微波多媒體課件

2006屆本科畢業(yè)論文主要內(nèi)容微波基本知識

微波基本元件簡介反射式速調(diào)管的特性和波導(dǎo)管的工作特性鐵磁共振微波的特點

第一.微波波長很短。具有直線傳播的性質(zhì)，能在微波波段制成方向性極強的無線系統(tǒng)，也可以接收到地面和宇宙空間各種物體發(fā)射回來的微弱回波，從而確定物體的方向和距離。這使微波技術(shù)廣泛的應(yīng)用于雷達中。第二.微波的頻率很高，電磁振蕩周期很短。比電子管中電子在電極經(jīng)歷的時間還要小。普通電子管不能用作微波振蕩器、放大器和檢波器，而必須用原理上完全不同的微波電子管來代替。第三.許多原子和分子發(fā)射和吸收的電磁波的波長正好處在微波波內(nèi)。用這特點研究分子和原子的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了微波波譜學(xué)和量子無線電物理學(xué)等尖端學(xué)科,還研制了低噪音的量子放大器和極為準(zhǔn)確的分子鐘與原子鐘。第四.微波可以暢通無阻的穿過地球上空的電離層。微波波段為宇宙通訊、導(dǎo)航、定位及射電天文學(xué)的研究和發(fā)展提供了廣闊的前景?；局R<2>反射系數(shù)定義：波導(dǎo)出某橫截面出的電場反射波與入射波的復(fù)數(shù)比稱為反射系數(shù)。

即：

<3>駐波比定義：波導(dǎo)中駐波電場最大值與駐波最小值之比稱為駐波比。

即：諧振腔<1>用途

1.作為儲存微電磁能量和具有諧振特性的振蕩回路。例如微波測量系統(tǒng)中常用的空腔波長計和反射式速調(diào)管中的諧振腔等。

2.提供一個電場或磁場集中的區(qū)域，以便電磁場和物質(zhì)相互作用。例如在鐵磁共振實驗中的矩形諧振腔等。<2>矩形諧振腔諧振條件：諧振頻率：基本知識<3>品質(zhì)因數(shù)Q定義為:

如果腔內(nèi)的介質(zhì)損耗可以忽略,則,此時腔的有載品質(zhì)因數(shù)為:(1)取倒數(shù)

(2)由（6），（7）得

（8）諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)可以用下式作近似估計：

（9）為腔壁的趨膚深度.

諧振腔的諧振特性也可用諧振曲線來表示，諧振腔的Q值越高，諧振曲線越窄，頻率選擇性好?？梢宰C明諧振腔的品質(zhì)因數(shù)等于諧振曲線的中心頻率與半功率點的頻率寬度比，即

(10)

微波信號源一.反射式速調(diào)管振蕩器<1>結(jié)構(gòu)(1)反射式速調(diào)管反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)原理如圖。1.陰極用來發(fā)射電子;2.諧振腔相對于陰極處在正電位,利用耦合環(huán)和同軸線輸出微波功率;3.反射極相對于陰極處在負電位?；局R(2)穩(wěn)壓電源

由于反射式速調(diào)管各個電極的工作電壓要求不同的數(shù)值和極性,對電源穩(wěn)壓度的要求也很高.為了滿足陽極和反射極的不同要求,線路必須設(shè)計成兩個單獨的整流電源來分別供給。整個速調(diào)管電源包括提供陽極電壓,反射極電壓和燈絲電壓等部分。(3)高頻結(jié)構(gòu)

速調(diào)管插座是微波測試設(shè)備中的微波型號源，在波導(dǎo)管上安裝有反射式速調(diào)管的管座，速調(diào)管的輸出同軸探針通過波導(dǎo)管寬壁上小孔插入示波管內(nèi)，輸出微波功率。速調(diào)管與波導(dǎo)管的耦合程度可以借助于適當(dāng)?shù)臋C構(gòu)使速調(diào)管作上下移動，以改變同軸針伸入波導(dǎo)管的深度。調(diào)節(jié)裝在波導(dǎo)一端的短路活塞，可以使波導(dǎo)管中有最大的輸出功率波導(dǎo)的另一端接有隔離器和可變衰減器，然后再和測量線路連接。<3>.工作特性

1>反射式速調(diào)管并不是在任意的反射極電壓數(shù)值都能生振蕩只有在某些特定的反射極電壓值才能振蕩。個有振蕩輸出功率的區(qū)域，叫做速調(diào)管的振蕩模。

