(整理)实验21微波波导管内电磁场分布测量.

精品文档实验2.1微波波导管内的电磁场分布测量实验§2.1.1实验目的通过测量微波波导管内的电磁场分布，了解微波的产生、传播等基本特性，掌握微波测量的基本方法和技术。§2.1.2实验原理与方法一、微波与体效应微波振荡器1、微波按照国际电工委员会（IEC）的定义，微波（Microwaves）是“波长足够短，以致在发射和接收中能实际应用波导和谐振腔技术的电磁波”。实际应用中，微波通常指频率在300GHz到300MHz、波长范围1毫米到1米的电磁波，可分为分米波、厘米波、毫米波三个波段。自上世纪40年代以来，微波科学技术 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出巨大的应用价值。例如，雷达的诞生与成熟（1939一1945年）；微波波谱学与量子电子学的巨大进步（1944年－至今）；射电天文学大发展（1946—1971年）；微波能量利用及微波医学（1947年－至今）；卫星通信及卫星广播的建立与普及（1964年－至今）；遥感、气象监测等；•高功率微波武器。1984年美国国防部制定定向能发展计划（定向能包括高能激光、粒子束和高功率微波（HPM）三个方面）。“微波武器”将在反卫星、反精确制导武器等方面发挥重要作用。2、体效应微波振荡器目前，常用的产生微波振荡器的有两大类，电真空器件与固体器件。其中，电真空器件主要包括微波电真空三极管、反射速调管、磁控管和返波管等；固体器件有晶体三极管、体效应二极管（也称耿氏二极管，由于体效应管中微波电流振荡现象是耿式（J.BGunn）于1963年首先发现的）和雪崩二极管。由于固体器件具有体积小、重量轻、耗电省及便于集成等优点，近几十年来发展迅速，尤其在中小功率范围内它已经取代电真空器件。固体器件中，采用体效应振荡器制成的微波信号源具有噪声低、工作电压低和便于调谐的优点，目前在实验室中广泛采用该类微波信号源。1）负阻效应体效应管的工作原理是基于N型砷化镓（GaAs）的导电能谷——高能谷和低能谷结构，如图2.1-1所示，高低能谷间的能量差0.36eV。处于这两类能谷中的电子具有不同的有效质量和不同的迁移率。在常温下低电场时，大部分导电的电子处在电子迁移率高而有效质量较低的低能谷中，当随外加电场增大，许多电子被激发跃迁到高能谷中，在那里电子迁移率低而有效质量较大。因此，低电场时，导电率高，而在高电场时导电率低。这种效应的结果使电子迁移率急剧下降。这种随电场的增加而导致电流下降的现象称为负阻效应，如图2.1-2所示。%=1.斗3eV图2.1-1N型GaAs的能带结构图2.1-2N型GaAs电子平均速度与外场关系2）体效应管的工作原理在N型砷化镓半导体材料上施加直流偏压V后，电流随电压线性增长，但E>Eh时（Eh，0thth为负阻效应起始电场），由于负阻特性，形成所谓“负电阻效应”。“负电阻效应”形成的原因在于半导体内的载流子（例如电子）速度呈“负迁移率”特性，速度随电场的变化见图2.1-2，即当电场的强度增加到某个数值以后，速度不是随电场增加而是减小。但是，电压在体效应管上的分布并非均匀，在电压的负极端，因半导体与金属电极有接触电阻，加上电子、之间的排斥作用，使该端的等效电阻较大，因此，在电压的负极端首先出现“负电阻效应”。这里的电子速度下降，而前面的电子速度较快，这些电子将把速度慢的电子抛在后面，结果在快电子和慢电子之间出现了电荷的不平衡，该区域呈现正电性，见图2.1-3。正电荷和后面赶上来的电子之间形成一个偶极层（偶极畴），该区域内的电场方向与外加电场方向一致，使电子的速度更慢，所以，偶极畴在向正极移动的同时将不断扩大。但是，由于所加的总电压是一定的，当偶极畴上分担的电压较多时，没有进入“负电阻效应”的区域上的电压将下降，电场减弱，电子速度减小，当该速度等于后面赶上来的电子的速度时，偶极畴不再扩大，以匀速向正极渡越，当到达正极时，偶极畴很快地消失，同时，在负极又形成新的偶极畴，重复上述的过程。我们看到，当负极刚开始进入“负电阻效应”时，体效应管内的电场最强，此时电流最大；在偶极畴以匀速运动时，区外的电场已经减弱，此时的电流由区外的电场决定，该电流显然是下降了。因此，通过体效应管的电流将如图2.1-4所示，呈现周期性振荡，其振荡频率与材料的尺寸（电压正负极间的距离）有关，如果尺寸合适，振荡频率将在微波范围。电压U+►p―F|电流运动中的偶极区〔畴）图2.1-3偶极区的出现和运动通过砷化镓的电流是一连串很狭窄的尖峰波，其周期等于偶极畴的渡越时间。1L(2.1.1)式中，f为体效应管工乍频率（亦称固有频率），L为晶体的厚度，£为电子漂移速度。体效应管的振荡频率与高场畴的渡越时间有关。只要砷化镓的厚度足够小，体效应管可以产生类似脉冲尖峰的振荡波形，振荡频率就可很高。