第4個(gè)實(shí)驗(yàn)：基于微波分光計(jì)的微波電磁輻射特性測(cè)量

1、微波技術(shù)是近代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，在國防、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)，以及材料科學(xué)中有著廣泛應(yīng)用。隨著社會(huì)向信息化、數(shù)字化的邁進(jìn)，微波作為無線傳輸信息的技術(shù)手段，將發(fā)揮更為重要的作用。特別在天體物理，射電天文、宇航通信等領(lǐng)域，具有別的方法和技術(shù)無法取代的特殊功能。微波有“似光性”，用可見光、X光觀察到的反射、干涉和衍射現(xiàn)象都可以用微波再現(xiàn)出來，對(duì)于微波的波長為0.01m量級(jí)的電磁波，用微波設(shè)備作波動(dòng)實(shí)驗(yàn)要顯得形象、直觀，更容易理解，通過觀測(cè)微波的反射干涉、衍射及偏振等現(xiàn)象，能加深理解微波和光都是電磁波，都具有波動(dòng)這一共同性。本論文在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器的基礎(chǔ)上通過研究微波的反射，單縫衍射等來揭示微波的電磁

2、特性，以此來增加對(duì)微波的電磁特性特別是其波動(dòng)性的了解。并在這些基礎(chǔ)上，作了一定的實(shí)用擴(kuò)展，把微波技術(shù)與現(xiàn)實(shí)生活結(jié)合在一起。1. 微波的特性與應(yīng)用11 微波的特性什么是微波？微波是波長很短的電磁波，一般把波長從1米到1毫米，頻率在300300000MHZ范圍內(nèi)的電磁波稱作微波。廣義的微波包括波長從10米到10微米（頻率從30MHZ到30THZ）的電磁波。微波具有以下特點(diǎn)：（1）波長短：它不同于一般的無線電波，因微波波長短到毫米,它具有類似光一樣有直線傳播性質(zhì)。（2）頻率高：微波已成為一種電磁輻射，趨膚效應(yīng)、輻射損耗相當(dāng)嚴(yán)重。所以在研究微波問題時(shí)要采用電磁場(chǎng)和電磁波的概念和方法。不能采用集中參數(shù)元

3、件。需要采用分布參數(shù)元件，如波導(dǎo)、諧振腔、測(cè)量線等。測(cè)量的量是駐波比，頻率。特性阻抗等。（3）量子特性：在微波波段，電磁波每個(gè)量子的能量范圍約為10-610-3eV。許多原子和分子發(fā)射和吸收的電磁波能量正好處于微波波段內(nèi)，人們正是利用這一特點(diǎn)研究分子和原子的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了微波波譜學(xué)、量子電子學(xué)等新興學(xué)科，并研制了量子放大器、分子鐘和原子鐘。（4）能穿透電離層：微波可以暢通無阻地穿過地球周圍的電離層，是進(jìn)行衛(wèi)星通信，宇航通信和射電天文學(xué)研究的一種有效手段?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，微波作為一門獨(dú)立學(xué)科得到人們的重視，獲得迅速的發(fā)展1。1.2 微波的應(yīng)用（1）雷達(dá)與通信微波的早期發(fā)展與雷達(dá)密切相關(guān)：利用微波直線

4、傳播的特性，可制成軍用的如超遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)。民用的氣象雷達(dá)，導(dǎo)航雷達(dá)等。在通信方面，微波的可用頻帶很寬，信息容量大，現(xiàn)代移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信中都在微波波段。（2）受激輻射原理頻標(biāo)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在微波波譜學(xué)深入研究的基礎(chǔ)上，1957年根據(jù)受激輻射原理發(fā)明了微波受激輻射放大器，即“脈塞”，這就是大家知道的量子放大器。1960年發(fā)明了光受激輻射放大器，即“萊塞”這就是激光器。激光的發(fā)明，是本世紀(jì)科學(xué)技術(shù)上的一個(gè)重大突破，但是追根尋源，不難看出激光器的發(fā)明只是將微波技術(shù)中的（受激輻射原理）成果（量子放大器）“移植”到可見光波段的一項(xiàng)新成就。量子頻率標(biāo)準(zhǔn)（原子鐘）是利用波譜學(xué)成就制作的精確時(shí)間頻率測(cè)