2>對每一個振蕩模，當(dāng)反射極電壓變化時，速調(diào)管的輸出功率和振蕩模頻率f都隨之變化；在振蕩模中心的反射極電壓上，輸出功率最大，而且輸出功率和振蕩頻率隨反射極電壓的變化也比較緩慢。

3>輸出功率最大的振蕩模，叫做最佳振蕩模，為了使速調(diào)管具有最大的輸出功率和穩(wěn)定的工作頻率，通常使速調(diào)管工作在最佳振蕩模的中心反射極電壓上。

4>各個振蕩模的中心頻率相同，通常稱為速調(diào)管的工作頻率。二.微波信號源的使用正確使用步驟：

(1)首先加上燈絲電壓(6.3伏)，預(yù)熱足夠時間（約5-10分鐘）后，才允許加其它電壓注意反射極電壓相對于陰極不能為零或正值。諧振腔電壓調(diào)節(jié)到規(guī)定值；

(2)然后調(diào)節(jié)反射極電壓使速調(diào)管發(fā)生振蕩，并使速調(diào)管工作在所需的頻率，則可慢慢地進行機械調(diào)諧，并調(diào)整反射極電壓，直到速調(diào)管處在最佳的連續(xù)工作狀態(tài)。如果需要對速調(diào)管進行調(diào)制，則在“連續(xù)狀態(tài)”的基礎(chǔ)上，加上所需調(diào)制方式——“方波”或“鋸齒波”，這就是“方波調(diào)幅狀態(tài)”或“鋸齒波壓頻態(tài)”。速調(diào)管的機械調(diào)諧旋鈕在調(diào)節(jié)到一定頻后，不要隨意旋動。頻率重調(diào)后約需15分鐘才能穩(wěn)定。在使用波長計測量速調(diào)管的工作頻率后，必須將其旋轉(zhuǎn)1~2圈，使其失諧。微波測量一.駐波測量原理:探針在開槽傳輸線中移動，將一小部分功率耦合出來，經(jīng)過晶體二極管檢波后由指示器指示，從而看出開槽線中電場的分布情況.(1)小駐波比的測量:

駐波波腹和波節(jié)都不尖銳，要多測幾個波腹和波節(jié)，按下式計算平均值：

(1)

當(dāng)檢波晶體滿足平方律時，

(2)基本知識（4）波節(jié)位置和波導(dǎo)波長的測量

如果極小點不太容易找出時，可在它附近測兩點的距離坐標(biāo)，此二點在指示器上的指示相等，然后取這兩點坐標(biāo)的平均值.

即

(6)

波導(dǎo)波長由兩個鄰近極小點的距離決定：

二.功率的測量

微波功率測量方法：(1)相對功率測量；(2)絕對功率測量。在小功率情況下，當(dāng)檢波電流不超過5~10微安時，檢波晶體管可定為平方律檢波，即檢流計測得的檢波電流與微波功率P成正比。

(8)

（是常數(shù)）如果微波元件的輸入端功率為，輸出端功率為，則定義：

衰減量（分貝）(9)

當(dāng)測量的微波輸入功率變化時，可調(diào)節(jié)精密衰減器的衰減量使檢波晶體管的檢波電流始終保持一個衡定值，則由精密衰減器的衰減量的大小便可精確的知道輸入功率的相對值。

（如圖所示）給出進行相對功率測量的線路，用它來測量微波器件的插入損耗A。如果檢波晶體是平方律檢波，則它的檢波電流即表示相對功率。在微波器件未插入前，調(diào)節(jié)測量線路使系統(tǒng)的駐波比，改變衰減器的衰減量，使晶體管的檢波電流為（例如=100），則微波器件的插入損耗為：

(10)

