微波傳輸特性的基礎(chǔ)知識

1、 微波傳輸特性的基礎(chǔ)知識 “微波”通常是指波長在的電磁波，對應(yīng)的頻率范圍為：，它介于無線電波和紅外線之間，又可分為分米波、厘米波、毫米波、亞毫米波。微波與低頻電磁波一樣，具有電磁波的一切特性，但由于微波的波長較短、頻率高因此又具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，主要表現(xiàn)在：1、 描述方法：由于電磁波的波長極短，與使用的元件和設(shè)備的尺寸可以相比擬，在低頻段由于能量集中其傳播性質(zhì)用“路”的概念來描述，使用的元件稱為集中參數(shù)元件（電阻、電容、電感等）；而微波的傳播應(yīng)利用“場”的概念來處理，使用的元件為分布參數(shù)元件（波導(dǎo)管、諧振腔等）。因此低頻電路的電流、電壓、電阻等不再適用，而是采用等效方法處理；微波測量則以功率、

2、波長、阻抗取代了電流、電壓、電阻等。2 、產(chǎn)生方法：微波的周期在與電子管內(nèi)電子的渡越時(shí)間（約為）相近，因此微波的產(chǎn)生和放大不能再使用普通的電子器件，取而代之的是結(jié)構(gòu)和原理完全不同的微電子元件速調(diào)管、磁控管、行波管及微波固態(tài)器件。3、 光似性：由于微波介于無線電波和紅外線之間，因此不僅具有無線電波的性質(zhì)同時(shí)具有光波的性質(zhì)：以光速直線傳播、反射、折射、干涉、衍射等。4、 能量強(qiáng)：由于微波的頻率高，故可用頻帶寬、信息容量大，且能穿透大氣層因此可廣泛用于衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星廣播電視、宇宙通訊和射天天文學(xué)的研究。由于微波的這些特性，使微波在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙感、天文、氣象、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、以及醫(yī)學(xué)等方面得

3、到廣泛應(yīng)用。一、 微波元件簡介1. 固態(tài)振蕩器（固態(tài)信號源）微波振蕩器（信號源）是產(chǎn)生微波信號的裝置，常見的有磁控管振蕩器、速調(diào)管振蕩器和固態(tài)振蕩器幾種。磁控管振蕩器功率大體積大，常用來提供大功率信號；速調(diào)管振蕩器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但效率低一般只有0.5%2.5%，輸出功率小一般在，因此比較適合實(shí)驗(yàn)室使用。固態(tài)振蕩器則是一種較新型的信號源，可分為微波晶體管振蕩器、體效應(yīng)管振蕩器、雪崩二極管振蕩器等。固態(tài)振蕩器振蕩頻率高最高振蕩頻率可達(dá)幾百千兆；輸出功率最大可達(dá)幾十瓦以上，脈沖功率可達(dá)幾千瓦；支流功率轉(zhuǎn)換為微波功率較高，最高可達(dá)50%以上。這里主要介紹實(shí)驗(yàn)室常用的由體效應(yīng)二極管振蕩器。1963

4、年美國國際商業(yè)機(jī)器公司發(fā)現(xiàn)的，砷化鎵和磷化銦等材料的薄層具有負(fù)阻特性，因而無需P-N接即可產(chǎn)生微波振蕩，它的工作原理與通常由P-N節(jié)組成的半導(dǎo)體器件不同，它不是利用載流子在PN內(nèi)運(yùn)動特性，而是利用載流子在半導(dǎo)體內(nèi)的體內(nèi)體內(nèi)運(yùn)動特性，是靠砷化鎵材料“體”內(nèi)的一種物理效應(yīng)（負(fù)阻效應(yīng)）所以稱為體效二極管或耿氏管（Gun管）。體效應(yīng)二極管由截止式衰減器以及用來調(diào)制微波脈沖幅度的PIN調(diào)制器組成。實(shí)驗(yàn)室常用的3cm固態(tài)信號源的頻率調(diào)節(jié)范圍大約8.6一9.6GHz。 體效應(yīng)振蕩器是微波信號源的核心元件， I (A)它是利用具有負(fù)阻特性的半導(dǎo)體材料砷化鎵制成的，由于砷化鎵具有雙能級結(jié)構(gòu)，上、下兩個(gè)能級差為0