实际应用中，是将体效应管装在金属谐振腔中做成振荡器，通过改变腔体内的机械调谐装置可在一定范围内改变体效应管振荡器的工作频率。二、微波在矩形波导管中的传输1、矩形波导管中的传输波型根据Maxwell方程组以及波导管的边界条件，可以求解出只有TE波和TM波这两大类波能够在矩形波导中传播，这里给以简单的证明：先介绍导行电磁波的场量关系。假设导行电磁波是沿z方向传播的单色波，对于规则波导，场矢量对坐标z和时间t的依赖关系是ej(y),K是沿z方向的波矢量分量。纵向场分量E、H具有形式zzzE(x,t)=E0(x)ej(Kzz-wt)zzsH(x,t)=Ho(x)ej(Kzz-wt)(2.1.2)zzsx是与z轴垂直的横向坐标矢量。将电场E和磁场H都分解成纵分量和横分量sE=E+Eeszz2.1.3)将算子▽，▽2也写成纵向、横向分量形式:a+e—zaz2.1.4)V2=V2+sa2za由于导行波场量对z和t的依赖关系是ej(Kz-wt)，e—对场量的作用可以用jKe代替。zazzz那么(2.1.4)式中的两个旋度方程可以写成(V+jKe)x(E+eE)二jw^(H+eH)szzszzszz(2.1.5)(V+jKe)x(H+eH)二—jw£(E+eE)…szzszzszz注意VxE(H)只给出纵向分量，将上面方程分解成纵向分量和横向分量得sssExe+jKexE=jwyH(2.1.6)szzzzssHxe+jKexH=-jwsE(2.1.7)szzzzssxE二jwRHe(2.1.8)sszzxH=一jwsEe(2.1.9)sszz这里利用了公式Vx(Ee)二VExe。以ex式(2.1.6)得szzszzzE-jKE二jwRexHszzszs由此解出exH并代入式(2.1.7),得zsE=丄[KVE+wr(VH)xe](2.1.10)sK2zszszzs其中K2=K2-K2,K是波矢K的横向分量。同样，可以解出szsH二丄[KVH-we(VE)xe](2.1.11)sK2zszszzs式(2.1.10)和(2.1.11)用导行波电磁场的纵向分量表示出了电磁场的横向分量。根据导行波场量的关系，按照E、H取值的不同情况，可以把导行电磁波分为三种zz基本波型：横电波型；横磁波型；横电磁波型。现证明在规则波导管内第三种波型不存在：横电磁波型满足E-H-0,电磁场完全是横向的。故对于横电磁波型，由式zz(2.1.10)和(2.1.11)可以看出，除非K=0，否则E=H=0。而K=0意味着K=K，ssssz即波矢只有沿传播方向z的分量。关于横电磁波型的电磁场，由式(2.1.6)—(2.1.9),注意到E二H二0，K二K，zzz得jKexE二jwRH(2.1.12)zssjKexH二一jweE(2.1.13)zssxE二0(2.1.14)ssxH二0(2.1.15)ss以V点乘式(2.1.13)两端，并利用式(2.1.15)得s-E=0(2.1.16)ss式(2.1.14)和(2.1.16)表明，横电磁波的横电场满足的方程和没有电荷分布区域中的二维静电场相同。同样也可以证明横磁场满足的方程和没有电流分布区域中二维稳恒磁场相同。在理想导体波导管内部，这些方程只能有零解，所以理想波导管不可能传播横电磁波型。故在矩形波导管内只传播横电波型和横磁波型这两种。2、TE10波在矩形截面axb波导管中的传输在实际应用中，一般让波导中存在一种波型，而且只传输一种波型。我们实验中用的TE10波就是矩形波导中常用的一种波型。为了实现单一波型(单模)传输，常把波导尺寸 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 成 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化。宽边为a、窄边为b的矩形波导，只要满足b=(0.4-0.5)a的关系，波导管就只传输TE的最低模，即TE10波。TE10波具有可单传、带宽、低耗、简单稳定、易于激mn1010励、无限长、易于耦合等优点，是一种应用最广泛的波型。设矩形波导管内壁为理想导体且沿Z轴方向为无限长，矩形波导管中TE10波的各电磁场分量分别为：兀X、E=Esm()ej(wt-pz)y0aE=E=0xz—P兀x2.1.17）H=Esm（）ej（wt—pz）xwp0a=j-^Ecos（巴）ej（wt—pz）wp2a0aH=0y它们相对应的电磁场结构及波导壁电流分布如图2.1-5所示。在波导中常用自由空间波长长0、截止波长长C、波导波长长g、相移常数p、反射系数「、驻波比p等特性参量来描述电磁波在波导中的传输特征，对于矩形波导中的TE10波，它们的表达式为：c2.2.18)gE反E入EmaxEminP-1p+1在实际应用中，传输线不可能是无限长的，所以波导管中的电磁波是由入射波和反射波叠加而成的，其状态决定于负载的情况：终端接匹配负载，微波功率全部被负载吸收，无反射波，在波导中呈行波状态。