微波测量技术.pdf
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1、微波测量技术微波测量技术 山东师范大学物理实验中心 山东师范大学物理实验中心 一、微波基础知识一、微波基础知识 按照国际电工委员会(IEC)的定义,微波 (Microwaves)是: 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 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” 微波是指:波长为微波是指:波长为m至0.至0.mm,频率在 300MHz-3000GHz之间的电磁波或无线电波。 ,频率在 300MHz-3000GHz之间的电磁波或无线电波。 106103 光 波光 波
2、 (m) 10010-310-610-910-12 电波 广播 无 线 电 波无 线 电 波 电视微波 微波 红外可见光 X射线 紫外 近代物理实验专题讲座 2003.8近代物理实验专题讲座 2003.8 波长处于光波和无线电波之间波长处于光波和无线电波之间 微波频段的划分:微波频段的划分: 分米波分米波, 厘米波,毫米波和亚毫米波厘米波,毫米波和亚毫米波 常用波段代号常用波段代号 0.31.2520.31.2523 35 51022标称波长 1022标称波长 (cm) WKKuWKKuX XC CSL波段代号 频率范围 ( SL波段代号 频率范围 (GHz) 1-22-44-8 8-128-
3、12 12- 18 18- 27 80- 100 W(3mm) 实际上是卫星通信的主流频段实际上是卫星通信的主流频段 CK 为早期的微波通信频段,为早期的微波通信频段,80s 后较少 广播电视、通信频率相对较低: 后较少 广播电视、通信频率相对较低: KHz 3GHz 在实验中使用厘米波中的X波段,在实验中使用厘米波中的X波段, 其标称波长为3.2cm,中心频率为9375MHz。其标称波长为3.2cm,中心频率为9375MHz。 国际上对各微波频段用途的规定国际上对各微波频段用途的规定 微波炉中磁控管工作频率为微波炉中磁控管工作频率为 2.45 GHz; C 波段通讯卫星的工作频率:下行频率为
4、波段通讯卫星的工作频率:下行频率为 3.700 4.200 GHz, 上行频率为 , 上行频率为 5.925 6.425 GHz。 Ku 波段通讯卫星的工作频率:下行频率为波段通讯卫星的工作频率:下行频率为 11.7 12.2 GHz,上 行频率为 ,上 行频率为 14.0 14.5 GHz。 40 60 GHz 为保密通信频段;为保密通信频段;26.5 40 GHz 和和 75 110 GHz 为雷达、制导系统频段等等。为雷达、制导系统频段等等。 3G通信技术 第三代移动通信技术(3rd-generation-3G),是指支持高速 数据传输的蜂窝移动通讯技术。 第一代:1995年,模拟制式(
5、1G),只能进行语音通话 第二代:1996-2002年,数字制式(2G),数据接收,邮件 网页。二种标准:GSM(移动)、CDMA(联通) 第三代:2003年,数字制式(3G). 目前存在四种标准:TD-SCDMA(中国移动) CDMA2000(中国电信) WCDMA (中国联通) WIMAX TD-SCDMA 带宽:1.6MHz 频段:1880MHz-2400MHz CDMA2000 带宽:1.25MHz 频段:1920MHz-2150MHz WCDMA 带宽:5MHz 频段:1940MHz-2145MHz 二、微波基本特点二、微波基本特点 微波与无线电波相比,它的波长小得多, 相应的频率也
6、高得多。这种数量的变化引起 了电磁波性质的变化,使得微波具有一系列 不同于普通无线电波的特点。现将微波与无 线电波的主要不同点简述如下: 微波与无线电波相比,它的波长小得多, 相应的频率也高得多。这种数量的变化引起 了电磁波性质的变化,使得微波具有一系列 不同于普通无线电波的特点。现将微波与无 线电波的主要不同点简述如下: 近代物理实验专题讲座 2003.8近代物理实验专题讲座 2003.8 1.似光性,似声性似光性,似声性方向性好方向性好 近代物理实验专题讲座 2003.8近代物理实验专题讲座 2003.8 微波具有 微波具有直线传播、显著反射、 折射的特性 直线传播、显著反射、 折射的特性
