第4个实验：基于微波分光计的微波电磁辐射特性测量

1.微波的特性与应用1．1微波的特性什么是微波？微波是波长很短的电磁波，一般把波长从1米到1毫米，频率在300—300000MHZ范围内的电磁波称作微波。广义的微波包括波长从10米到10微米（频率从30MHZ到30THZ）的电磁波。微波具有以下特点：（1）波长短：它不同于一般的无线电波，因微波波长短到毫米,它具有类似光一样有直线传播性质。（2）频率高：微波已成为一种电磁辐射，趋肤效应、辐射损耗相当严重。所以在研究微波问题时要采用电磁场和电磁波的概念和方法。不能采用集中参数元件。需要采用分布参数元件，如波导、谐振腔、测量线等。测量的量是驻波比，频率。特性阻抗等。（3）量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围约为10-6～10-3eV。许多原子和分子发射和吸收的电磁波能量正好处于微波波段内，人们正是利用这一特点研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学、量子电子学等新兴学科，并研制了量子放大器、分子钟和原子钟。（4）能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿过地球周围的电离层，是进行卫星通信，宇航通信和射电天文学研究的一种有效手段。基于上述特点，微波作为一门独立学科得到人们的重视，获得迅速的发展[1]。1.2微波的应用（1）雷达与通信微波的早期发展与雷达密切相关：利用微波直线传播的特性，可制成军用的如超远程预警雷达，相控阵雷达。民用的气象雷达，导航雷达等。在通信方面，微波的可用频带很宽，信息容量大，现代移动通信和卫星通信中都在微波波段。（2）受激辐射原理——频标、计量标准在微波波谱学深入研究的基础上，1957年根据受激辐射原理发明了微波受激辐射放大器，即“脉塞”，这就是大家知道的量子放大器。1960年发明了光受激辐射放大器，即“莱塞”这就是激光器。激光的发明，是本世纪科学技术上的一个重大突破，但是追根寻源，不难看出激光器的发明只是将微波技术中的（受激辐射原理）成果（量子放大器）“移植”到可见光波段的一项新成就。量子频率标准（原子钟）是利用波谱学成就制作的精确时间频率测量设备，目前量子频标的频率稳定度和准确度已分别达到10-14和10-15的数量级，在精确测量频率的基础上，物理学理论如量子电动力学和广义相对论所预言的某些效应，兰姆移位，电子反常磁矩、引力“红移”和引力波等已得到验证。（3）微波与物质的相互作用微波铁氧体是微波技术中常用的一种各向异性材料，它不仅具有较强的磁性，而且具有很高的电阻率。微波很容易通过铁氧体，在铁氧体中产生特殊的磁效应——旋磁性。在恒磁场和微波场的作用下，微波铁氧体的微波磁导率是一个张量。张量磁导率的特点是：①非对称性，这使微波在铁氧体中传播具有非互易性，成为制作非互易微波铁氧体器件的基础；②张量元素都是复数，其实部具有频散特征，其虚部具有共振特性，是研究铁氧体的微波特性和微观结构的基础。等离子体是分别带有正负电荷的两种粒子所组成的电中性的粒子体系，其中至少有一种带电粒子是可以自由运动的。等离子态称为物质的第四态。等离子体物理与受控热核反应、空间研究、天体物理和气体激光等密切相关，且有重要应用，利用微波与等离子体的相互作用，可以对等离子体的特性进行研究并促进应用。例如：①微波等离子诊断；②利用高功率微波加热等离子体；③利用微波产生等离子体。（4）穿透电离层——天体物理和射电天文研究以微波为主要观测手段的射电天文学的迅速发展，扩大了天文观察的视野，促进了天体物理的研究，所谓六十年天文学的四大发现——类星体、中子星、微波背景辐射和星际分了，全都是利用微波为主要观测手段发现的。其中，微波背景辐射被誉为“二十世纪天文学的一项重大成就”，荣获1978年诺贝尔物理奖。（5）介质的微波特性——微波电谱和磁谱，微波吸收材料，微波遥感微波电谱和磁谱是指介质的介电常数和磁导率与外加微波场频率的相互关系，微波电谱和磁谱不仅提供介质材料性能的重要判据，在基础研究中也具有图2.1实验装置图固态信号源发出的信号具有单一的波长（），相当于光学实验中要求的单色光束。当选择“连续”时，指示器是微安表，当选择“方波”时指示器为测量放大器。两个喇叭天线的增益大约的20dB，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面是20°，E面是16°，当发射喇叭口面宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏振方向是垂直的。