5、.36Mev；處于不同能級的電子具有不同的有效質(zhì)量和不同的遷移率，其中上能級有效質(zhì)量大遷移率小。當(dāng)下導(dǎo)帶電子的能量增加到0.36Mev時(shí)，下導(dǎo)帶的電子就會被激發(fā)到上導(dǎo)帶上去，使它在某一區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)阻特性，即出現(xiàn)起伏安特性曲線 圖（1） U(V)如圖（1）所示：由此可知體效應(yīng)管內(nèi)能夠產(chǎn)生一個(gè)震蕩電流，使砷化鎵的厚度足夠地小，體效應(yīng)管可以產(chǎn)生類似脈沖尖峰的振蕩波形，振蕩頻率很高，即產(chǎn)生微波信號。典型的耿氏二極管如圖所示：由銅螺紋（接到直流電源的負(fù)極上）、銅底座（外加散熱器）、陶瓷圓環(huán)（絕緣作用）、金絲引線、砷化鎵片子、頂帽（正極）組成，若將耿氏二極管安裝在諧振腔的適當(dāng)位置上，只要在它的兩端加上直流

6、電壓，就可以在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生微波振蕩，構(gòu)成微波負(fù)阻振蕩器。耿氏二極管的主要性能參數(shù)為：工作頻率10GHz左右，工作電壓10V，工作電流0.20.6A，輸出功率0.030.1W，最大耐壓能力14V。2 隔離器 是一種不可逆的衰減器,正向衰減較小，約0.1dB，反向衰減很大，可達(dá)幾十dB，因此只允許微波單方向通過，對反方向傳播微波呈電阻吸收。隔離器常用于振蕩器與負(fù)載之間，起到隔離和單向傳輸作用。隔離器一般由鐵氧體材料制成，鐵氧體是一種磁性材料，由二價(jià)的金屬錳、鎂、鎳銅、等氧化物和氧化鐵燒制而成，它既具有磁性材料的導(dǎo)磁性，又具有較高的電阻率，一般可達(dá)，由于其電阻率很高，電磁場能夠滲入內(nèi)部起作用而損耗很

7、小因此得到廣泛應(yīng)用。 隔離器 衰減器隔離器分為諧振式和場移式兩種，諧振式功率較大，實(shí)驗(yàn)室常用場移式，它是在波導(dǎo)內(nèi)的適當(dāng)位置放置一片兩端呈尖劈形（為了減少反射）鐵氧體片，使其表面與波導(dǎo)窄面平行，表面附有吸收片（由石墨粉或鎳鉻合金制成）并外加恒定磁場制成。在鐵氧體內(nèi)加上一個(gè)恒定磁場使鐵氧體內(nèi)的電子產(chǎn)生進(jìn)動與此同時(shí)再加上與恒定磁場垂直的高頻右旋或左旋極化磁場，由于這兩種磁場與電子進(jìn)動方向分別相同和相反，因此產(chǎn)生不同的磁導(dǎo)率和而且隨恒定磁場的大小而變化，當(dāng)鐵氧體片的厚度、位置和磁場強(qiáng)度選取適當(dāng)時(shí)，產(chǎn)生非互易性的場效應(yīng)，既當(dāng)電磁波在波導(dǎo)管中正向傳播的波為右旋圓極化時(shí)鐵氧體呈現(xiàn)磁導(dǎo)率為一負(fù)值右旋圓極化場被