5、量設(shè)備，目前量子頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度已分別達(dá)到10-14和10-15的數(shù)量級(jí)，在精確測(cè)量頻率的基礎(chǔ)上，物理學(xué)理論如量子電動(dòng)力學(xué)和廣義相對(duì)論所預(yù)言的某些效應(yīng)，蘭姆移位，電子反常磁矩、引力“紅移”和引力波等已得到驗(yàn)證。（3）微波與物質(zhì)的相互作用微波鐵氧體是微波技術(shù)中常用的一種各向異性材料，它不僅具有較強(qiáng)的磁性，而且具有很高的電阻率。微波很容易通過鐵氧體，在鐵氧體中產(chǎn)生特殊的磁效應(yīng)旋磁性。在恒磁場(chǎng)和微波場(chǎng)的作用下，微波鐵氧體的微波磁導(dǎo)率是一個(gè)張量。張量磁導(dǎo)率的特點(diǎn)是：非對(duì)稱性，這使微波在鐵氧體中傳播具有非互易性，成為制作非互易微波鐵氧體器件的基礎(chǔ)；張量元素都是復(fù)數(shù)，其實(shí)部具有頻散特征，其虛部具有

6、共振特性，是研究鐵氧體的微波特性和微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。等離子體是分別帶有正負(fù)電荷的兩種粒子所組成的電中性的粒子體系，其中至少有一種帶電粒子是可以自由運(yùn)動(dòng)的。等離子態(tài)稱為物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體物理與受控?zé)岷朔磻?yīng)、空間研究、天體物理和氣體激光等密切相關(guān)，且有重要應(yīng)用，利用微波與等離子體的相互作用，可以對(duì)等離子體的特性進(jìn)行研究并促進(jìn)應(yīng)用。例如：微波等離子診斷；利用高功率微波加熱等離子體；利用微波產(chǎn)生等離子體。（4）穿透電離層天體物理和射電天文研究以微波為主要觀測(cè)手段的射電天文學(xué)的迅速發(fā)展，擴(kuò)大了天文觀察的視野，促進(jìn)了天體物理的研究，所謂六十年天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)類星體、中子星、微波背景輻射和星際分了，全都是

7、利用微波為主要觀測(cè)手段發(fā)現(xiàn)的。其中，微波背景輻射被譽(yù)為“二十世紀(jì)天文學(xué)的一項(xiàng)重大成就”，榮獲1978年諾貝爾物理獎(jiǎng)。（5）介質(zhì)的微波特性微波電譜和磁譜，微波吸收材料，微波遙感微波電譜和磁譜是指介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與外加微波場(chǎng)頻率的相互關(guān)系，微波電譜和磁譜不僅提供介質(zhì)材料性能的重要判據(jù)，在基礎(chǔ)研究中也具有特殊的意義。例如在電子對(duì)抗技術(shù)中采用的微波吸收材料，由微波遙感獲得遙感信息等，都與微波技術(shù)和微波電譜、磁譜有關(guān)。2. 實(shí)驗(yàn)裝置2.1 實(shí)驗(yàn)裝置的介紹本實(shí)驗(yàn)所使用的微波分光計(jì)的結(jié)構(gòu)如下圖3.1所示，分為四個(gè)部分。一是發(fā)射部分：是由固定臂（4）及其上端的發(fā)射喇叭（3）組成，稱為發(fā)射天線，微波信號(hào)由

8、三厘米雪崩固態(tài)源發(fā)出，經(jīng)可變衰減器到發(fā)射喇叭（3）。二是接受部分：由可繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)臂（7）、接受喇叭（6）及其轉(zhuǎn)動(dòng)角度指示儀（15）、晶體檢波器（9）和指示器（10）組成。三是在兩喇叭之間可繞中心軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的分度平臺(tái)（11），平臺(tái)一周分為360等分，其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可由固定臂指針（5）指示，平臺(tái)上有定位銷，定向坐標(biāo)和固定被測(cè)部件（14）用的四個(gè)彈簧銷釘，四是圓盤底座（12），底座上有做邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)用的固定正交兩個(gè)反射板（圖中未畫出）的定位螺紋孔和水平調(diào)節(jié)螺釘（13）。注：括號(hào)內(nèi)數(shù)字代表圖中所示部分。圖2.1  實(shí)驗(yàn)裝置圖固態(tài)信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)具有單一的波長（），相當(dāng)于光學(xué)實(shí)驗(yàn)中要

