不同。(2)当波导中为行波时，定义为波的特性阻抗。(3)负载阻抗不象低频阻抗那样可以直接测量并且有确切的物理意义，这里只能从波导中反射特性的等效性这一点来规定负载阻抗的量值。也就是说，实验上可以通过测量驻波比得到反射系数，然后按照传输线上反射系数与阻抗已有的关系可以形式地规定出波导中反射物所相当的等效阻抗值。这些阻抗固然也可以从其电磁学性质来作一些具体解释，比如波导中短插销(见图3-45)能使电场集中，其作用与电容相似(容性负载，当插销深度l为波导高度的7/10左右时，插销就由容性变为感性)。若将短插销改为具有损耗的介质片，作用恰似电阻，其传输特性表现为电阻性，(如果略去反射和相移)，但它们的阻抗不可能象低频电路元件那样直接用欧姆定律求出。原因是：在波导中并不真正具有“电压”这一物理量，波导中的只是人为地引入的传输线中电压的对应物。事实上，波导中的场不是势场，没有势差，因此波导壁间电压就没有意义，比如：在波导宽边之间(如波)，把电场强度沿y轴积分，则不同途径所得的结果是不同的(波导的电磁场在横截面上是变化的)，即电压没有唯一的值电流也是如此，既有横电流，也有纵电流，宽边上的电流和窄边上的不同，究竟把什么做为电流呢？也没有唯一的定义。既然如此，电压与电流的比值就没有实在意义，而只能等效地引入“阻抗”这个量，找出阻抗与反射系数关系，由反射系数求出阻抗。一个微波传输系统如图3-46所示，在微波源与负载之间用均匀传输线(本实验为波导管)连接。设波导特征阻抗为，终端负载阻抗为；在距终端为的波导截面上向终端看去的输入阻抗为。传输线上任一点的复数电压和电流都可以写成入射波和反射波之和：(3-87)(3-88)上两式中：则可将式(3-87)和(3-88)改写为(3-89)(3-90)对于终端负载此处电压和电流等于：(3-91)(3-92)因为负载反射系数r为(3-93)将(3-93)代入(3-91)和(3-92)式，得：(3-94)(3-95)用式(3-94)除以式(3-95)即得负载阻抗为：(3-96)式(3-96)中的r为(3-97)其中为终端负载处的反射波与入射波的位相差，则(3-96)式可以写成(3-98)我们用负载上电压表示任一截面l上的电压和电流(3-99)将(3-99)式写成：(3-100)由(3-93)和(3-99)式得到(3-101)由(3-97)式得到(3-102)当时，U取最小值(波节点)，若取n=1，则有(3-103)式(3-103)中，为相位常数，波导管内；l为距离终端负载第一个最小点(第一个波节