成套微波分光仪如图2.2所示。图2.2微波分光仪序号名称序号名称1分度转台2喇叭天线3可变衰减器4晶体检波器5检波指示器6视频电缆及微安表7反射板8单缝板9双缝板10半透射板11模拟晶体（模拟晶体与支架）12计数机构13支座14支柱15模片三厘米固态振荡器发出的信号具有单一的波长（出厂时信号调在λ=32.02mm上），这种微波信号就相当于光学实验中要求的单色光束。喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面是200，E面是160。当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏损方向是垂直的。可变衰减器用来改变微波信号幅度的大小，衰减器的度盘指示越大，对微波信号的衰减也越大。晶体检波器可将微波信号变成直流信号或低频信号。2.2装置的调整首先旋转工作平台使00刻线与固定臂上指针对正，再转动活动臂使活动臂上的指针对正在工作平台1800刻线上，然后将安装在基座上的滚花螺钉拧紧，使活动臂不易自动摆动（即锁紧）,读出指示器示数；然后，松开螺钉，移动活动臂向左右同样角度（如20°）时，观看指示器读数左右移动时，偏转是否相同，如果不同，略略旋转接受喇叭，反复调节直至左右指示器偏转相等为止。用一根细线绳，拉紧在发射，接收两个喇叭天线之间，先使喇叭天线上刻的短刻线（每个喇叭上和法兰盘上都有刻线）成一直线。这可以细绳为准绳，通过水平转动两个天线的角度来实现。然后，用一块反射板（本仪器所带的成套件）或一块大三角板垂直放在工作平台上，并使垂足通过工作平台中心。此时，着细线是否正与反射板或三角板垂直平台平面的一边正好靠上（允许误差上2mm）。如不符合规定要求，可重新调整固定臂的安装角度和指针，也可稍微摆动活动臂，使细线正与垂边靠上，然后调整活动臂上的指针位置，使其正指1800。做反射，单缝衍射，双缝干涉实验时，（14）分别为反射板，单缝衍射板，双缝干涉板；做迈克尔逊干涉实验时，（14）为分光玻璃板，并安装二个正交反射板；做布拉格衍射实验时（14）为模拟立方晶体。3.微波实验的基本原理微波的反射电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反对，微波遵从反射定律，本处以一块大的金属板作为障碍物来研究当电波以某一入射角投射到此金属板上所遵循的反射定律，即反射线在入射线和通过入射点的法线所决定的平面上，反射线和入射线分居在法线两侧，反射角等于入射角。图反射实验仪器的布置仪器连接时，两喇叭口面应互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上。指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的900刻度处，将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座（与支座上刻线对齐）拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。反射金属板放到支座上时，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致。而把带支座的金属反射板放到小平台上时，应使圆盘上的这对与金属板平面一致的刻线与小平台上相应900刻度的一对刻线一致。这时小平台上的00刻度就与金属板的法线方向一致。转动小平台，使固定臂指针指在某一角度处，这角度该数就是入射角，然后转动活动臂在表头上找到一最大指示，此时活动臂上的指针所指的刻度就是反射角。若此时表头指示太大或太小，应调整衰减器、固态振荡器或晶体检波器，使表头指示接近满量程。做此项实验，入射角最好取300至650之间。因为入射角太大接收喇叭有可能直接接受入射波。做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响【2】。3.2微波的偏振性微波在自由空间传播是横电磁波，它的电场强度矢量E与磁场强度矢量H和波的传播方向S永远成正交的关系，它们的振动面的方向总是保持不变。E、H、S遵守乌莫夫-坡印矢量关系（见图3.2）：（）如果E在垂直于传播方向的平面内，沿着一条固定的直线变化，这样的横电磁波叫线极化波，在光学中也叫偏振波。电磁场沿某一方向的能量有的关系，这就是光学中的马吕斯定律[3]:（）式中为偏振光强度，是与间的夹角。