微波特性研究

1、浙江农林大学开放实验项目论文微波特性研究班 级：姓 名：学 号：指导教师： 日期：2011 年5月微波特性研究（浙江农林大学工程学院工业设计102 浙江 临安 ）摘要 微波应用于许多方面，例如 ：微波炉，雷达系统，无线电辐射计，生物效应。所以为了近一步了解微波的特性，此次测量微波的功率，频率及波导波长（驻波测量线法）关键词：微波，频率，波导，波长 引言：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。微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的

2、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，微波具有波长短、频率高、量子特性和能穿透电离层等主要特点。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”是一种金属风扇叶片，食品放在随电机旋转的大浅盘上。一、 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

3、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。二、 实验任务：1了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用。2掌握驻波测量线的正确使用的方法。3掌握驻波系数的测量原理和方法。三、 实验仪器设备介绍（每个同学不一样） 1微波信号源：提供所需微波信号，频率范围在8.69.6GHz内可调，工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时

4、根据需要加以选择。 2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(见图30-8)。隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。 3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，纵向插入波导管即成(见图30-9)，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。图 30-8 隔离器结构示意图 图30-9 衰减其结构示意图4谐振式频率计（波长表）： 图30-10 谐振式频率计结构原理图1 振腔腔体 2.可调短路活塞 3. 矩形波导 4. 短路活塞

5、 5. 矩形波导 6. 刻度 7. 刻度套筒 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(图30-10), 该种结构方式是以活塞在腔体中位移距离来确定电磁波的频率的，通常可做到5×10-4。5 波测量线探测：微波传输系统中电磁场分布情况，测量驻波比、阻抗、调匹配等，是微波测量的重要工作，测量所用

6、基本仪器是驻波测量线(外形如图30-11)。驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。30-11: DH364A00型3cm测量线外形6选频放大器：用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，经整流平滑后由输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。 实验原理: 微波测量的主要内容为频率、功率和驻波比这三个基本参数的测定。其他参量（如阻抗、衰减、Q值、介电常数和损耗等）都

7、可以通过上述基本参数的测量而得到。下面简要介绍这三个基本参数的测定。1. 功率的测量微波信号的平均功率被某些物体吸收后，变换成热，使该物体温度升高，根据温度变化的幅度就可以测出功率的大小。对几百毫瓦以下的小功率微波信号，常用钨丝或铂丝电阻，或半导体热敏电阻作为测量器件。这些热敏电阻的电阻值随温度而变，所以也随微波信号功率而变。对于几十瓦以上的大功率微波信号，则常用水作为吸收负载。测量水在吸收微波前后的温差以及水的流量，就可以计算它所吸收的功率。详情可参阅相关资料。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），见附录30

8、B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. 驻波比的测量驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和Q值等其他参量。驻波测量是使用“驻波测量线”进行的。驻波测量线的结

9、构见附录30B图30-11和图30-12。在矩形波导的宽边中央沿传输方向开有一个狭槽，基本不影响波导内的电磁场分布。金属探针经狭槽伸入波导中。由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出，从而确定波导传输线内的驻波特性。微波频率很高，通常用检波晶体(微波二极管)将微波信号转换成直流信号来检测的。晶体二极管是一种非线性元件，亦即电压同场强之间不是线性关系，在一定范围内，大致有如下关系 （1）其中是和晶体二极管工作状态有关的参量。当微波场强较大时呈现直线律，当微波场强较小时(P<lW)呈现平方律。因此，当微波功率变化较大时和就不是常数，且和外界条件有关，

10、所以在精密测量中必须对晶体检波器进行校准。在测量时，通常测量电压驻波系数，即波导中电场最大值与最小值之比 （2）将（1）式代入（2）式得 (3) 测量驻波比的方法与仪器种类很多，本实验着重熟悉用驻波测量线测驻波系数的几种方法。 1）小驻波比() 这时，驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据，然后取平均值再进行计算。 若驻波腹点和节点处电表读数分别为，则电压驻波系数为 (4)2）中驻波比()此时，只须测一个驻波波腹和一个驻波波节，即直接读出和。根据（3）式可得电压驻波比。 3）大驻波比()此时，波腹振幅与波节振幅的区别很大，因