7、,利用这个特点,就能 在微波波段制成方向性极好的天线 系统,也可以收到地面和宇宙空间 各种物体反射回来的微弱信号,从 而确定物体的方位和距离,这为 ,利用这个特点,就能 在微波波段制成方向性极好的天线 系统,也可以收到地面和宇宙空间 各种物体反射回来的微弱信号,从 而确定物体的方位和距离,这为雷雷 达定位、导航达定位、导航等领域提供了广阔的等领域提供了广阔的 应用。应用。 2.频率极高,穿透性强频率极高,穿透性强 近代物理实验专题讲座 2003.8近代物理实验专题讲座 2003.8 由于微波既能穿透电离层 (低频电磁波不行) 也能穿透 尘埃、云、雾 (光波不行), 因此,微波就成了卫星通讯、
8、空间通讯和射电天文研究的 重要手段。 可以容易穿入介质内部: 如微波加热 由于微波既能穿透电离层 (低频电磁波不行) 也能穿透 尘埃、云、雾 (光波不行), 因此,微波就成了卫星通讯、 空间通讯和射电天文研究的 重要手段。 可以容易穿入介质内部: 如微波加热食品发热 食品发热 3. 频带宽,信息性好频带宽,信息性好 可用频带很宽 (数百兆甚至上千兆赫兹),是低频 无线电波无法比拟的。因此,微波在通讯领域内得 到了广泛的应用。 可用频带很宽 (数百兆甚至上千兆赫兹),是低频 无线电波无法比拟的。因此,微波在通讯领域内得 到了广泛的应用。 微波通讯系统的工作频带宽、信息容量大、机动 性好,特别适合
9、于卫星通讯,宇航通讯和移动通讯 等,因而在现代通讯系统中占有相当重要的地位。 微波通讯系统的工作频带宽、信息容量大、机动 性好,特别适合于卫星通讯,宇航通讯和移动通讯 等,因而在现代通讯系统中占有相当重要的地位。 由于微波波长较短,频率高。微波的传输 系统,微波元器件以及它们的工作原理和分 析方法都与直流、低频电路系统,低频元器 件以及它们的工作原理和分析方法截然不同。 由于微波波长较短,频率高。微波的传输 系统,微波元器件以及它们的工作原理和分 析方法都与直流、低频电路系统,低频元器 件以及它们的工作原理和分析方法截然不同。 4. 分析方法的独特性分析方法的独特性 在低频电路(直流): 在低
10、频电路(直流): 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)。 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)。我们可以认为有关物理量在传输 系统中是均匀分布的。因此,我们只需考虑 各物理量随时间的变化,而不考虑其空间分 布。 我们可以认为有关物理量在传输 系统中是均匀分布的。因此,我们只需考虑 各物理量随时间的变化,而不考虑其空间分 布。 在低频电路基本参数: 在低频电路基本参数:电压、电流和频 率 电压、电流和频 率;其他参数,如波长、功率、阻抗、品质 因数等均可由这三个今本参数导出。 ;其
11、他参数,如波长、功率、阻抗、品质 因数等均可由这三个今本参数导出。 近代物理实验专题讲座 2003.8近代物理实验专题讲座 2003.8 在高频电路(微波): 在高频电路(微波): 工作波长与微波器件的几何尺寸十分接 近,电路是一种分布参数电路,电压、电流 不仅失去了原有的意义,且根本无法直接测 量,所以不能在作为基本参数。为此,微波 系统的研究方法必须从三维空间场的理论着 手,才能认识和讨论有关问题。 工作波长与微波器件的几何尺寸十分接 近,电路是一种分布参数电路,电压、电流 不仅失去了原有的意义,且根本无法直接测 量,所以不能在作为基本参数。为此,微波 系统的研究方法必须从三维空间场的理论
12、着 手,才能认识和讨论有关问题。 在高频领域,测量基本参数:在高频领域,测量基本参数:频率(或波 长)、驻波比(或反射系数)、功率 频率(或波 长)、驻波比(或反射系数)、功率;其他 参数如阻抗、衰减系数、品质因数等原则上 可以由三个基本参数导出。 ;其他 参数如阻抗、衰减系数、品质因数等原则上 可以由三个基本参数导出。 低频 高频低频 高频 电 路电 路电 场电 场 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 集总参数集总参数分布参数分布参数 物理量:功率、驻波比、阻抗、模式 传输线:波导管、同轴线、微带线、大气等 分析方法:分布参数、电场、麦克斯韦方程组 微波系统 物理量:电压