8、“排除”鐵氧體外，吸收材料的表面電場為0，幾乎無衰減。當(dāng)電磁波反向傳播時(shí)為左旋圓極化場被“吸入”鐵氧體內(nèi)，被吸收材料表面電場很大被吸收，反向衰減很大。3衰減器 衰減器是一種電阻性器件，用來衰減微波的功率和電平。 衰減器可分為固定式和可變式兩種，也可以分成吸收式衰減器、旋轉(zhuǎn)式極化衰減器以及過極限衰減器。實(shí)驗(yàn)室常用吸收式可變衰減器，它是在波導(dǎo)內(nèi)加裝可移動的衰減片，衰減片是在介質(zhì)片上涂上電阻性薄膜的介質(zhì)片（例在玻璃上噴涂鎳鉻），移動衰減片的位置或深度可以改變對電磁波的吸收程度，從而改變波導(dǎo)管內(nèi)電磁波的強(qiáng)度，調(diào)節(jié)信號的強(qiáng)弱。4頻率計(jì)（波長表）是利用諧振腔來測量頻率的元件，它通常選用同軸或圓柱波導(dǎo)為諧振

9、腔制成的，又“吸收式”諧振頻率計(jì)，它的腔體通過耦合元件耦合到一段直波導(dǎo)上，當(dāng)它的腔體失諧時(shí)，腔體內(nèi)電磁場極弱，此時(shí)不吸收能量，基本不影響波導(dǎo)內(nèi)電磁波的傳播，相應(yīng)地接在終端的檢波器的示數(shù)保持恒定大小的信號輸出。移動諧振腔一端活塞的位置，來改變諧振腔的長度，可以改變諧振腔的固有頻率。當(dāng)它的固有頻率與微波的頻率相同時(shí)，就會發(fā)生共振吸收，從電磁場中吸收能量，使其能量減少，出現(xiàn)共振吸收峰。讀出此時(shí)測微計(jì)的示數(shù)，從附表中查出對應(yīng)的頻率，利用波長與頻率的關(guān)系可以求出電磁波在自由空間的波長。 波長表（頻率計(jì)） 負(fù) 載5負(fù)載微波傳輸中接入一些元件對電磁波產(chǎn)生特定的影響，可分為匹配負(fù)載和電抗元件（或負(fù)載）。匹配負(fù)

10、載通常做成波導(dǎo)管的形式，內(nèi)裝吸收片，它的材料是涂有金屬碎沫（例如鉑金）或碳膜的介質(zhì)片，介質(zhì)一般選用玻璃、瓷膠紙等，做成劈形可微波緩慢吸收，其形狀及大小決定吸收程度，。匹配負(fù)載的吸收率較大幾乎將進(jìn)入其中的微波全部吸收，可認(rèn)為無反射，駐波比=1.06。電抗元件包括膜片、調(diào)諧螺釘和短路活塞三種。膜片可分為：1）電容性膜片將其置于波導(dǎo)管中使電場加強(qiáng)，相當(dāng)于跨接與雙線的電容器，呈現(xiàn)電容特性性。 2）電感性膜片將其置于波導(dǎo)管中由于膜片電流使膜片周圍磁場集中，相當(dāng)于跨接與雙線的電感器，呈現(xiàn)電感特性。3）調(diào)協(xié)窗將電容性膜片和電感性膜片組合在一起，成為中間開孔的膜片，相當(dāng)于接入一個(gè)LC振蕩回路， 調(diào)諧螺釘是矩形

11、波導(dǎo)管中央位置插入螺釘時(shí)，該處的電磁場將發(fā)生變化：當(dāng)插入深度較淺（）時(shí)使電場增強(qiáng)，呈現(xiàn)容性；時(shí)電容和電感相等，形成串聯(lián)諧振；當(dāng)時(shí)感抗大于容抗，呈現(xiàn)感抗性。6駐波測量線 測量線又稱駐波測量儀，是用來測量波導(dǎo)中駐波分布規(guī)律的儀器，可分為測量 駐波測量線電場和測量磁場兩種。實(shí)驗(yàn)室常用第一種，它由一段沿縱向開有細(xì)長槽的直波導(dǎo)與一個(gè)可沿槽移動的帶有微波晶體檢波器的探針探頭組成。探針經(jīng)過槽插入傳輸線內(nèi)，從中拾取微波功率以測量微波電場強(qiáng)度的幅值沿軸線的分布規(guī)律，探針的位置可由測量線上附的標(biāo)尺或測微計(jì)讀出。7、晶體檢波器晶體檢波器的核心元件是采用半導(dǎo)體點(diǎn)接觸的二極管（又稱為微波二極管），其結(jié)構(gòu)如圖所示：形狀一