9、求的單色光束。當(dāng)選擇“連續(xù)”時(shí)，指示器是微安表，當(dāng)選擇“方波”時(shí)指示器為測(cè)量放大器。兩個(gè)喇叭天線的增益大約的20dB，波瓣的理論半功率點(diǎn)寬度大約為：H面是20°，E面是16°，當(dāng)發(fā)射喇叭口面寬邊與水平面平行時(shí)，發(fā)射信號(hào)電矢量的偏振方向是垂直的。成套微波分光儀如圖2.2所示。 圖2.2 微 波 分 光 儀序號(hào) 名稱 序號(hào) 名稱1 分度轉(zhuǎn)臺(tái) 2 喇叭天線3 可變衰減器 4 晶體檢波器5 檢波指示器 6 視頻電纜及微安表7 反射板 8 單縫板9 雙縫板 10 半透射板11 模擬晶體（模擬晶體與支架） 12 計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)13 支座 14 支柱15 模片23 三厘米固態(tài)振蕩器發(fā)出的信號(hào)具

10、有單一的波長（出廠時(shí)信號(hào)調(diào)在=32.02mm 上），這種微波信號(hào)就相當(dāng)于光學(xué)實(shí)驗(yàn)中要求的單色光束。喇叭天線的增益大約是20分貝，波瓣的理論半功率點(diǎn)寬度大約為：H面是200，E面是160。當(dāng)發(fā)射喇叭口面的寬邊與水平面平行時(shí)，發(fā)射信號(hào)電矢量的偏損方向是垂直的?？勺兯p器用來改變微波信號(hào)幅度的大小，衰減器的度盤指示越大，對(duì)微波信號(hào)的衰減也越大。晶體檢波器可將微波信號(hào)變成直流信號(hào)或低頻信號(hào)。2.2 裝置的調(diào)整 首先旋轉(zhuǎn)工作平臺(tái)使00刻線與固定臂上指針對(duì)正，再轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)臂使活動(dòng)臂上的指針對(duì)正在工作平臺(tái) 1800刻線上，然后將安裝在基座上的滾花螺釘擰緊，使活動(dòng)臂不易自動(dòng)擺動(dòng)（即鎖緊）,讀出指示器示數(shù)；然后，

11、松開螺釘，移動(dòng)活動(dòng)臂向左右同樣角度（如20°）時(shí)，觀看指示器讀數(shù)左右移動(dòng)時(shí)，偏轉(zhuǎn)是否相同，如果不同，略略旋轉(zhuǎn)接受喇叭，反復(fù)調(diào)節(jié)直至左右指示器偏轉(zhuǎn)相等為止。用一根細(xì)線繩，拉緊在發(fā)射，接收兩個(gè)喇叭天線之間，先使喇叭天線上刻的短刻線（每個(gè)喇叭上和法蘭盤上都有刻線）成一直線。這可以細(xì)繩為準(zhǔn)繩，通過水平轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)天線的角度來實(shí)現(xiàn)。然后，用一塊反射板（本儀器所帶的成套件）或一塊大三角板垂直放在工作平臺(tái)上，并使垂足通過工作平臺(tái)中心。此時(shí)，著細(xì)線是否正與反射板或三角板垂直平臺(tái)平面的一邊正好靠上（允許誤差上2mm）。如不符合規(guī)定要求，可重新調(diào)整固定臂的安裝角度和指針，也可稍微擺動(dòng)活動(dòng)臂，使細(xì)線正與垂邊靠

