微波综合特性研究实验报告

1 / 16微波综合特性研究实验报告报告编号：综合研究性试验报告实验名称： 微波的光学性质和布拉格衍射实验 操 作 人：海洋科学专业 08 级0102XX012 黄楚逸实验日期： 2016 年 4 月 20 日4 月 27 日 联系方式: huangchuyi50709 国 海 洋 大 学二一年微波的特性研究【概述】2 / 161、微波波长从 1m 到，其频率范围从 300MHz3000GHz，是无线电波中波长最短的电磁波。微波波长介于一般无线电波与光波之间，因此微波有似光性，它不仅具有无线电波的性质，还具有光波的性质，即具有光的直射传播、反射、折射、衍射、干涉等现象。由于微波的波长比光波的波长在量级上大 10000 倍左右，因此用微波进行波动实验将比光学方法更简便和直观。2、DHMS-1 型微波光学综合实验仪由 X 波段微波信号源提供DC12V 电压给微波发射部分，其产生一定频率的微波信号，通过幅度调节旋钮可以对其进行衰减，其中输出最大功率小于 5mW。接收部分采用精密的检波管把微波信号检测出来，通过放大处理后转化为电压信号,最后由液晶显示器显示出来。【实验目的】1、了解与学习微波产生的基本原理以及传播和接收等基本特性。2、观测微波干涉、衍射、偏振等实验现象。3 / 163、观测模拟晶体的微波布拉格衍射现象。4、通过迈克耳逊实验测量微波波长。【实验仪器与用具】DHMS-1 型微波光学综合实验仪一套，包括：X 波段微波信号源、微波发生器、发射喇叭、接收喇叭、微波检波器、检波信号数字显示器、可旋转载物平台和支架，以及实验用附件。【实验原理】一、微波的产生和接收图 1 微波产生的原理框图实验使用的微波发生器是采用电调制方法实现的，优点是应用灵活，参数调配方便，适用于多种微波实验,其工作原理框图见图 1。微波发生器内部有一个电压可调控制的4 / 16VCO，用于产生一个的信号，它的输出频率可以随输入电压的不同作相应改变，经过滤波器后取二次谐波，经过衰减器作适当的衰减后，再放大，经过隔离器后，通过探针输出至波导口，再通过 E 面天线发射出去。接收部分采用检波/数显一体化设计。由 E 面喇叭天线接收微波信号，传给高灵敏度的检波管后转化为电信号，通过穿心电容送出检波电压，再通过 A/D 转换，由液晶显示器显示微波相对强度。二、微波光学实验微波是一种电磁波，它和其他电磁波如光波、X 射线一样，在均匀介质中沿直线传播，都具有反射、折射、衍射、干涉和偏振等现象。1、微波的反射实验微波的波长较一般电磁波短，相对于电磁波更具方向性，因此在传播过程中遇到障碍物，就会发生反射。如当微波在传播过程中，碰到一金属板，则会发生反射，且同样遵5 / 16循和光线一样的反射定律：即反射线在入射线与法线所决定的平面内，反射角等于入射角。2、微波的单缝衍射实验当一平面微波入射到一宽度和微波波长可比拟的一狭缝时，在缝后就要发生如光波一般的衍射现象。同样中央零级最强，也最宽，在中央的两侧衍射波强度将迅速减小。根据光的图 2 单缝衍射强度分布单缝衍射公式推导可知，如为一维衍射，微波单缝衍射图样的强度分布规律也为：I?I0sin2?2 ?sin? ?式中 I0 是中央主极大中心的微波强度，?为单缝的宽度，?是微波的波长，?为衍射角 sin?2?2 常叫做单缝衍射因子，表征衍射场内任一点微波相对强度的大小。一般可通过测量衍射屏上从中央向两边微波强度变化来验证公式。同时与光的单缝衍射一样，当6 / 16?sin? ?1，2，3，4? 时，相应的?角位置衍射度强度为零。如测出衍射强度分布如图 2 则可依据第一级衍射最 小值所对应的?角度，利用公式，求出微波波长?。3、微波的双缝干涉实验当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭缝上，狭缝就成为次级波波源。由两缝发出的次级波是相干波，因此在金属板的背后面空间中，将产生干涉现象。当然，波通过每个缝都有衍射现象。因此实验将是衍射和干涉两者结合的结果。为了只研究主要来自两缝中央衍射波相互干涉的结果，令双缝的缝宽?接近?，例如：?。?4cm。当两缝之间的间隔 b 较大时，干涉强度受单缝衍射的影响小，当 b较小时，干涉强度受单缝衍射影响大。干涉加强的角度为：?sin?1?干涉减弱的角度为： ?k? K=1，2，3 7 / 16?b?sin?1?2k?1? K=1，2，3 ?2?b?4、微波的迈克尔逊干涉实验 在微波前进的方向上放置一个与波传播方向成 45 角的半透射半反射的分束板。将入射波分成一束向金属板 A 传播，另一束向金属板 B 传播。由于 A、B 金属板的全反射作用，两列波再回到半透射半反射的分束板，回合后到达微波接收器处。这两束微波同频率，在接收器处将发生干涉，干涉叠加的强度由两束波的程差决定。当?2，?3，?时，1?时，两波的相位差为 2?，干涉加强；当两波的相位差为?2?1，则干涉最弱。当 A、B 板中的一块板固定，另一块板可沿着微波传播方向前后移动，当微波接收信号从极小值到又一次极小值，则反射板移动了 /2 距离。由这个距离就可求得微波波长。图 3 迈克尔逊干涉原理示意图8 / 165、微波的偏振实验电磁波是横波，它的电场强度矢量 E 和波的传播方向垂直。如果 E 始终在垂直于传播方向的平面内某一确定方向变化，这样的横电磁波叫线极化波，在光学中也叫偏振光。