微波传播速度的测量

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

The microwave is a frequency of 300MHz-300GHz electromagnetic radio waves in a limited frequency band referred,, the wavelength in meters (excluding 1 meter) to 1 mm between the electromagnetic waves, decimetric centimeter wavecollectively referred to as the millimeter and submillimeter. Microwave frequencies higher than the average radio frequency, usually referred to as "ultra-high-frequency electromagnetic waves. Microwave as an electromagnetic wave with wave-particle duality. The basic nature of the microwave is generally present for penetrating reflection and absorption of the three characteristics. For glass, plastic and porcelain, microwave almost through without being absorbed. For water and food will absorb microwave leaving the self-heating. Metal type of thing will be reflected microwaves. In this study, by measurement of microwave frequency and wavelength and then calculate the propagation velocity of the microwave in the air, compared with the speed of light.

Keywords:electromagnetic wave; radio waves; wave velocity; wave-particle duality.

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 ， 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=1.00029。

1.1、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TE 10 波

2=c/f 2/1(/)

c g c a λλλλλλ⎧⎪⎪

=⎨⎪=-⎪⎩自由空间波长 截止（临界）波长 波导波长

根据以上的三个公式可以得到本实验的测量公式：

考虑到空气折射率的影响，则实验室条件下，微波的传播速度为：

1.2、实验连接图

V=λ*f n=c/v

2

*1/1(/2)g

g c f a λλ⎡⎤=+⎣⎦

{

}

2

/*1/1(/2)/g g v c n f a n λλ⎡⎤==+⎣⎦

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左右。

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d1 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：

图六

e、求出最小点位置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