12、上，然后調(diào)整活動(dòng)臂上的指針位置，使其正指 1800。做反射，單縫衍射，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，（14）分別為反射板，單縫衍射板，雙縫干涉板；做邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，（14）為分光玻璃板，并安裝二個(gè)正交反射板；做布拉格衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)（14）為模擬立方晶體。3. 微波實(shí)驗(yàn)的基本原理3.1 微波的反射電磁波在傳播過程中如遇到障礙物，必定要發(fā)生反對(duì)，微波遵從反射定律，本處以一塊大的金屬板作為障礙物來研究當(dāng)電波以某一入射角投射到此金屬板上所遵循的反射定律，即反射線在入射線和通過入射點(diǎn)的法線所決定的平面上，反射線和入射線分居在法線兩側(cè)，反射角等于入射角。反射波N如圖3.1所示，一束微波從發(fā)射喇叭A發(fā)出以入射角射向金屬板

13、MN，則在反射方向的位置上，置一接收喇叭B，只有當(dāng)B處在反射角=時(shí)，接受到的功率最大，即反射角等于入射角。入射波Mn圖3.1.1 微波的反射實(shí)驗(yàn)儀器布置如圖3.1.2圖3.1.2 反射實(shí)驗(yàn)儀器的布置儀器連接時(shí)，兩喇叭口面應(yīng)互相正對(duì)，它們各自的軸線應(yīng)在一條直線上。指示兩喇叭位置的指針分別指于工作平臺(tái)的900刻度處，將支座放在工作平臺(tái)上，并利用平臺(tái)上的定位銷和刻線對(duì)正支座（與支座上刻線對(duì)齊）拉起平臺(tái)上四個(gè)壓緊螺釘旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后放下，即可壓緊支座。反射金屬板放到支座上時(shí)，應(yīng)使金屬板平面與支座下面的小圓盤上的某一對(duì)刻線一致。而把帶支座的金屬反射板放到小平臺(tái)上時(shí)，應(yīng)使圓盤上的這對(duì)與金屬板平面一致的刻線與

14、小平臺(tái)上相應(yīng)900刻度的一對(duì)刻線一致。這時(shí)小平臺(tái)上的00刻度就與金屬板的法線方向一致。轉(zhuǎn)動(dòng)小平臺(tái)，使固定臂指針指在某一角度處，這角度該數(shù)就是入射角，然后轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)臂在表頭上找到一最大指示，此時(shí)活動(dòng)臂上的指針?biāo)傅目潭染褪欠瓷浣恰Ｈ舸藭r(shí)表頭指示太大或太小，應(yīng)調(diào)整衰減器、固態(tài)振蕩器或 晶體檢波器，使表頭指示接近滿量程。做此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，入射角最好取300至650之間。因?yàn)槿肷浣翘蠼邮绽扔锌赡苤苯咏邮苋肷洳?。做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意系統(tǒng)的調(diào)整和周圍環(huán)境的影響【2】。3.2 微波的偏振性微波在自由空間傳播是橫電磁波，它的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E與磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量H和波的傳播方向S永遠(yuǎn)成正交的關(guān)系，它們的振動(dòng)面的方向總是保持不

15、變。E、H、S遵守烏莫夫-坡印矢量關(guān)系（見圖3.2）： （3.2.1）如果E在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，沿著一條固定的直線變化，這樣的橫電磁波叫線極化波，在光學(xué)中也叫偏振波。電磁場(chǎng)沿某一方向的能量有的關(guān)系，這就是光學(xué)中的馬呂斯定律3: （3.2.2）式中為偏振光強(qiáng)度，是與間的夾角。圖3.2.1 微波的偏振性實(shí)驗(yàn)儀器布置如圖3.2.2兩喇叭口面互相平行，并與地面垂直，其軸線在一條直線上，由于接收喇叭是和一段旋轉(zhuǎn)短波導(dǎo)連在一起的；在旋轉(zhuǎn)短波導(dǎo)的軸承環(huán)的900范圍內(nèi)，每隔50有一刻度，所以接收喇叭的轉(zhuǎn)角可以從此處讀到。因此轉(zhuǎn)動(dòng)接收喇叭，就可以得到轉(zhuǎn)角與微安表頭指示的一組數(shù)據(jù)，并可與馬呂斯定律進(jìn)行比較。

