微波基本参数的测量—原理.doc

------------------------------------------------------------------------------------------------ ——————————————————————————————————————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: EZ?0 ,HZ?0 。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 EZ?0 ,而 HZ?0 。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 HZ?0 ,而 EZ?0 。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 TEmm 波, 又能传输 TMmm 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。 TE10 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: Ey??j ??o???x?xsin()ej(?t??z) , Hx?josin()ej(?t??z) ???? 2??xj(?t??z) , Ex?Ey?Ez , ?? )e??g c 其中,位相常数?g??? 。 fHz?cos( 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? 电磁波才能在矩形波导中得到传播。 TE mm 波或 TMmm 波的临界波长公式为: ?c?c 时, 2 mn()2?()2 ab。(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 Vc 是表示能量沿波导纵向传播的速度,其关系为 V*Vc?c2 。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: ?g?? ?()?c , V??g*f?c?()?c 图1 平面波的传播图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 Zc表示传输线的特性阻抗,用 ZL 表示负载阻抗。则反射系数? 为: ??|?|ef??ZC?ZL ZC?ZL 可见,反射系数? 是个复数。当特性阻抗 ZC 与负载阻抗 ZL 相等(即接入匹配负载)时: |?| =0, 入射波全部被负载吸