常用的微波元件簡介隔離器駐波測量線選頻放大器可調(diào)矩形反射腔微波源反射式諧振腔衰減器晶體檢波器磁共振實驗儀傳輸式諧振腔匹配負載特斯拉計隔離器

位于磁場中的某些鐵氧體材料對于來自不同方向的電磁波有著不同的吸收,經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié),可使其對微波具有單方向傳播的特性。它的作用相當(dāng)于普通電路中二極管基本元件衰減器把一片能吸收微波能量的介質(zhì)片垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管即成，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動吸收片可改變衰減量的大小，使輸入電磁波得到不同程度的衰減基本元件駐波測量線測量微波傳輸系統(tǒng)中電場的強弱布的精密儀器。在波導(dǎo)中的寬邊中央開有一個狹槽，金屬探針經(jīng)狹槽伸入波導(dǎo)中。由于探針與電場平行，電場的變化在探針上感應(yīng)出的電動勢經(jīng)過晶體檢波器變成電流信號輸出。探針可沿波導(dǎo)移動，則輸出信號顯示出波導(dǎo)中電場沿傳播方向的變化。基本元件選頻放大器XF-1C選頻放大器為實驗室用測量儀器，本儀器用于測量微弱低頻信號，配合微波測量線測量駐波系數(shù)，配合微波檢波器進行衰減測量等。信號經(jīng)升壓、放大，選出1KHz附近的信號，經(jīng)整流平滑后由輸出級輸出直流電平，由對數(shù)放大器展寬供給指示電路檢測?；驹烧{(diào)矩形反射腔樣品腔采用可調(diào)矩形反射腔。與反射式諧振腔不同的是，可調(diào)矩形反射腔的末端是可移動的活塞，調(diào)節(jié)其位置，可以改變諧振腔的長度，腔長可以從帶游標(biāo)的刻度連桿讀出。為了保證樣品處于微波磁場最強處，在諧振腔寬邊正中央開了一條窄槽，通過機械傳動裝置可以使樣品處于諧振腔中的任何位置。樣品在諧振腔中的位置可以從窄邊上的刻度直接讀出。諧振腔發(fā)生諧振時，腔長必須是半個波導(dǎo)波長的整數(shù)倍?；驹鬏斒街C振腔傳輸式諧振腔是一個封閉的金屬導(dǎo)體空腔，由一段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管，在其兩端加上帶有耦合孔的金屬板，就可構(gòu)成一個傳輸式諧振腔?；驹ヅ湄撦d波導(dǎo)中裝有很好地吸收微波能量的介質(zhì)片或吸收材料，它幾乎能全部吸收入射功率?；驹⒉ㄔ?/p>

DH1121A型三厘米固態(tài)信號源由體效應(yīng)管振蕩器、可變衰減器、PIN調(diào)制器、隔離器、調(diào)制電路及電源組成，它提供所需微波信號，頻率范圍在8.6-9.6GHz?；驹瓷涫街C振腔采用反射式矩形諧振腔來測量微波介質(zhì)特性。反射式諧振腔是把一段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管的一端加上帶有耦合孔的金屬板，另一端加上封閉的金屬板基本元件特斯拉計特斯拉計（高斯計）是用于測量磁場強度的一種儀器。本機所用探頭為砷化鎵霍爾器件，其感磁面積為0.15x0.15mm2，因此有很高的空間磁場分辨率，可以測量電磁體的空間磁場分布，可測出磁場細微分布?；驹瓷涫剿僬{(diào)管的特性和波導(dǎo)管的工作特性一.實驗內(nèi)容和步驟

<1>.實驗任務(wù)：利用圖所示的實驗線路進行下列實驗：

(1).觀察速調(diào)管的各個振蕩模；(2).測量最佳振蕩模的曲線和曲線；

(3).測量小駐波比和中駐波比；(4).測量波導(dǎo)波長;

(5).測量駐波曲線的晶體檢波律<2>實驗步驟①按正確步驟開啟電源，使速調(diào)管處于最佳工作狀態(tài)。調(diào)節(jié)短路活塞，匹配螺釘和雙T調(diào)配器使晶體檢波器接頭的輸出為最大。②改變反射極電壓，觀察速調(diào)管的各個振蕩模。（描繪草圖，注明各個振蕩模的始點，峰值和終點對應(yīng)的反射極電壓值。）③逐點測量速調(diào)管最佳振蕩模的功率和反射極電壓的關(guān)系曲線、以及頻率和反射極電壓的關(guān)系曲線。（利用晶體檢波接頭測量相對功率，用頻率計測量頻率）。④把反射極電壓調(diào)到最佳振蕩模峰值對應(yīng)的值上，并固定下來，以便在工作頻率情況下進行波導(dǎo)管工作狀態(tài)的實驗。⑤調(diào)整好駐波測量線。⑥利用雙T調(diào)配器改變測量線終端的狀態(tài)，測量中駐波比和小駐波比。⑦在駐波測量線終端接上短路活塞，觀察駐波圖形，并用均值法測波節(jié)位置，利用兩個相鄰波節(jié)的位置距離決定波導(dǎo)波長。⑧測量兩個相鄰波節(jié)之間的駐波曲線（選做）二.數(shù)據(jù)處理