16、最后完成下表。做實(shí)驗(yàn)時(shí)為了避免小平臺(tái)的影響，可以松開平臺(tái)中心三個(gè)十字槽螺釘，把工作臺(tái)取下。還要盡量減少周圍環(huán)境的影響【2】。圖3.2.2 偏振實(shí)驗(yàn)的儀器布置3.3 微波的單縫衍射微波的衍射原理與光波完全相同，當(dāng)一束微波入射到一寬度與波長可比擬的狹縫時(shí)，它就要發(fā)生衍射現(xiàn)象，如圖3.3.1所示。入射波圖3.3.1  微波的單縫衍射設(shè)微波波長為，狹縫寬度為，當(dāng)衍射角符合： =1,2,3, 時(shí) （3.3.1）在狹縫背面出現(xiàn)衍射波的強(qiáng)度極小，而當(dāng)衍射角符合： =0,1,2,  時(shí) （3.3.2）則在縫后面出現(xiàn)衍射波的強(qiáng)度極大（主極大發(fā)生在處）。實(shí)驗(yàn)儀器布置如圖3.

17、3.2圖3.3.2 單縫衍射實(shí)驗(yàn)的儀器布置儀器連接時(shí)，預(yù)先接需要調(diào)整單縫衍射板的縫寬，當(dāng)該板放到支座上時(shí)，應(yīng)使狹縫平面與支座下面的小圓盤上的某一對(duì)刻線一致，此刻線應(yīng)與工作平臺(tái)上的900刻度的一對(duì)線一致。轉(zhuǎn)動(dòng)小平臺(tái)使固定臂的指針在小平臺(tái)的1800處，此時(shí)小平臺(tái)的00就是狹縫平面的法線方向。這時(shí)調(diào)整信號(hào)電平使表頭指示接近滿度。然后從衍射角00開始，在單縫的兩側(cè)使衍射角每改變一定角度讀取 一次表頭讀數(shù)，并記錄下來，這時(shí)就可畫出單縫衍射強(qiáng)度與衍射角的關(guān)系曲線，并根據(jù)微波波長和縫寬算出一級(jí)極小和一級(jí)極大的衍射角，并與實(shí)驗(yàn)曲線上求得的一級(jí)極小和極大的衍射角進(jìn)行比較。最后記錄數(shù)據(jù)并繪出曲線【4】。3.4 微

18、波的邁克爾遜干涉用微波源做波源的邁克爾遜干涉儀與光學(xué)中的邁克爾遜干涉5完全相似，其裝置如圖3.4所示，發(fā)射喇叭發(fā)出的微波，被45°放置的分光玻璃板MM（也稱半透射板）分成兩束，一束由MM反射到固定反射板A；另一束透過MM到達(dá)可移動(dòng)反射板B.由于A、B為全反射金屬板，兩列波被反射再次回到半透射板。A束透射，B束反射，會(huì)聚于接受喇叭，于是接受喇叭收到兩束同頻率、振動(dòng)方向一致的二束波。如果這二束波的位相差為的偶數(shù)倍，則干涉加強(qiáng)；當(dāng)位相差為的奇數(shù)倍則干涉減弱。假設(shè)入射的微波波長為，經(jīng)A和B反射后到達(dá)接受喇叭的波長度為，當(dāng)滿足： =0，±1,±2,±3, 

19、0;時(shí) （3.4.1）裝有接受喇叭后面的指示器有極大示數(shù)。當(dāng)滿足：    =0，±1,±2,±3, 時(shí) （3.4.2）裝有接受喇叭后面的指示器顯示極小示數(shù)。當(dāng)A不動(dòng)，將活動(dòng)板B移動(dòng)距離，則波程差就改變了，假設(shè)從某一級(jí)極小開始記數(shù)，測(cè)出個(gè)極小值，則由得到 即可測(cè)出微波的波長。邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的基本原理見下圖3.4.2，在平面波前進(jìn)的方向上放置成450的半透射板。 A(固定反射板) 發(fā)射喇叭 接收喇叭 B(可移反射板)圖3.4.1 邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的基本原理實(shí)驗(yàn)儀器布置如下圖3.4.3：使兩喇叭口面互成900。半透射板與兩喇叭軸