13、、电阻、电流、电容、电感 传输线:各种形式的导体电路系统 分析方法:集总参数、电路、基尔霍夫定律 低频电路系统 物理量:功率、驻波比、阻抗、模式 传输线:波导管、同轴线、微带线、大气等 分析方法:分布参数、电场、麦克斯韦方程组 微波系统 物理量:电压、电阻、电流、电容、电感 传输线:各种形式的导体电路系统 分析方法:集总参数、电路、基尔霍夫定律 低频电路系统 微波基本参数的测量方法与低频电路大不相同微波基本参数的测量方法与低频电路大不相同 频率(波长波长)、驻波比、阻抗和功率、驻波比、阻抗和功率等微波参 数的测量方法有其独特之处。 等微波参 数的测量方法有其独特之处。 频率(波长)的测量根据谐
14、振腔的选频原理来进 行(即通常所称的 频率(波长)的测量根据谐振腔的选频原理来进 行(即通常所称的“吸收式波长计吸收式波长计”)。)。 驻波比的测量是通过检测电场强度的相对值来实 现。 驻波比的测量是通过检测电场强度的相对值来实 现。 功率的测量是利用微波的热效应(热电偶、热敏 电阻等),通过热电换能器进行间接的量测。 功率的测量是利用微波的热效应(热电偶、热敏 电阻等),通过热电换能器进行间接的量测。 频率、驻波比、功率在微波基本测量实验中对其进行测量 三、微波技术系列实验三、微波技术系列实验 实验目的实验目的 本系列实验是为了让学生了解微波的基本 概念,了解微波的应用,掌握若干微波元器 件
15、的原理和用法,学习若干种微波测量方 法,为从事与微波有关的工作打下基础。 本系列实验是为了让学生了解微波的基本 概念,了解微波的应用,掌握若干微波元器 件的原理和用法,学习若干种微波测量方 法,为从事与微波有关的工作打下基础。 微波技术系列实验微波技术系列实验 微波传输特性与基本测量实验微波传输特性与基本测量实验 微波光学特性测量实验微波光学特性测量实验 微波铁磁共振实验微波铁磁共振实验 微波电子自旋共振实验微波电子自旋共振实验 微波法测电容率与介电损耗角微波法测电容率与介电损耗角 实验目的实验目的 1.了解微波传输系统的结构,微波基本元件 的使用; 2.掌握微波基本参数: 1.了解微波传输系
16、统的结构,微波基本元件 的使用; 2.掌握微波基本参数:频率、功率、驻波比 和波导波长 频率、功率、驻波比 和波导波长的测量。的测量。 (一)微波传输特性与基本测量实验(一)微波传输特性与基本测量实验 微波传输特性测量装置微波传输特性测量装置 1 2345 6 7 8 9 10 11 1.微波信号源:微波信号源:固态源固态源 2.传输线:传输线: 波导管波导管 隔离器隔离器 衰减器衰减器 频率计频率计 驻波测量线驻波测量线 环形器环形器 3.终端负载:终端负载: 检波晶体检波晶体 喇叭天线喇叭天线 匹配负载匹配负载 短路片短路片 检波器检波器 信号源信号源 传输线传输线 终端负载终端负载 (二
17、)微波铁磁共振实验(二)微波铁磁共振实验 实验目的 1. 掌握各微波器件的功能及其调节方法 2. 铁磁共振的测量原理,通过观测铁磁共振现 象认识磁共振的一般特性。 3、通过观察YIG多晶小球的铁磁共振信号,确定 共振磁场,根据微波频率计算单晶样品的g因 子和旋磁比 。 实验目的 1. 掌握各微波器件的功能及其调节方法 2. 铁磁共振的测量原理,通过观测铁磁共振现 象认识磁共振的一般特性。 3、通过观察YIG多晶小球的铁磁共振信号,确定 共振磁场,根据微波频率计算单晶样品的g因 子和旋磁比 。 铁磁共振(FMR)观察的对象是铁磁介质 中的未偶电子。由磁学知识可知,物质的铁 磁性主要来源于原子或离
18、子在未满壳层中存 在的非成对电子自旋磁矩。由于电子自旋磁 矩之间存在着强耦合作用,使铁磁介质中存 在着许多自发磁化的小区域,这样的小区域 称为磁畴。 铁磁共振(FMR)观察的对象是铁磁介质 中的未偶电子。由磁学知识可知,物质的铁 磁性主要来源于原子或离子在未满壳层中存 在的非成对电子自旋磁矩。由于电子自旋磁 矩之间存在着强耦合作用,使铁磁介质中存 在着许多自发磁化的小区域,这样的小区域 称为磁畴。 微波铁磁共振实验装置微波铁磁共振实验装置 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 信号源信号源 传输线传输线传输谐振腔传输谐振腔永久磁场永久磁场 微波铁磁共振实验装置微波铁磁共振实验装
