微波频率及波导波长的测量

1、开放项目讲义微波频率及波导波长的测量1、微波的性质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。从图1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。与无线电波相比，微波有下述几个主要特点A/41F111HiaJin6川寸1一L- 1|1LJMILIjiia】尸10-0iiiMl1 1 11DJI1P1111|i 沪i(ric«1 L 1 1 IEifO'"

2、uj见光xm图1电磁波的分类(1) .波长短(1m 1mm):具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。(2) .频率高：微波的电磁振荡周期(10-9 一 10-叫并艮短，已经和电子管中电子在电极间 的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等 卜微波固体器件和量子器件来代替。另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与

3、波长具有相近的数量级， 在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。(3) .微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。(4) .量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-610-3eV，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。(5

4、) .能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际 应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。 微波实验是近代物理实验的重要组成部分。2、微波的用途(1) 微波炉微波炉是一种相当简单的系统，由高功率源、波导馈线和炉腔所成。源一般是工作在2.45GHz的磁控管，它的输出功率通常在5001500W之间。炉腔具有金属壁，电气尺寸相对较大，为了减小由于炉子内存在驻波所引起的不均匀加热，用一种 模扰动器”扰乱腔内场 分布，这种 “模扰动器 ”是一种金属

5、风扇叶片，食品放在随电机旋转的大浅盘上。 在普通气体或木炭火的炉子中， 首先，被加热的食品由于热传递先在它的外部得到热量， 然后， 食品内部由传导得到热。 微波加热时， 食品的内部先得到热。出现这种现象的原因在 于水分子的谐振和具有大损耗正切材料的损耗。 一种有趣的事实是很多食物的损耗正切， 随 着温度的增加而下降，以使微波加热在某种程度上有自我调节功能。结果与通常烹调比较， 微波烹调给出极快并更均匀的食品加热。 微波炉的效率定义为变换为食品中热量的功率对供 给炉子功率的比值，一般小于 50%；但是，这通常大于普通炉子的烹调效率。（2）雷达系统现代雷达大多数是微波雷达， 利用微波工作的雷达可以

6、使用尺寸较小的天线， 来获得很 窄的波束宽度以获得关于被测目标性质的更多的信息。 雷达不仅用于军事， 也用于民用， 如 导航，气象探测，大地测量 ,工业检测和交通管制等。雷达或称雷达检测和定位， 也许是微波技术最有优势的应用。 在运行中， 发射机发出一 个信号， 信号的一部分被遥远的目标反射， 然后被一个灵敏的接收机检测到。 如果使用的是 一个窄波束天线， 则目标的方向就可由天线的位置准确地测出； 目标的距离， 由信号传导目 标并被目标反射回来所使用的时间来决定，目标的径向速度也与返回信号的多普勒频移有 关。雷达系统经常应用在如下的场合中：A 、公众应用：机场监视、海上导航、气象雷达、测量学、

7、飞机着陆、夜间防盗、速度 测量（警戒雷达） 、测绘等。B、军事应用：空间和海事导航，飞机、导弹、空间飞行器的检测和跟踪，导弹的精确 制导，导弹和火炮的点火控制，武器保险、侦察等。C、科学应用：天文学、绘图和成像，精密距离测量，自然资源遥感等。（3）无线电辐射计雷达系统得到有关目标的信息， 是用发射一个信号并接收从目标返回的回波实现的， 因 此，可以当作是一个有源的遥感系统。 无线电辐射计是一种无源遥感技术， 用它发现有关目 标的信息是通过接收黑体辐射的微波粒子 （噪声） 实现的， 该微波粒子直接由周围物体辐射 或反射，无线电辐射计是一种灵敏的接收机，专门用以测量这种噪声功率。微波辐射计是一门相

8、当新的技术领域， 它正处在迅速发展阶段， 从电子工程、 海洋地理、 地球物理、大气和空间科学等领域中引伸。下面是微波辐射计的一些典型的应用：（一）环境应用：沙子潮湿的测量、海洋表面的风速、洪水绘图、大气层温度的轮廓、 雪层 /冰层的测绘等。（二）军事应用：目标检测、监视、目标确认、绘图等。（三）天文学应用：行星绘图、银河星系射电噪声目标的测绘、太阳辐射测绘、宇宙黑 体辐射的测量等。（ 4）生物效应 已经证实微波辐射对暴露体产生的危害是由热效应产生的。人体吸收RF 和微波能量，并将它变换成热，如同在微波炉中那样， 在低电平时这种热在身体中没有感觉。它对脑、眼 睛、胃组织等影响最大， 过度照射可能

9、引起白内障等生理疾病。因此， 必须设定一个安全的 辐射电平标准， 使微波设备的用户不暴露在有害的功率电平下。 某些专家认为， 长期暴露在 微波辐射下，非热效应对身体亦有危害。既然微波具有如此多的用途， 而且许多用途都跟微波的波长与频率有很大的关系。 那么 微波的波长与其频率有什么关系， 频率的变化会引起波导波长怎样的变化， 频率的变化会引 起微波驻波比重要的变化等等问题有待我们去解决。3、原理（1） .微波的波导传输和波导管的工作状态（见“微波基本知识”）（2）频率的测量频率的测量比较简易的方法是测量波长，然后由波长推算出频率。在分米波与厘米波段，常用谐振式频率计（波长表），见实验教材附录 3

10、0B图30-10。波长表由传输波导与圆柱形 谐振腔构成，连接处用长方形孔作耦合。电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当 电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。这是吸收式波长表。（3）.波导波长测量（驻波测量线法）波导波长是指在波导管中传播的合成波的两个相邻波峰或波谷之间的距离。它在数值上等于相邻两个驻波极值点（波腹或波节）距离的两倍。由于场强在极大值点附近变化缓慢， 峰顶位置不易确定，而且探针位于波节点处对场分布的影响最小，所以实际采用测定驻波极小点的位置来求出波导波长。 为提高测量精度，通常采用交叉读数法确定波节点的位置，即取这两点坐标的平均值作为波节点在波节点附近找出指示器上输出幅度相等的两点的坐标, 的坐标。如下图所示，贝U图2波导波长测量图3节点附近场的分布U为驻波节点相邻两旁的等指示值，W为等指示度之间的距离， g为波导波长。W与I的测量精度对测量结果影响很大，因此必须用高精度的探针位置指示装置（如百分表）进行读数。4、项