20、線互成450，將讀數(shù)機(jī)構(gòu)通過它本身上帶有的兩個(gè)螺釘旋入底座上，使其固定在底座上，再插上反射扳，使固定反射板的法線與接受喇叭的軸線一致，可移反射板的法線與發(fā)射喇叭軸線一致。實(shí)驗(yàn)時(shí),將可移反射板移到讀數(shù)機(jī)構(gòu)的一端，在此附近測(cè)出一個(gè)極小的位置，然后旋轉(zhuǎn)讀數(shù)機(jī)構(gòu)上的手柄使反射板移動(dòng)，從表頭上測(cè)出個(gè)極小值，并同時(shí)從讀數(shù)機(jī)構(gòu)上得到相應(yīng)的位移讀數(shù)，從而求得可移反射板的移動(dòng)距離。則波長【4】。圖3.4.2 邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的儀器布置3.5 天線的方向性通常一副天線向各個(gè)方向輻射電磁波的能力是不同的，它沿各個(gè)方向輻射電磁能量的強(qiáng)弱可用天線的方向系數(shù)來表示。其中方向系數(shù)最大的地方，即輻射增強(qiáng)的方向，稱主射方向。通

21、常人們用天線的方向圖來表示天線對(duì)各個(gè)方向的方向系數(shù)大小。由下面的方向圖（圖3.6）可以看出，天線的方向性圖像象花朵的葉瓣，各葉瓣稱為方向葉。處于主射方向的方向葉稱為主葉，處于主葉反方向位置的方向葉稱為后葉，其他方向的方向葉統(tǒng)稱為副葉。顯然主葉的寬度越窄，說明天線的方向性也好。天線方向性的好壞，工程上常采用半功率角和零功率角兩個(gè)參量來表示。所謂半功率角是指主葉瓣上場(chǎng)強(qiáng)為主射方向場(chǎng)強(qiáng)的時(shí)（即功率下降1/2時(shí)），兩個(gè)方向間的夾角，即為“”；所謂零功率角是指偏離主射方向最近的兩個(gè)零射方向（輻射場(chǎng)強(qiáng)為零的方向）之間的夾角，記為“”。半功率角和零功率角越小，表示主葉瓣的寬度越窄，說明天線的方向性越好。將一

22、小喇叭天線至于支座上，這時(shí)調(diào)整信號(hào)電平使表頭指示接近滿度。然后從方位角00開始，每轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度讀取 一次表頭讀數(shù)，并記錄下來，這時(shí)就可畫出電流強(qiáng)度與方位角的關(guān)系曲線。一副方向性良好的天線，除了必須具備上述具有較小的半功率角和零功率角外，還應(yīng)該包括后葉瓣和副葉瓣盡可能小，以減小可能出現(xiàn)的竄擾【6】。圖3.5 微波天線的方向圖4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4.1 驗(yàn)證反射定律4.1.1 數(shù)據(jù)處理使入射角從300變化到650，調(diào)節(jié)接收臂，使其微安表示數(shù)最大，讀取此時(shí)的反射角度數(shù)，測(cè)出多組數(shù)據(jù)，如下表4.1.1所示：表4.1.1 不同入射角對(duì)應(yīng)的反射角入射角（0）反射角（0）4.1.2 分析從表4.1.1中可以看出，

23、測(cè)量結(jié)果基本滿足反射定律，反射角入射角，且微安表接近滿偏。但是由于設(shè)置反射板位置及讀取數(shù)據(jù)時(shí)含有目測(cè)成分，而且由于微波具有波動(dòng)性以及反射板平整度不夠，引起一點(diǎn)漫反射，所以測(cè)量結(jié)果存在極小的誤差。4.2 微波的偏振性4.2.1 數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)動(dòng)接收天線，每轉(zhuǎn)一定角度，記錄一次數(shù)據(jù)，測(cè)得多組數(shù)據(jù)，如下表4.2.1及圖4.2.1所示：表4.2.1 接收天線不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)應(yīng)的微安表讀數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度（0）檢流表示數(shù)（）轉(zhuǎn)動(dòng)角度（0）檢流表示數(shù)（）轉(zhuǎn)動(dòng)角度（0）檢流表示數(shù)（）轉(zhuǎn)動(dòng)角度（0）檢流表示數(shù)（）轉(zhuǎn)動(dòng)角度（0）檢流表示數(shù)（）轉(zhuǎn)動(dòng)角度（0）檢流表示數(shù)（）轉(zhuǎn)動(dòng)角度（0）檢流表示數(shù)（）圖4.2.1 不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)