如一线极化电磁波以能量强度 I0 发射，而由于接收器的方向性较强，其强度 I?I0cos?，其中?为 P1 和 P2 的夹角。这就是光学中的马吕斯定律，在微波测量中同样适用。6、模拟晶体的布拉格衍射实验布拉格衍射是用 X 射线研究微观晶体结构的一种方法。因为 X射线的波长与晶体的晶格常数同数量级，所以一般采用 X 射线研究微观晶体的结构。而在此用微波模拟 X 射线，照射到放大的晶体模型上，产生的衍射现象与 X 射线对晶体的布拉格衍射现象与计算9 / 16结果都基本相似。所以通过此实验对加深理解微观晶体的布拉格衍射实验方法是十分直观的。图 5 晶体结构模型固体物质一般分晶体与非晶体两大类，晶体又分单晶与多晶。组成晶体的原子或分子按一定规律在空间周期性排列，而多晶体是由许多单晶体的晶粒组成。其中最简单的晶体结构如图 5 所示，在直角坐标中沿X、Y、Z 三个方向，原子在空间依序重复排列，形成简单的立方点阵。组成晶体的原子可以看作处在晶体的晶面上，而晶体的晶面有许多不同的取向。图 6 布拉格衍射如图 5 左方为最简立方点阵，右方表示的就是一般最重要也是最常用的三种晶面。这三种晶面分别为面、面、面，圆括号中的三个数字称为晶面指数。一般而言，晶面指数为?n1n2n3?的晶面族，其相邻的两个晶面间距 d=显然其中面的间距 d 等于晶格常数?；相邻的两个面的晶面间距 d=而相邻两个面的晶面间距 d=取向的晶面族。 ，实际上还有许10 / 16许多多更复杂的取法形成其他因微波的波长可在几厘米，所以可用一些铝制的小球模拟微观原子，制作晶体模型。实验一基本辐射单元方向图一、实验目的基本辐射单元，指的是基本电振子，基本磁振子，基本缝隙，惠更斯面元等。它们是构成实际天线的基本单元。通过本次实验了解这些基本辐射单元在空间产生的辐射场。二、实验指导实验界面有三个显示区：立体方向图、E 面方向图、H 面方向图，分别用来显示基本辐射单元在空间产生的辐射场的立体方向图、E 面方向图和 H 面方向图。界面下端有六个按钮：基本电振子、基本磁振子、基本缝隙、惠更斯面元、Return、Help。点击按钮基本电振子，则基本电振子的方向图在显示区内11 / 16显示出来，由显示图形可见基本电振子所辐射的电磁场强度不仅与 r 有关，而且与观察方向 有关。在振子的轴线方向，场强为零；在垂直于振子轴的方向上，场强最大；在其它方向上，场强正比于 sin。点击按钮基本磁振子，则基本磁振子的方向图在显示区内显示出来，由显示图形可见基本磁振子所辐射的电磁场的空间图形与基本电振子一样，这是因为基本电振子的辐射是振子上电流产生的辐射与基本磁振子的辐射是振子表面切向磁场产生的磁场是等效的。点击按钮基本缝隙，则基本缝隙的方向图在显示区内显示出来，由显示图形可见基本缝隙所辐射的电磁场与基本磁振子完全相同，基本缝隙与基本磁振子是等效的。12 / 16点击按钮惠更斯面元，则惠更斯面元的方向图在显示区内显示出来，由显示图形可见惠更斯面元所辐射的电磁场在空间是一个对称于面元法线的心脏形方向图。点击按钮 Return，返回天线实验总界面。实验二对称阵子方向图分析一、实验目的：通过 MATLAB 编程，熟悉电基本阵子和对称阵子的辐射特性，了解影响对称阵子辐射的因素及其变化对辐射造成的影响二、实验原理：1电基本振子的辐射电基本振子又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度 l 远小于波长 ，其半径 a 远小于 l，同时振子沿线的电流 I 处处等幅同相。用这样的电流元可以构13 / 16成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。图 3-1 电基本振子的坐标电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为：Hr?0?H?0?Ilk1H?sin?(j?2)e?jkr?4?rr?Il2k1?jkr?Er?cos(2?j3)e?4?0rr?2Il1kk1E?Asin?(j?2?j3)e?jkr?4?0rrr?E?0? 电基本振子的辐射场可以分为近区场和远区场。如果 kr 本实验计算的远区场 kr1，在此区域内，电基本振子满足条件：111?kr(kr)2(kr)3则远区场表达式为：14 / 16Il?sin?e?jkr?2?r?60?Il?jkr?E?jsin?e?r?Hr?H?Er?E?0?H?j 可见场强只有两个相位相同的分量。根据方向函数可定义：E(r,?,?)f(?,?)?60I/r 可得电基本振子的方向函数为：f(?,?)?f(?)?lsin? 根据归一化方向函数定义：F(?,?)?E(?,?)f(?,?)?fmax(?,?)Emax 可得电基本阵子归一化方向函数为：F(,)=|sin| 将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图(Fileld 15 / 16Pattern)。方向图就是与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图。在实际中，工程上常常采用两个特定正交平面方向图。在自由空间中，两个最重要的平面方向图是