近代,微波测速.doc

近代物理实验设计性实验题目 微波传播速度的测量姓 名 张少宏（104090056） 宁德吕（104090034） 陆和森（104090026）院、系 物理与电子信息学院专业物理学类指导教师 徐云冰 微波传播速度的测量张少宏，陆和森，宁德吕摘要微波技术是一门独特的现代科学技术,在通过对微波测试系统的基本组成和工作原理的观察和研究后，了解了微波在波导中的传播特点，掌握速度、频率等基本量的测量，同时掌握微波的基本知识；学习用微波作为观测手段来研究物理现象，本实验主要研究微波的速度测量。关键词 微波 传播 测速引言微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。微波的波长决定了它的性质既不同与无线电波，也不同与光波。本实验主要研究微波的速度测量。实验原理一、电磁波的基本关系描写电磁场的基本方程是：， ， 和 ， ， 。 方程组称为麦克斯韦方程组，方程组描述了介质的性质对场的影响。对于空气和导体的界面，由上述关系可以得到边界条件(左侧均为空气中场量)， ，。方程组表明，在导体附近电场必须垂直于导体表面，而磁场则应平行于导体表面。二、矩形波导中波的传播根据电磁场的普遍规律Maxwell方程组或由它导出的波动方程以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有两大类波能够在矩形波导中传播：横电波又称为磁波，简写为TE波或H波，磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。横磁波又称为电波，简写为TM波或E波，电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。在实际应用中，一般让波导中存在一种波型，而且只传输一种波型，我们实验用的TE10波就是矩形波导中常用的一种波型。 TE10型波 ( a) (c) (d) 在一个均匀、无限长和无耗的矩形波导中，从电磁场基本方程组和出发，可以解得沿z方向传播的TE10型波的各个场分量为， 其中，位相常数=2/g；g为波导波长，其中=c/f (5) (6) (7) 【1】TE10波具有如下特点：存在一个临界波长2，只有波长自由空间波长。电场只存在横向分量，电力线从一个导体壁出发，终止在另一个导体壁上，并且始终平行于波导的窄边。磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线。电磁场在波导的纵方向(z)上形成行波。在z方向上，和的分布规律相同，也就是说最大处也最大，为零处也为零，场的这种结构是行波的特点。实验要求(1) 熟悉和掌握微波测试系统中各种常用设备的结构原理及使用方法；(2) 掌握微波系统中频率、驻波比、功率等基本参数的测量方法；(3) 按要求测出测量线中的驻波分布；实验装置框图(d)实验仪器微波振荡源、匹配负载、隔离器、频率计、检流计、环行器、选频放大器、驻波测量线。实验内容1.微波的传输特性 在微波波段中，为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响，一般采用波导作为微波传输线。微波在波导中传输具有横电波（TE波）、横磁波（TM波）和横电波与横磁波的混合波三种形式。微波实验中使用的标准矩形波导管，通常采用的传输波型是TE10波。波导中存在入射波和反射波，描述波导管中匹配和反射程度的物理量是驻波比或反射系数。依据终端负载的不同，波导管具有三种工作状态：(1) 当终端接匹配负载时，反射波不存在，波导中呈行波状态；(2) 当终端接短路片、开路或接纯电抗性负载时，终端全反射，波导中呈纯驻波状态；(3) 一般情况下，终端是部分反射，波导中传输的既不是行波，也不是纯驻波，而是呈混波状态。2微波频率的测量微波的频率是表征微波信号的一个重要物理量，频率的测量通常采用数字式频率计或吸收式频率计进行测量。下面主要介绍较常用的吸收式频率计的工作原理：当调节频率计，使其自身空腔的固有频率与微波信号频率相同时，则产生谐振，此时，通过连接在微波通路上的微安表或功率计可观察到信号幅度明显减小的现象（注意，应以减幅最大的位置作为判断频率测量值的依据）。调整L，找到谐振频率，记下此时L，查波长校正表，可知频率f（由lc/f,可求波长）。3. 测量波导波长 1. 在测量线的末端接上短路板时测量2. 调节测量线上探针的位置，找出两个相邻波节点，在每个波节的左右各测出两个等值点的位置X如下图所示测出、和、。3. 利用等斜点法求出驻波波长。 4. 重复多次测量取平均值，以减小误差。 （8）4.测量矩形波导宽边 1.矩形波导管是内空的,可以采用螺旋测微器测出波导管的宽边a和窄边b. 2.然后读出螺旋测微器的读数。 3多测几组数据，求平均值。数据记录及数据处理 表一 中驻波频率测量记录l/mm3.390 3.391 3.390 3.393 3.395 3.398 3.398 3.3983.3953.3933.395f/MHz91989198919891989197919691969196919791989197表二中驻波波导波长数据记录 x1x1x2x2g81.9 82.9 104.2 107.9 48.8 81.7 83.3 103.8 109.6 48.381.5 82.9 104.2 108.2 48.182.1 83.1 104.0 108.5 49.082.0 83.5 104.1 104.0 48.782.6 84.0 104.4 109.3 48.482.8 83.6 104.2 104.8 48.981.8 83.2 104.8 108.4 49.381.3 83.7 104.4 109.8 47.981.5 83.3 10.5 107.2 48.6由上表得： = =48.6nm表三 矩形波导管a的测量a/mm22.9 c=2a=45.72mm =33.6mm实验总结 微波技术无论在生活还是生产中都有十分巨大的应用。通过本次实验及在斯老师的指导下，我加对微波整个仪器系统的构造和原理有了相当的理解。对于实验操作过程中所涉及的原理及步骤，更正一些错误的认识，有了正确的领会。在调试实验仪器和测量的过程中，我锻炼了独立思考和动手操作的能力。明白了大胆假设，小心求证的重要性以及考虑问题时需全面，细致。锻炼了自身协作能力和动手能力。实验结论1.当全发射时，驻波比理论值为1；2.微波的波速比较接近光速，接近3.0 m/s最重要的是，通过本实验，我们知道微波是电磁波，我们还了解了微波的特性，对微波的产生、微波原件和微波测量有了一定的认识，掌握了测量微波基本参数的基本方法。3.在实验中，存在几处不完善之处。第一，在测量频率时，当读出波长时，需要查表，查表结果成员之间存在争议，我认为查表结果为8982MHZ，有成员则认为为9000MHZ；第二，在测量频率和波导波长的时候，本组实验测量的数据过少；第三，由于实验仪器的偏差，测量数据可能有误差。【1】吴先球，熊玉莹等.近代物理