24、應(yīng)的微安表讀數(shù)4.2.2 分析此偏振強(qiáng)度分布圖能與理論值很好的相符，即滿足方程，從圖中我們可以看出，在為0度時(shí)，達(dá)到最大值，而當(dāng)為90度時(shí)，約等于0，為最小值，沒有微波通過，這就是波的偏振性特點(diǎn)。4.3 單縫衍射實(shí)驗(yàn)4.3.1 數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)動(dòng)微波接收臂，每轉(zhuǎn)一定的角度，記錄一次數(shù)據(jù)，測(cè)得多組數(shù)據(jù)， 記錄數(shù)據(jù)如下表4.3.1所示：表4.3.1 接收天線每轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度對(duì)應(yīng)的微安表讀數(shù)偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（

25、0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）微安表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）偏轉(zhuǎn)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）根據(jù)畫出以下曲線（圖4.3.2）：4.3.1 單縫衍射示意圖4.3.2 分析圖4.3.2 夫瑯禾費(fèi)單縫衍射光強(qiáng)分布曲線本實(shí)驗(yàn)采用的縫寬是5cm7，觀察實(shí)驗(yàn)單縫衍射曲線, 發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)圖形左右峰值不等, 且圖形都不對(duì)稱, 與理論結(jié)果有些誤

26、差.通過以上的實(shí)驗(yàn)觀察分析, 初步認(rèn)定回峰和凹峰現(xiàn)象主要是：1、由發(fā)射天線發(fā)出的微波經(jīng)周圍物體的反射及其他波源所發(fā)出的雜波從周邊射入接收器共同與衍射波疊加所造成的；2、微波分光計(jì)單縫衍射實(shí)驗(yàn)衍射圖樣是喇叭口衍射與單縫衍射共同作用的結(jié)果8. 根據(jù)上述分析的結(jié)果可知 ,要想改進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果 ,必須從減小接收器對(duì)雜波的攝入量入手，即實(shí)驗(yàn)中盡量減少實(shí)驗(yàn)室擺放物品的數(shù)量，用能吸收波的材質(zhì)鋪在墻面上以減少微波反射，保持實(shí)驗(yàn)室恒溫，禁止實(shí)驗(yàn)期間使用非教學(xué)之內(nèi)的電磁波源，同時(shí)在相鄰微波分光計(jì)間設(shè)立屏蔽。4.4 邁克爾遜干涉測(cè)微波波長4.4.1 數(shù)據(jù)處理記錄極小值位置，如下表4.4.1所示表4.4.1 極小值位置n

27、1234極小值位置（mm）從表4.4.1數(shù)據(jù)中計(jì)算波長，得出下表4.4.2表4.4.2 微波波長的計(jì)算（mm）（mm）（mm）平均值（mm）4.4.2 分析表4.4.2中數(shù)據(jù)表明，基本符合邁克爾遜干涉的條件，即滿足方程。由于實(shí)驗(yàn)中互相垂直的兩塊擋板須目測(cè)擺放，對(duì)結(jié)果有一定的影響，但是在允許的誤差范圍之內(nèi)。邁克爾孫干涉原理測(cè)量微波波長的實(shí)驗(yàn)是相當(dāng)成功的，又試驗(yàn)得出的結(jié)果=36.037mm 也非常接近試驗(yàn)儀器的參數(shù)。4.5 天線的方向性4.5.1 數(shù)據(jù)處理當(dāng)接收天線與發(fā)射天線準(zhǔn)直時(shí)，調(diào)節(jié)衰減器，使微安表滿偏。轉(zhuǎn)動(dòng)微波接收臂，每轉(zhuǎn)一定的角度，記錄一次數(shù)據(jù)，測(cè)得多組數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)于下表4.6.1表4.