11、此在测量最大点和最小点电平时，使晶体工作在不同的检波律，故可采用等指示度法，也就是通过测量驻波图形中波节点附近场的分布规律的间接方法(见图30-1)。我们测量驻波节点的值、节点 两旁等指示度的值及它们之间的距离 (5) 图 30-1 节点附近场的分布 为驻波节点相邻两旁的等指示值，为等指示度之间的距离，为波导波长。当时(若) (6)称为“二倍最小值”法。 当驻波比很大()时，很小，有 (7)必须指出：与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。四、实验内容及步骤: 1.功率的测量(1) 按图30-2所示的框图连接微波系统（已连好）。隔离器信号源定标衰

12、减器波长表测量线功率计波导开关图30-2 测功率时微波系统连接框图(2) 将微波信号源（DH1121C）各选择开关置于以下档位。电压表显示体效应管的工作电压为10.000.50V电流表显示体效应管的工作电流为200到500mA同时将频率、功率旋钮打到最小（逆时针方向），定标衰减器调节到衰减最大（5mm位置），开启电源，预热30分钟。(3) 将波导开关打到功率计的位置，将信号源上的功率旋钮打在合适的位置，打开功率计（注意功率计调零），并由大到小缓慢调节定标衰减器至衰减为零，同时观察功率计大小的变化。设定固定信号源的发射功率分别为8.600GHz，8.800GHz，9.000GHz，9.200GH

13、z，9.400GHz，9.600GHz，选择不同的频率，适当选择功率计量程，读出微波的绝对功率大小，自拟表格并记录数据。2.频率的测量(1) 按图30-3所示的框图连接微波系统（已连好）。隔离器信号源定标衰减器波长表测量线检波器检波指示器波导开关图30-3 频率测量时微波系统连接框图(2) 测量操作按功率测量实验中的操作方法将微波信号源（DH1121C）置于正确的工作状态(注意同时定标衰减器调节到衰减最大)。将波导开关打到检波器的位置，将信号源上的频率调为8.600GHz，9.000GHz，9.200GHz，9.400GHz中的某一个固定频率值，功率旋钮打至合适，调节定标衰减器，使检波指示器指

14、针指到某一特定的位置，如80。缓慢调节波长计，并同时监视检波指示器上的指示读数，当读数突然降低至最小值时，记录此时波长计上刻度值于自拟表格中，并对照波长频率刻度对照表，查出相应的频率值，最后所得数据记入自拟表格中。3.驻波比的测量(1) 按图30-4所示的框图连接微波系统（已连好）。隔离器信号源定标衰减器波长表测量线短路板或被测元件选频放大器波导开关图30-4 驻波比测量时微波系统连接框图(2) 类似功率测量实验中的操作方法将微波信号源（DH1121C）置于正确的工作状态（注意将工作方式改为：方波），并将波导开关打到短路板或被测元件的位置。同时将选频放大器的频率选择置于1K；增益调至最大；量程

15、选择置于×10档。定标衰减器旋至最大，将各仪器档位设置好后，开启电源，预热30分钟，同时调节驻波测量线探针有合适的深度。将三厘米波导测量线滑块调至最右端，调节定标衰减器和选频放大器的频率旋钮，使选频放大器指针达某一值，如80。接着由右往左调节三厘米波导测量线滑块位置，并同时监视选频放大器上的指示读数，指示读数的最大值为波幅值。当读数降低至最小值时，记录此最小值（此即为波节值）按下式计算驻波比 （3）记录实验环境条件，整理好实验仪器。五、六、 实验数据表频率（GHZ）8.6008.8009.0009.2009.4009.600功率(mw)0.30.50.611.21.1表2 给定频率（

16、GHZ）8.6009.0009.2009.400测量频率（GHZ）8.6169.0349.1019.2998.80085.20086.824108.900111.3429.40096.40097.514117.500118.733频率X值1020308.600GHZX1'96.800 97.100 97.300 X1"96.90597.49798.203X2'122.7122.5122.5X2"123.854124.402123.728g52.89452.30550.7258.800GHZX1'88.585.185.2X1"86.4586.

17、42986.824X2'108.9109.3108.9X2"111.026110.853111.342g45.47648.62448.2189.400GHZX1'96.696.496.4X1"97.93197.93598X2'117.5117.5117.5X2"119.165118.947118.733g42.13442.11242.319七、 数据处理及分析1. 在一定范围内，随着频率的增加，功率也随着增大，但是过了这个范围，功率会随着频率的增加而减小。 2. 对于相同的负载，随着频率的增大，波导波长减小。对于相同的频率，随着负载的增大，波导波长不变。八、 心得体会1. 我们需要做实验时，提前预习该实验是很有必要的。在了解该实验的实验原理，实验内容，实验仪器后，会使我