图3.2.1微波的偏振性实验仪器布置如图两喇叭口面互相平行，并与地面垂直，其轴线在一条直线上，由于接收喇叭是和一段旋转短波导连在一起的；在旋转短波导的轴承环的900范围内，每隔50有一刻度，所以接收喇叭的转角可以从此处读到。因此转动接收喇叭，就可以得到转角与微安表头指示的一组数据，并可与马吕斯定律进行比较。最后完成下表。做实验时为了避免小平台的影响，可以松开平台中心三个十字槽螺钉，把工作台取下。还要尽量减少周围环境的影响【2】。图偏振实验的仪器布置3.3微波的单缝衍射微波的衍射原理与光波完全相同，当一束微波入射到一宽度与波长可比拟的狭缝时，它就要发生衍射现象，如图所示。ααφ入射波图3.3.1微波的单缝衍射设微波波长为，狭缝宽度为，当衍射角符合：=1,2,3,…

时（）在狭缝背面出现衍射波的强度极小，而当衍射角符合：=0,1,2,…

时（）则在缝后面出现衍射波的强度极大（主极大发生在处）。实验仪器布置如图图单缝衍射实验的仪器布置仪器连接时，预先接需要调整单缝衍射板的缝宽，当该板放到支座上时，应使狭缝平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致，此刻线应与工作平台上的900刻度的一对线一致。转动小平台使固定臂的指针在小平台的1800处，此时小平台的00就是狭缝平面的法线方向。这时调整信号电平使表头指示接近满度。然后从衍射角00开始，在单缝的两侧使衍射角每改变一定角度读取一次表头读数，并记录下来，这时就可画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线，并根据微波波长和缝宽算出一级极小和一级极大的衍射角，并与实验曲线上求得的一级极小和极大的衍射角进行比较。最后记录数据并绘出曲线【4】。3.4微波的迈克尔逊干涉用微波源做波源的迈克尔逊干涉仪与光学中的迈克尔逊干涉[5]完全相似，其装置如图3.4所示，发射喇叭发出的微波，被45°放置的分光玻璃板MM（也称半透射板）分成两束，一束由MM反射到固定反射板A；另一束透过MM到达可移动反射板B.由于A、B为全反射金属板，两列波被反射再次回到半透A(固定反射板)发射喇叭接收喇叭B(可移反射板)图3.4.1迈克尔逊干涉实验的基本原理实验仪器布置如下图3.4.3：使两喇叭口面互成900。半透射板与两喇叭轴线互成450，将读数机构通过它本身上带有的两个螺钉旋入底座上，使其固定在底座上，再插上反射扳，使固定反射板的法线与接受喇叭的轴线一致，可移反射板的法线与发射喇叭轴线一致。实验时,将可移反射板移到读数机构的一端，在此附近测出一个极小的位置，然后旋转读数机构上的手柄使反射板移动，从表头上测出个极小值，并同时从读数机构上得到相应的位移读数，从而求得可移反射板的移动距离。则波长【4】。图3.4.2迈克尔逊干涉实验的仪器布置3.5天线的方向性通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。其中方向系数最大的地方，即辐射增强的方向，称主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线对各个方向的方向系数大小。由下面的方向图（图3.6）可以看出，天线的方向性图像象花朵的叶瓣，各叶瓣称为方向叶。处于主射方向的方向叶称为主叶，处于主叶反方向位置的方向叶称为后叶，其他方向的方向叶统称为副叶。显然主叶的宽度越窄，说明天线的方向性也好。天线方向性的好坏，工程上常采用半功率角和零功率角两个参量来表示。所谓半功率角是指主叶瓣上场强为主射方向场强的时（即功率下降1/2时），两个方向间的夹角，即为“”；所谓零功率角是指偏离主射方向最近的两个零射方向（辐射场强为零的方向）之间的夹角，记为“”。半功率角和零功率角越小，表示主叶瓣的宽度越窄，说明天线的方向性越好。将一小喇叭天线至于支座上，这时调整信号电平使表头指示接近满度。然后从方位角00开始，每转动一定角度读取一次表头读数，并记录下来，这时就可画出电流强度与方位角的关系曲线。一副方向性良好的天线，除了必须具备上述具有较小的半功率角和零功率角外，还应该包括后叶瓣和副叶瓣尽可能小，以减小可能出现的窜扰【6】。图3.5微波天线的方向图实验内容验证反射定律数据处理使入射角从300变化到650，调节接收臂，使其微安表示数最大，读取此时的反射角度数，测出多组数据，如下表所示：表不同入射角对应的反射角入射角（0）反射角（0）分析从表中可以看出，测量结果基本满足反射定律，反射角≈入射角，且微安表接近满偏。