微波传播速度的测量讲解

1、微波传播速度的测量摘要：微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。本实验通过对微波频率和波长的测量进而求出微波在空气中的传播速度，并与光速进行对比。关键词：电磁波；无线电波；波速；波粒二象性。Abstract

2、Themicrowaveisafrequencyof300MHz-300GHzelectromagneticradiowavesinalimitedfrequencybandreferred,thewavelengthinmeters(excluding1meter)to1mmbetweentheelectromagneticwaves,decimetriccentimeterwavecollectivelyreferredtoasthemillimeterandsubmillimeter.Microwavefrequencieshigherthantheaverageradiofrequen

3、cy,usuallyreferredtoasultra-high-frequencyelectromagneticwaves.Microwaveasanelectromagneticwavewithwave-particleduality.Thebasicnatureofthemicrowaveisgenerallypresentforpenetratingreflectionandabsorptionofthethreecharacteristics.Forglass,plasticandporcelain,microwavealmostthroughwithoutbeingabsorbed

4、.Forwaterandfoodwillabsorbmicrowaveleavingtheself-heating.Metaltypeofthingwillbereflectedmicrowaves.Inthisstudy,bymeasurementofmicrowavefrequencyandwavelengthandthencalculatethepropagationvelocityofthemicrowaveintheair,comparedwiththespeedoflight.Keywords:electromagneticwave;radiowaves;wavevelocity;

5、wave-particleduality.微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介

6、质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外都是工作在微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。这在

7、目标检测，遥感目标特征分析等应用中十分重要。1实验方案微波属于一种电磁波根据电磁波理论，电磁波在真空中传播时其传播速度与其波长和频率有如下关系V=尚,n=c/v电磁波在不同的介质中传播时其波速由相应的介质的性质决定，本实验在测量时实验室空气的折射率近似取标准状况下的空气折射率n=1.00029o1.1、实验计算公式的推导在波导中常用相移常数、波导波长、驻波系数等特性参量来描述波导中的传输特性，对于矩形波导中的TE10波自由仝间波长儿=c/f截止(临界)波长九。=2ac:波导波长Kg=/4-(1/I)根据以上的三个公式可以得到本实验的测量公式：(1/1+(1/2a)2考虑到空气折射率的影响，则实

8、验室条件下，微波的传播速度为:1.2 j/n=f*xgV1/+(xg/2a)2l/n图五1.3 、测量方法a、按图五接好实验系统b、打开信号源.调节输出电平及频率、方波内调制、重复频率为1000Hz&右。c、移动测量线探针.同时适当调整放大器的增益避免在最大输出位置时使选频放大器的表头指针打表。来回移动测量线的探针.观传输在终端短路情况下全反射的驻波分布情况。d、用“平均法”找出两个相邻的最小点位置D1和D2,即：移动探针在驻波最小点左右找出两个具有相同幅度（由选频放大器读出）的位置di和d2然后取其平均值、即为所需的最小点位置D1,用同样的方法找出相邻的最小点D2,如下图所示e、求出最小点位

9、置D1和D2相邻两个最小点的距离即为半个波导波长D1和D2的位置在测量线上通过标尺读出，如要精确测量的话，同轴测量线可通过附件微测器，波导测量线可通过附件千分表读出。1.4、 使用吸收式频率计测量微波频率1.4.1、 实验连接图1旨Z轴方向传播TE10波的各个分量为其中，相位常数波导波长:所以为了使波导内只传播TE10波，波导截面尺寸应满足v口v儿Ovhv72般取a七0.740Ao.30.5/1目前我国通常取a=22,86m/n,/?=10.16?其主模频率范围为8.20-12.50GHz截止频率为6.557GHz。1.4.2、测量方法系统中的频率计为吸收式频率计其结构如图八所示。当传输线中相

10、当一部分功率进入频率计谐振腔内，而另一部分从耦合元件处反射回去，在谐振时腔中场很强反射回去也强。使之频率计的输出在谐振时明显减小。如图九所示。螺旋测微机构可调短路活塞网柱谐振腔明台孔矩形波导图A吸收式频率计结构Q图九慢慢旋动频率计由内向外慢慢转动。当转动到输出幅度明显降低，在降低到最低的频率时，就是所测信号源的频率。由于频率计的测量精度是小于0.3%所以这种测量的精度是很高的。通过选取不同的负载，可测量出较多组的频率和相应的波导波长，通过计算可以较为精确的求出微波传播速度的平均值。2、实验数据记录2.1、中驻波频率测量实验数据记录项目组别1组2组3组4组5组6组7组8组9组10组长度L/mm3

11、.6513.5673.5603.5613.6563.5653.5663.5703.5613.563频率f/GHz9.1579.1569.1579.1579.1569.1569.1569.1559.1579.157平均波长f0/GHz9.1564表12.1.1、中驻波波导波长测量实验数据记录项目组别1组2组3组4组空间位直l/mm84.386.8107.9110.1131.5133.9155.1157.2同组之和/mm171.1218265.4312.3波导波长入g/mm46.946.9平均波导波长入g/mm46.9表23、实验数据处理3.1.1、微波在空气中的传播速度计算根据表1中相关数据可知

12、本实验中测量的微波的平均频率为:fo=9.1564GHz根据表2中相关数据可知，本实验测量的微波的波导波长为:g=46.9mm实验室空气折射率近似取标准情况下的空气折射率n=1.00029。将上述数据带如实验测量公式有：cv二一n.f*%，1/T(%/2a)2n,9156.4*10*0.04694八1+0.0469(2*0.02289)2一1.00029=2.99878*18m/s3.1.2、实验相对误差的计算已知光在真空中的传播速度为：c=299792458m/s则光在空气中的传播速度为：299792458一1.00029=299705543.4m/s则本实验测量微波在空气中的传播速度的相对

13、误差为:v测量-v理论*100%v理论1299878000-299705543.4*100%299705543.4=0.058%4、实验分析总结4.1.1 、实验结果分析从实验相对误差来看，本实验测量微波的传播速度实验相对误差较小，在实验精度要求和实验误差允许范围内，本实验测量结果真实有效，实验数据接近其真值。实验方案建立时查阅了大量相关文献，对实验方案进行了相应的改良，并在实验中注意相应的操作过程，避免了因为操作失误引入的测量误差。4.1.2 实验总结(1)本实验使用驻波测量线来测量微波的波导波长及其频率，在使用测量线的过长中因注意防止回程误差，移动时尽量向着一个方向移动，当要接近目标时应减缓移动的速度，防止超过目标而引入回程误差。(2)在测量频率时，旋转频率计的速度应慢，由于检流计有一定的弛豫，且当频率计的固有频率等于微波的频率时其因吸收而衰减的速度较快，检流计来不及偏转而一晃而过，从而给实验带来较大麻烦浪费试验时间。参考文献1黄席椿编.论波速M.高等教育出版社,19852截止