(1)繪出幾個振蕩模的草圖；

(2)繪出最佳振蕩模的曲線和曲線；

(3)計算最佳振蕩模中心頻率對應(yīng)的工作波長；

(4)計算最佳振蕩模的電子調(diào)諧范圍和平均電子調(diào)諧率；

(5)利用頻率計測得的自由空間波長，代入下式：

(6)畫出駐波曲線I(L)，并作檢波晶體管I~/E/的曲線，求出檢波律n

（選做）。鐵磁共振一實驗?zāi)康模?1).了解并觀察鐵磁共振現(xiàn)象；(2).測量YIG單晶鐵氧體材料的旋磁化和共振線寬。二實驗原理：

<1>磁性物質(zhì)的磁性：物質(zhì)的磁性來源于原子的磁矩。在鐵磁性物質(zhì)中，原子磁矩來源于未滿殼層中未配對電子的自旋磁矩，這可由實驗測得g=2的事實來證實。鐵磁性物質(zhì)中電子是束縛電子，自旋之間存在靜電交換作用，在內(nèi)部形成許多磁矩取向一致的微小自發(fā)磁化區(qū)—磁疇。通常情況下每個磁疇無規(guī)則的排列著，整體效果對外不顯磁性。當(dāng)外磁場作用時，各磁疇逐漸趨向外磁場方向，對外表現(xiàn)出磁性。在足夠強的外恒磁場作用下，即可達到飽和磁化。引用磁化矢量表示鐵磁性材料樣品中全體電子自旋磁矩的集體行為，簡稱系統(tǒng)。<2>．外磁場對鐵磁性物質(zhì)的作用

(1)量子力學(xué)觀點根據(jù)量子力學(xué)理論，系統(tǒng)在外磁場中分裂為若干Zeeman能級，這時再加交變電磁場的作用，若其能量等于系統(tǒng)的相鄰Zeeman能級間的能量差時，則系統(tǒng)發(fā)生吸收躍遷，即鐵磁共振吸收。

（1）例如:當(dāng)直流恒磁場頻率約為3000Oe時，交變磁場頻率兆赫，即在微波段中觀察到鐵磁共振吸收現(xiàn)象。

(2).經(jīng)典力學(xué)觀點鐵磁性物質(zhì)在直流磁場及微波場的同時作用下，系統(tǒng)的經(jīng)典力學(xué)運動方程為：

(2)

和成正比，即：

（3）比例常數(shù)r為旋磁比，它與電子的運動特性無關(guān)，只依賴于電子的荷質(zhì)比，即

(4)

電子帶負電荷，故磁矩和自旋動量矩的方向相反。則：

（5）由（5）式很容易得到系統(tǒng)的自由進動頻率。并使，則得到：

（6）（6）式中再對t微分一次，得到和的振動方程：

（7）鐵磁共振實驗裝置圖三．實驗內(nèi)容及方法<1>測量YIG的旋磁比r(1)開啟各部分電源，預(yù)熱20分鐘；

(2)把微波順磁共振儀的“調(diào)制”開關(guān)扳到“50HZ”檔，調(diào)該旋鈕使電表指示最大并把當(dāng)大檔開關(guān)扳下（直通）；

(3)把厘米波信號發(fā)生器工作狀態(tài)置于“連續(xù)”狀態(tài)，調(diào)“反射極電壓”得到信號源的最佳工作模，用頻率計定出其中一個點頻（一般選在最佳模的峰值處）；

(4)調(diào)樣品諧振腔的可調(diào)終端活塞，使腔體的吸收峰與頻率計的吸收峰重合一致。（調(diào)腔體的吸收峰時應(yīng)將盡量把終端活塞放置在腔體的終端處，調(diào)好吸收峰后終端活塞位置就不要在動了。）

(5)讀出此時的頻率值，此值為微波工作頻率，減小50HZ調(diào)制電流，使振蕩模消失，示波器上只剩下兩條穩(wěn)定的曲線；

(6)再把“調(diào)制”開關(guān)扳到“200HZ”處，調(diào)電流大小使，示波器上出現(xiàn)較寬的4000根等幅線；

（7)啟動電磁鐵穩(wěn)流源，然后徐徐一邊調(diào)節(jié)磁化電流，一邊觀察示波器，當(dāng)在4000根等幅線條上下出現(xiàn)包絡(luò)（此包絡(luò)只與磁場有關(guān)），則停止調(diào)電流，此包絡(luò)便是共振信號；調(diào)磁化電流時應(yīng)先“粗調(diào)”后“細調(diào)”，當(dāng)磁化電流“換向”或“關(guān)閉”穩(wěn)流源時，應(yīng)先將磁化電流調(diào)為0方可；（8)把微波順磁共振儀上的放大開關(guān)扳到“放大”處，此時看到的就是電子自旋共振信號，調(diào)“移相”使兩共振信號重合，調(diào)“衰減”使共振信號在示波器上，通過調(diào)磁場，使共振信號顯示在示波器的屏幕正中；