但是由于设置反射板位置及读取数据时含有目测成分，而且由于微波具有波动性以及反射板平整度不够，引起一点漫反射，所以测量结果存在极小的误差。微波的偏振性数据处理转动接收天线，每转一定角度，记录一次数据，测得多组数据，如下表及图4.2.1所示：表接收天线不同转动角度对应的微安表读数转动角度（0）检流表示数（）转动角度（0）检流表示数（）转动角度（0）检流表示数（）转动角度（0）分析此偏振强度分布图能与理论值很好的相符，即满足方程，从图中我们可以看出，在为0度时，达到最大值，而当为90度时，约等于0，为最小值，没有微波通过，这就是波的偏振性特点。单缝衍射实验数据处理转动微波接收臂，每转一定的角度，记录一次数据，测得多组数据，记录数据如下表所示：表接收天线每转动一定角度对应的微安表读数偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）微安表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）偏转角度（0）检流表示数（µA）根据画出以下曲线（图）：4.3.1单缝衍射示意图分析图4.3.2夫琅禾费单缝衍射光强分布曲线本实验采用的缝宽是5cm[7]，观察实验单缝衍射曲线,发现实验图形左右峰值不等,且图形都不对称,与理论结果有些误差.通过以上的实验观察分析,初步认定回峰和凹峰现象主要是：1、由发射天线发出的微波经周围物体的反射及其他波源所发出的杂波从周边射入接收器共同与衍射波叠加所造成的；2、微波分光计单缝衍射实验衍射图样是喇叭口衍射与单缝衍射共同作用的结果[8].根据上述分析的结果可知,要想改进实验效果,必须从减小接收器对杂波的摄入量入手，即实验中尽量减少实验室摆放物品的数量，用能吸收波的材质铺在墙面上以减少微波反射，保持实验室恒温，禁止实验期间使用非教学之内的电磁波源，同时在相邻微波分光计间设立屏蔽。迈克尔逊干涉测微波波长表微波波长的计算（mm）（mm）（mm）平均值（mm）分析表中数据表明，基本符合迈克尔逊干涉的条件，即满足方程。由于实验中互相垂直的两块挡板须目测摆放，对结果有一定的影响，但是在允许的误差范围之内。迈克尔孙干涉原理测量微波波长的实验是相当成功的，又试验得出的结果λ=36.037mm也非常接近试验仪器的参数。天线的方向性数据处理当接收天线与发射天线准直时，调节衰减器，使微安表满偏。转动微波接收臂，每转一定的角度，记录一次数据，测得多组数据，记录数据于下表表4.5.1天线方向性数据(0°-180°)角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）表4.5.2天线方向性数据(30°-70°)角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）角度（0）检流表示数（µA）图4.5.1天线方向性的曲线微波分光仪的应用（）现对模拟立方晶体水平上的某一晶面加以分析，如图3.5所示，假设“原子”占据着点阵的结点，两相邻“原子”之间的距离为（晶格常数）。晶体内特定取向的平面用密勒指数标记，图9中实线和虚线分别表示（100）和（110）晶面与水平某一晶面的交线，当一束微波以0角掠射到（100）晶面，一部分微波将为表面层的“原子”所散射，其余部分的微波将为晶体内部各晶面上的“原子”所散射。各层晶面上“原子”散射的本质是因“原子”在微波电磁场协迫下做与微波同频率的受迫振荡，然后向周围发出电磁电子波。由图9知入射波束PA和QB分别受到表层“原子”A和第二层“原子”B散射，散射束分别为AP′和BQ′，则PAP′和QBQ′的波程差为：（）式中为晶面间距，对立方晶体，显然波程差为入射波波长的整数倍时，即，两列波同相位，产生干涉极大值，式中表示掠射角（入射线与晶面夹角），称为布拉格角；为整数，称为衍射级次。同样可以证明，凡是在此掠射角被（100）各晶面散射的微波均为干涉加强。布拉格公式不仅对于（100）晶面族成立，而对于其它晶面族也成立，但晶面间距不同。对于（110）晶面族，计算晶面间距的公式为：（）SHAPE(110)(100)B(110)(100)BDCAQPQ`P`图5.1.1模拟晶体微波布拉格衍射实验仪器布置如图所示图5.1.2布拉格衍射实验的仪器布置实验中除了两喇叭的调整同反射实验一样外，要注意的是模拟晶体球应用模片调得上下左右成为一方形点阵，模拟晶体架上的中心孔插在支架上与度盘中心一致的一个销了上。当把模拟晶体集放到小平台上时，应使模拟晶体架下面小圆盘的某一条与所研究晶面法线一致的刻线与度盘上的00刻线一致。为了避免两喇叭之间波的直接