这种情况下，r=0，p=1。终端接一般性负载，即既有电阻又有电抗的负载，这就会形成全反射，波导中的电磁波为混合波状态。这种情况下，o 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 数据，然后取平均值再进行计算。在通常实验条件下，检波功率电平较小（检波电流小于微安），可以认为晶体检波特性为平方律，即n=2。若驻波波腹点和节点处读数分别为I和I.,则驻波比p为:maxmin2.1.22)E+E+…EQ+I+••*__p=max1max2maxn=max1max2maxnE+E+…E.+T1""""+…"minimin2minn、min1'min2minn此时可以采用直接测量和I.,驻波比p为：min⑵中驻波比（1・55）当被测器件的驻波系数大于10时，驻波最大电压与最小电压相差很大。在驻波最大点，往往因电压较大而使晶体的检波特性偏离平方律、转入直线律。用直接法测量驻波系数将引入较大的误差。因此，在大驻波系数的条件下，直接法不适用，需要寻求其他测量方法。这里只介绍“二倍极小功率法”来测量大驻波比。图2.1-7二倍极小功率法测驻波比如图2.1-7所示，二倍极小功率法是先测出某极小点的检波电流I•，此时晶体工作在min平方律检波，则只须测出读数为最小点二倍的两点间距离及波导波长，驻波比可近似为：九（2.1.24）兀d式中，d为二倍最小点幅度处，d=X1-X2。必须指出：d与九g的测量精度对测量结果的影响很大，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。由上式可以看出，d与九g值的测量精度对测驻波系数量结果影响很大。特别是测大驻波系数时，测量d与殛必须使用高精度的位置指示装置（如千分测微计等）。§2.1.3实验设备实验设备如图2.1-8所示。图2.1-8微波测量系统示意图1—微波信号源2—隔离器3—衰减器4—频率计5—测量线6—检波晶体7—选频放大器8——喇叭天线9——匹配负载10—短路片11—失配负载1.波导管：本实验所使用的波导管型号为BJ—100，其内腔尺寸为a=22.86mm,b=10.16mm。其主模频率范围为8.20〜12.50GHz,截止频率为6.557GHz。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。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，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。4．谐振式频率计(波长表)：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。5．驻波测量线：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。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。6．晶体检波器：从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调节其短路活塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率。7．匹配负载：波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。§2.1.4实验内容及要求(1)测量短路负载时波导中的驻波分布情况，计算波导波长，并校准晶体的检波特性。要求：由测量得到的波导波长换算出微波的自由空间波长，与根据微波信号源频率计算得到的波长值进行比较。并根据短路负载的1gI—1glsin(2冗l/九』曲线求出晶体检波率常数ao(2)测量不同负载时波导中的电场强度分布情况，计算相应的驻波比。要求：算出不同负载时对应的驻波比，并讨论驻波比与负载反射系数之间的关系。§2.1.5思考题1.本实验中是如何实现波导管内传输单一波型的？3.驻波节点的位置在实验中精确测准不容易，如何比较准确的测量?如何比较准确地测出波导波长。5.6.波导波长与波的哪一种速度相关？解释为什么波导波长比自由空间波长要长？§2.1.6实验设计与拓展查阅相关资料，拓展以下实验内容：测量某材料的微波反射率R-频率f的曲线。观察微波辐射的几种典型现象。要求描述观察到的微波辐射典型现象，并做出适当的解释。主要参考文献：1、2、晏于模，王魁香.近代物理实验.吉林大学出版社,1994.1戴道宣，戴乐山.近代物理实验（第二版）.北京:高等教育出版社,2006.74、5、吴思诚，王祖铨.近代物理实验（第三版）.北京：高等教育出版社,2005.116、7、高立模.近代物理实验.天津：南开大学出版社，2006.9