微波的基本参数测量 实验报告

微波的基本参数测量

【摘要】

微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。在通过对微波测试系统的基本组成和工作原理的观察和研究后，我们需要对频率、功率以及驻波比等基本量进行测量。了解了微波在波导中的传播特点，习用微波作为观测手段来研究物理现象，从而进一步认识微波。

【关键词】

微波频率驻波比功率

【引言】

微波的用途极为广泛，已经成为我们日常生活中不可缺少的一项技术。微波通常是指波长从1米（300MHZ）到1毫米（300GHZ）范围内的电磁波，其低频段与超短波波段相衔接，高频端与远红外相邻，由于它比一般无线电波的波长要短的多，故把这一波段的无线电波称为微波，可划分为分米波、厘米波和毫米波。微波的基本特性明显，如波长极短、频率极高、具有穿透性、似光性等。基本特性明显使得微波被广泛应用于各类领域。微波技术不仅在国防、通讯、工农业生产的各个方面有着广泛的应用，而且在当代尖端科学研究中也是一种重要手段，如高能粒子加速器、受控热核反应、射电天文与气象观测、分子生物学研究、等离子体参量测量、遥感技术等方面。近年来，微波技术与各类学科交叉衍生出各类微波边缘学科，如微波超导、微波化学、微波生物学、微波医学等，在各自领域都得到了长足的发展。

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。从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的如下重要特点：

穿透性：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。

似光性和似声性：微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减小；使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。

非电离性：微波的量子能量还不够大，不足与改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键。再有物理学之道，分子原子核原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因而微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用这一特性，还可以制作许多微波器件。

微波技术是一门独特的现代科学技术，其重要地位不言而喻，因此掌握它的基本知识和实验方法变得尤为重要。

【正文】

一、实验原理

微波是一种波长较短的电磁波。在电磁波波谱表中，微波的波长介于无线电波与光波之间。波长较长的分米波和无线电波的性能相近，波长较短的毫米波则与光波的性质相一致。本实验是使用厘米波中的X波段，其标称波长为3.2cm，中心频率为9375MHz。

由于微波所辐射的能量可与物质发生相互作用，在近代物理领域中已成为一种十分重要的研究手段。使用微波直线加速器和微波频谱仪可对原子和分子结构进行研究；微波衍射仪可用来研究晶体结构；微波波谱仪可测定物质的许多基本物理量；微波谐振腔又可用来测量低损耗物质的介质损耗及介质常数等。

微波的波长被规定在1mm～1M之间，其频率范围相当于300GHz～300MHz。如此之高的振荡频率，势必会引起一系列新的问题。现将微波与无线电波的主要不同点简述如下：

1. 微波的产生具有其独特性

电子管中，电子由阴极到达阳极的时间称为“电子渡越时间”，一般是在

sec的数量级。这对频率较低的无线电波来讲，几乎可被忽略。但对频率高于300 MHZ的微波，则将受到制约。若想从电子管中获得微波信号，只能借助于电子流与谐振腔相互交换能量的方式来进行。

2. 在研究方法上两者有明显的不同

在低频电路中，工作波长已远远超出实际电路的几何尺寸（例如：对应于50Hz的电磁波其波长值为6000KM）。电路中各点的电流和电压值可被认为是在同一时刻建立起来。

微波系统则不然，由于微波器件的线度十分接近于工作波长，电压、电流等概念将有别于低频电路。为此，微波系统的研究方法必须从三度空间场的理论着手，把“路”的观点转化成“场”的观念、把“基尔霍夫定律”转化成“麦克斯韦方程组”、把“集总参数”转化成“分布参数”，才能认识和讨论有关问题。3. 微波在传输特性上类似于光波

微波与光波虽在波长值上有差异，但均远远地小于地球上一般物体的实际尺寸。尤其对微波中的毫米波，其传输特性与光波更为接近，使用准光传输线就能同时传播微波与光波。同样，一般的光学器件和光学特性，微波也都具备。微波的突出贡献尤其表现在空间技术领域，使用会聚成束的微波电磁场能量，可以进行定向发射，并能顺利地穿透空间电离层，已被人们称为“宇宙的窗口”。

4. 微波基本参数的测量方法与低频电路大不相同

阻抗、波长、驻波比和功率等微波参数的测量方法有其独特之处。微波阻抗的测量是通过检测电场强度的相对值（即：驻波比）来实现。波长的测量可经校准过的谐振腔来进行（即通常所称的“吸收式波长计”）。功率的测量是利用微波的热效应，通过热电换能器进行间接的量测。

实验装置图：

二、实验步骤：

根据讲义中介绍的常用微波器件和实验室提供的仪器使用说明书，掌握它们的工作原理及使用方法。

1．频率测量 ①按微波信号源→隔离器→可变衰减器→波长表→测量线→可变电抗 的顺序连接好微波系统，将检波器及检波指示器接到被测件位置； ②旋转波长表上的测微头，边旋转边观察检波指示器上的指针偏转情 况。当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰，反映在检波指示器上的 是一跌落点，微调螺旋测微头，当指针偏转最小时，读出测量头读数，查 出相对应的频率。

2.功率测量 ①将传输线路终端接入功率探头探头和功率表，并选择合适的量程， 在无信号时对功率计调零（注意换挡调零） ； ②把波导开关旋转至功率探头一边，发现功率表上有读数出现，读出 功率读数并记录。

3．波长测量 换下检波器，接短路板，调节测微探头，记录与波幅、波节相对应的测量线上 的读数 L1、L2 调节测量线，λ=2（L2-L1） 。

4．驻波比的测量

（1）小驻波比的测量

在这种情况下，驻波波腹和波节都不尖锐，因此要多测几个驻波波节和波腹，按下式计算S 的平均值：

max1

max 2max min1min 2min x x E E E S E E E +++=+++

当检波晶体管满足平方检波律时，则

n U U U U U U S n min 2min 1min max 2max 1max ++++++= （2）中驻波比的测量

此时只需测一个驻波腹和一个驻波节，按下式计算即可： min max min max U U E E S ==

（3）大驻波比的测量

波腹振幅与波节振幅的差别很大，测量线不能同时测量波腹和波节，此时可以用二倍极小功率法进行测量。利用探针测量极小点两旁，功率为极小功率二倍的两点的距离W ，波导波长，可按下式计算驻波比：

g W S λπ=