28、5.1 天線方向性數(shù)據(jù)(0°- 180°)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）表4.5.2 天線方向性數(shù)據(jù) (30°- 70°)角度（0）檢

29、流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）圖 4.5.1 天線方向性的曲線5. 微波分光儀的應(yīng)用5.1微波的布拉格衍射5.1.1實(shí)驗(yàn)原理X光波與晶體的晶格常數(shù)屬于同一數(shù)量級(jí)，晶體點(diǎn)陣可以做為X射線衍射光柵，而微波波長是0.01m量級(jí)的電磁波，顯然實(shí)際晶體不能作為微波的三維衍射光柵，本實(shí)驗(yàn)以立方點(diǎn)陣（點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)之間距離為0.01m量級(jí)）的模擬晶體為研究對(duì)象，用微波向模擬晶體入射，觀測(cè)不同晶面上點(diǎn)陣的反射波產(chǎn)生干涉應(yīng)符合的條件，即應(yīng)滿足布拉格在1912年導(dǎo)出的X射線

30、衍射關(guān)系式-布拉格公式9： （5.1.1）現(xiàn)對(duì)模擬立方晶體水平上的某一晶面加以分析，如圖3.5所示，假設(shè)“原子”占據(jù)著點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)，兩相鄰“原子”之間的距離為（晶格常數(shù)）。晶體內(nèi)特定取向的平面用密勒指數(shù)標(biāo)記，圖9中實(shí)線和虛線分別表示（100）和（110）晶面與水平某一晶面的交線，當(dāng)一束微波以0角掠射到（100）晶面，一部分微波將為表面層的“原子”所散射，其余部分的微波將為晶體內(nèi)部各晶面上的“原子”所散射。各層晶面上“原子”散射的本質(zhì)是因“原子”在微波電磁場(chǎng)協(xié)迫下做與微波同頻率的受迫振蕩，然后向周圍發(fā)出電磁電子波。由圖9知入射波束PA和QB分別受到表層“原子”A和第二層“原子”B散射，散射束分別為

31、AP和BQ，則PAP和QBQ的波程差為： （5.1.2）式中為晶面間距，對(duì)立方晶體，顯然波程差為入射波波長的整數(shù)倍時(shí)，即， 兩列波同相位，產(chǎn)生干涉極大值，式中表示掠射角（入射線與晶面夾角），稱為布拉格角；為整數(shù)，稱為衍射級(jí)次。同樣可以證明，凡是在此掠射角被（100）各晶面散射的微波均為干涉加強(qiáng)。布拉格公式不僅對(duì)于（100）晶面族成立，而對(duì)于其它晶面族也成立，但晶面間距不同。對(duì)于（110）晶面族，計(jì)算晶面間距的公式為： （5.1.3）(110)(100)BDCAQPQP圖5.1.1   模擬晶體微波布拉格衍射實(shí)驗(yàn)儀器布置如圖5.1.2所示圖5.1.2 布拉格衍射實(shí)驗(yàn)

32、的儀器布置實(shí)驗(yàn)中除了兩喇叭的調(diào)整同反射實(shí)驗(yàn)一樣外，要注意的是模擬晶體球應(yīng)用模片調(diào)得上下左右成為一方形點(diǎn)陣，模擬晶體架上的中心孔插在支架上與度盤中心一致的一個(gè)銷了上。當(dāng)把模擬晶體集放到小平臺(tái)上時(shí)，應(yīng)使模擬晶體架下面小圓盤的某一條與所研究晶面法線一致的刻線與度盤上的00刻線一致。為了避免兩喇叭之間波的直接入射，入射角取值范圍最好在300到700之間【10】。5.1.2數(shù)據(jù)處理改變?nèi)肷浣堑拇笮?，測(cè)出檢流表的示數(shù)，記錄（100）晶面族的衍射數(shù)據(jù)于表5.1.1表5.1.1 布拉格衍射數(shù)據(jù)角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µA）角度（0）檢流表示數(shù)（µ