微波基本参数的测量—原理

微波基本参数的测量一、实验目的1、了解各种微波器件；2、了解微波工作状态及传输特性；3、了解微波传输线场型特性；4、熟悉驻波、衰减、波长（频率）和功率的测量；5、学会测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。

二、实验原理微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。

要对这些参数进行测量，首先要了解电磁波在规则波导内传播的特点，各种常用元器件及仪器的结构原理和使用方法，其次是要掌握一些微波测量的基本技术。

１、导行波的概念：由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。

导行波的电场E 或磁场H 都是x 、y 、z 三个方向的函数。

导行波可分成以下三种类型：(A) 横电磁波（TEM 波）：TEM 波的特征是：电场E 和磁场H 均无纵向分量，亦即： 0=Z E ,0=Z H 。

电场E 和磁场H ，都是纯横向的。

TEM 波沿传输方向的分量为零。

所以，这种波是无法在波导中传播的。

(B) 横电波（TE 波）：TE 波即是横电波或称为“磁波”（H 波），其特征是0=Z E ,而0≠Z H 。

亦即：电场E 是纯横向的，而磁场H 则具有纵向分量。

(C) 横磁波（TM 波）：TM 波即是横磁波或称为“电波”(E 波)，其特征是0=Z H ，而0≠Z E 。

亦即：磁场H 是纯横向的，而电场E 则具有纵向分量。

TE 波和TM 波均为“色散波”。

矩形波导中，既能传输mm TE 波，又能传输mm TM 波（其中m 代表电场或磁场在x 方向半周变化的次数，n 代表电场或磁场在y 方向半周变化的次数)。

２、波导管：波导管是引导微波电磁波能量沿一定方向传播的微波传输系统，有同轴线波导管和微带等，波导的功率容量大，损耗小。

常见的波导管有矩形波导和圆波导，本实验用矩形波导。

矩形波导的宽边定为x 方向，内尺寸用a 表示。

窄边定为y 方向，内尺寸用b 表示。

10TE 波以圆频率ω自波导管开口沿着z 方向传播。

在忽略损耗，且管内充满均匀介质（空气）下，波导管内电磁场的各分量可由麦克斯韦方程组以及边界条件得到：()sin()j t z o y x E je ωβωμππα-=-， ()sin()j t z o x x H j e ωβμαππα-= ()cos()j t z z x H e ωβπα-=， x y z E E E ==，2g πβλ=其中，位相常数g λ=c f λ=。

3、波导管中的微波参数：(1) 临界波长c λ：矩形波导中传播的色散波，都有一定的“临界波长”。

只有当自由空间的波长λ小于临界波长λc 时，电磁波才能在矩形波导中得到传播。

mm TE 波或mm TM 波的临界波长公式为：22)()(2b n a mc +=λ 。

(2)波导波长g λ和相速V 、群速Vc ：色散波在波导中的波长用g λ表示。

波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速度称为相速V 。

群速V c 是表示能量沿波导纵向传播的速度，其关系为2*c V V c =。

因为，波导中电磁波是成“之”字形并以光速传播的。

所以，波导波长g λ将大于自由空间的波长λ。

同时，相速V 也大于光速C 。

它们之间的相互关系为：)(1c λλλλ-=g ，)(1*c g c f V λλλ-== 图1 示出了电磁波在波导中传播的方向。

(3) 反射系数Γ和驻波比ρ：波导终端接入负载后，由于负载性质的不同，电磁波就将在终端产生不同程度的反射。

如用Z c 表示传输线的特性阻抗，用Z L 表示负载阻抗。

则反射系数Γ为： LC L C f Z Z Z Z e +-=Γ=Γϕ|| 可见，反射系数Γ是个复数。

当特性阻抗C Z 与负载阻抗L Z 相等（即接入匹配负载）时：||Γ = 0 ,入射波全部被负载吸收而无反射。

当终端短路（微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即0=L Z ）时：Γ=1，入射波被负载全部反射。

微波技术中，还经常使用驻波比ρ来描述传输线阻抗匹配的情况。

波导中驻波比被定义为：波导中驻波电场最大值和电场最小值之比，即:图1 平面波的传播min max E E =ρ ，驻波比ρ与反射系数Γ之间的关系应为：||1||1Γ-Γ+=ρ 。

由此，从图2中(a)、(b)、(c)可看出电场在波导中的分布情况。

(a) 在负载匹配情况下有：Γ = 0及ρ= 1；波导中传播的是“行波”，其幅值为i E ；(b) 在负载短路情况下有： Γ = 1及∞=ρ；波导中传播的是“纯驻波”，其幅度值为||2i E ； (c) 在其它任意负载下有：0 < Γ< 1及1 < ρ<∞；波导中传播的是“行驻波”，其幅度 (1+Γ)||i E 。

传输线的目的是要无损的传输功率，故常希望工作在负载阻抗匹配的情况下。

图2 不同负载情况下电场在波导中的分布图(4) 反射系数和驻波比波在无限长的波导管中沿z 方向传播，构成行波，现只考虑某时刻t 的传输状态，略去j t e ω-因子，则0j l y E E e β=，00E ωμαπ=。

