微波基本参数的测量—原理.doc

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? ZE ,0? ZH 。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? ZE ,而0? ZH 。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? ZH ,而0? ZE 。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。10 TE 波以圆频率?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 oyx E j e ? ????? ????, ( ) sin( ) j t z oxx H j e ? ????? ???( ) cos( ) j t z zx H e ? ?????, x y z E E E ? ?,2 g????其中,位相常数 2 1 ( ) 2 g??????, 波导波长 cf ??。 3 、波导管中的微波参数: (1) 临界波长 c?: 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?小于临界波长? c 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 na m c???。(2) 波导波长 g?和相速 V 、群速 Vc : 色散波在波导中的波长用 g?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*cVV 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?将大于自由空间的波长?。同时,相速 V 也大于光速 C 。它们之间的相互关系为: )(1 c?????? g ,)(1 * c gcfV??????图1 示出了电磁波在波导中传播的方向。(3) 反射系数?和驻波比?: 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。则反图1 平面波的传播射系数?为: LC LC fZZ ZZe???????|| 可见,反射系数?是个复数。当特性阻抗 CZ 与负载阻抗 LZ 相等(即接入匹配负载)时: ||?=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? LZ )时:?=1, 入射波被负载全部反射。微波技术中,还经常使用驻波比?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: min max E E??,驻波比?与反射系数?之间的关系应为: ||1 ||1??????。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: ?=0 及?=1 ;波导中传播的是“行波”,其幅值为 iE ; (b) 在负载短路情况下有: ?=1 及???