19、置 (三)微波电子自旋共振实验 实验目的实验目的 1.研究了解电子自旋共振现象; 2.测量DPPH中的朗得g因子; 3.了解和掌握微波元件在实验中的应用; 4.测定波导波长 四、常用微波元件四、常用微波元件 (一)微波信号源:电子管源、固态源(一)微波信号源:电子管源、固态源 电子管源:反射式速调管、行波管、磁控管 等电真空器件 电子管源:反射式速调管、行波管、磁控管 等电真空器件 固态源:体效应管、雪崩管和微波晶体管等 固体电子器件 固态源:体效应管、雪崩管和微波晶体管等 固体电子器件 近代物理实验专题讲座 2003.8近代物理实验专题讲座 2003.8 (二)微波传输线(二)微波传输线波导
20、波导 波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输 能量的传输线,是由金属空心管所形成的无 内导体的一种传输线,具有损耗小、功率容 量大等优点。有圆柱形波导管和矩形波导管。 在实际应用中,波导截面的尺寸也不是任意 的。 波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输 能量的传输线,是由金属空心管所形成的无 内导体的一种传输线,具有损耗小、功率容 量大等优点。有圆柱形波导管和矩形波导管。 在实际应用中,波导截面的尺寸也不是任意 的。 近代物理实验专题讲座 2003.8近代物理实验专题讲座 2003.8 矩形波导 圆形波导 脊形波导 椭圆波导矩形波导 圆形波导 脊形波导 椭圆波导 平行双线 同轴线 带状线 微带线
21、介质波导 镜像线 单线波导 TEM波传输线 波导传输线 表面波传输线 波导管波导管是由金属空心管所形成的无内导体的一种传输 线,具有损耗小、功率容量大等优点。有圆柱形波导管和矩 形波导管。在实际应用中,波导截面的尺寸也不是任意的。 是由金属空心管所形成的无内导体的一种传输 线,具有损耗小、功率容量大等优点。有圆柱形波导管和矩 形波导管。在实际应用中,波导截面的尺寸也不是任意的。 矩形波导管示意图矩形波导管示意图 3cm矩形波导管尺寸矩形波导管尺寸 a=22.86mm b=10.16mm 其主模频率范围:其主模频率范围: 8.2012.50GHz 截止频率:截止频率: 6.557GHz E H
22、y x z E H H E a b n 电磁波在波导中的传播电磁波在波导中的传播 近代物理实验专题讲座 2003.8近代物理实验专题讲座 2003.8 1.导行波的概念导行波的概念 由波导传输线所引导的,能沿一定方向 传播的电磁波称为 由波导传输线所引导的,能沿一定方向 传播的电磁波称为“导行波导行波”。导行波的电场。导行波的电场E 或磁场或磁场H都是x、y、z三个方向的函数。导行 波可分成以下三种类型: 都是x、y、z三个方向的函数。导行 波可分成以下三种类型: 横电磁波(横电磁波(TEM波)波) 横电波横电波(TE波波) 横磁波横磁波(TM波波) 近代物理实验专题讲座 2003.8近代物理
23、实验专题讲座 2003.8 ( (A) 横电磁波() 横电磁波(TEM波)波) TEM波的特征是: 波的特征是: Ez =0 0 Hz =0 0 即:电场 即:电场E和磁场和磁场H均无纵向分量,电场均无纵向分量,电场E和 磁场 和 磁场H,都是纯横向的。,都是纯横向的。TEM波沿传输方向 的分量为零。所以,这种波是无法在波导管 中传播,只能在平行双线或同轴线中传播。 波沿传输方向 的分量为零。所以,这种波是无法在波导管 中传播,只能在平行双线或同轴线中传播。 00 zz HE (B) 横电波(横电波(TE波)波) TE波即是横电波或称为波即是横电波或称为“磁波磁波”(H波),其特征 是 波),
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