若波导不是无限长的均匀导体，则存在反射波，电场由入射波和反射波叠加而成，j z j z y i r E E e E e ββ-=+，i E 和r E 分别表示入射波和反射波的振幅，将距离L 的原点取在终端负载的反射面上，则上式变为j l j l y i r E E e E e ββ-=+。

定义反射系数()R L 为波导中某横截面处的电场反射波与入射波之比，即：2()(0)j lj l i j l r E e R L R e E eβββ--==，其中(0)|(0)|j R R e ϕ=，R （0）为终端的反射系数，ϕ表示在终端反射波与入射波的相位差，(2)[1|(0)|]j t j l y i E E e R e ββϕ--=+。

当22l n βϕπ-=时，驻波电场达最大值，形成波腹，即：||||(1|(0)|)j t y i E E e R β=+当2(21)l n βϕπ-=+时，驻波电场大最小值，形成波节，即：||||(1|(0)|)j t y i E E e R β=-驻波比ρ定义为波导中驻波最大值与最小值之比，即：maxmin ||(1|(0)|)||(1|(0)|)y y E R E R ρ+==-4、10TE 波的特点：a ． 电场仅有分量0y E ≠，表明电场矢量总是垂直于波导宽边a ，而0y H =表明磁场矢量在平行于波导宽边的平面内。

b ． 电磁场沿y 方向是均匀的，而在x 方向形成驻波0sin()y x E E πα=* 通常以脚标m,n 分别表示在波导宽边和窄边的驻波的个数。

c ． 电磁场在波导的纵向z 上形成行波。

沿z 方向y E 和x E 分布规律相同，即y E 最大处x H 亦最大，0y E =处0x H =，场的这种结构是行波的特点，两者相差为2π。

5、10H 波： 由公式可知，矩形波导中临界波长C λ的最大值应出现在m ＝1，n ＝0的情况下（此时：max C c λλ==2a ）。

这就是10H 波。

10H 波被称为矩形波导中的“主波”，也是最简单、最有用的波形。

一般矩形波导所激励的都是10H 波。

下面将讨论，10H 波中电磁场的简单结构。

(a)电场结构：10H 波中电场E 只有E y 分量。

其电力线将与x-z 平面处处正交。

如图6-2-3所示。

在x-y 平面内，)(0)sin(vz x y e a xE E -=ωπ说明电场强度只与x 有关，且按正弦规律变化。

在x ＝0及x ＝a 处（即：波导中的两个窄边上）。

0=y E 。

在x = a/2 处（即：波导宽边中央），max y y E E =。

由于，能量是沿z 方向传播的。

因此，y E 将沿z 方向呈行波状态，并在x = a/2 的纵剖面内，y E 沿z 轴也是按正弦分布。

(b)磁场结构：10H 波中磁场H 只有z H 及z H 分量。

其磁力线将分布在x-z 平面内。

由于，y E 和H x 决定着电磁波沿z 方向传播的能量，就必然要求y E 与z H 同相，即沿z 方向在y E 最大处， z H 也最大，在x 方向上, z H 是呈正弦分布（与y E 同相）。

所以x H 在横截面和纵剖面的分布情况也与y E 相同。

图3 矩形波导中H 10波的电磁场分布图在讨论z H 分布时，必须注意到，在z ＝0 的截面上， z H 沿x 方向是呈余弦变化，即在x =0 及x ＝a 处， x H 有最大值，而在x = a/2处，则有z H ＝0。

10H 波场的特点可以归结为：a. 只存在y E ， x H x ，z H 三个分量；b. y E 和x H 均按正弦规律分布，z H 按余弦规律分布。

因而y E 和x H 同相，并与z H 反相。

图3显示了H 10波电磁场在矩形波导中的分布。

应当注意到，这些电力线和磁力线的分布情况将随着时间的顺延，而以一定的速度沿z 方向在波导中向前移动着。

三、实验仪器本实验是使用厘米波中的X 波段，其标称波长为3.2cm ，中心频率为9375MHz 。

其它主要设备有：1、测量线：三厘米驻波测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。

其内腔尺寸为a ＝22.86mm ，b ＝10.16mm 。

其主模频率范围为8.60～9.6GHz ，对于TE 10波而言，截止波长a c 2=λ＝45.72mm ，截止频率为==c c c λν 6.557GHz 。

开槽直波导位于波导宽边的正中央，平行于波导轴线，不切割高频电流，因此对波导内的电磁场分布影响很小，开槽波导中的场由不调谐探针取样，探针感应出的电动势经过晶体检波器变成电信号输出，可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息。

实验中就是通过探测测量线中电磁场的分布达到测量微波的各种参数目的。

2、直波导管：型号为BJ —100，其内腔尺寸为a ＝22.86mm ，b ＝10.16mm 。

其主模频率范围为8.20～12.50GHz ，对于TE 10波而言，截止波长a c 2=λ＝45.72mm ，截止频率为==c c c λν 6.557GHz ，实验中作为连接件使用。

3、隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性。

实验中隔离器用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。

4、可变衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。

衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。

5、波长表：电磁波通过耦合孔从波导进入波长表的空腔中，当波长表的腔体失谐时，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。