12、般為子彈狀，外殼為高頻鋁磁管；晶體檢波器就是在異端波導(dǎo)管中安上微波二極管，如圖所示，將微波二極管插入波導(dǎo)管的寬邊中心，以便檢測波導(dǎo)管兩寬邊間的感應(yīng)電壓，為了得到較大的檢波信號，通常在通過調(diào)節(jié)其后端短路活塞的位置使其與二極管的間距為，使檢波二極管位于電場最大處。微波二極管 檢波器結(jié)構(gòu)示意圖 7調(diào)配器調(diào)配器是用來調(diào)節(jié)波導(dǎo)系統(tǒng)使其達(dá)到匹配狀態(tài)的裝置，可分為單螺調(diào)配器、三螺調(diào)配器和雙T接頭調(diào)配器等幾種。單螺調(diào)配器實(shí)質(zhì)上是一段帶有螺釘?shù)木匦尾▽?dǎo)，螺釘?shù)淖饔孟喈?dāng)于并聯(lián)在波導(dǎo)截處的短路支線，改變螺釘?shù)纳疃燃霸诓▽?dǎo)管中的位置，就可將它調(diào)節(jié)到任意所需的阻抗：當(dāng)插入深度時(shí)，它呈現(xiàn)一個(gè)等效并聯(lián)電感，當(dāng)插入深度時(shí)它呈

13、現(xiàn)一個(gè)等效并聯(lián)電容，的值大約等于時(shí)會發(fā)生串聯(lián)型諧振，此時(shí)波導(dǎo)處于短路狀態(tài)，實(shí)際應(yīng)用中螺釘?shù)牟迦肷疃炔怀^諧振深度。若在波導(dǎo)中插入三個(gè)螺釘則構(gòu)成三螺調(diào)配器，這兩種調(diào)配器僅適用于功率不大的情況。 單螺調(diào)配器 雙T頭調(diào)配器此外還有連接元件、分支元件（E面分支、H面分支、雙T分支及魔T）、定向耦合器、環(huán)行器。二、電磁波在波導(dǎo)管中的傳播特性 1、波導(dǎo)管中的電磁波波模 電磁波在自由空間傳播時(shí)為橫電磁波，在電磁波的微波段，為了避免導(dǎo)線的輻射損耗和趨附效應(yīng)的影響，一般采用波導(dǎo)管作為傳輸線，電磁波在波導(dǎo)管中傳輸只能以橫電波（TE波）、橫磁波（TM波）以及兩者的混合波的形式進(jìn)行。矩形波導(dǎo)管是較常用的傳輸線，電磁波

14、在波導(dǎo)管中的場結(jié)構(gòu)可以電磁場理論推得。設(shè)寬邊為a、窄邊為b的無限長波導(dǎo)管，電磁波以圓頻率自波導(dǎo)開口端沿z.由 Maxwll equstoins 可得時(shí)諧波在自由空間傳播時(shí)可寫為： 利用矢量分析可將上述方程變?yōu)椋?利用分離變量法并并將矩形波導(dǎo)管的邊界條件 時(shí) ， 時(shí) ， 代入可得：根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度與電場強(qiáng)度之間的關(guān)系 可求出利用Maxwll equstoins可知若 則與電場強(qiáng)度均為0，因此波導(dǎo)管中不存在橫電磁波，只能以橫電波（TE波）、橫磁波（TM波）以及兩者的混合波的形式存在。其截止頻率為： 只有當(dāng)mn時(shí)的波才能在波導(dǎo)管中傳播，可見對應(yīng)不同的， 的取值，電磁波可以以不同的頻率傳播，這些特定的形

15、式稱為波模。2、矩形波導(dǎo)管中TE波結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由上式可得，當(dāng)時(shí)若 ， 時(shí)有最低截止頻率：既TE波的頻率最低，稱為主波，此時(shí)波長最長。因此在真空中波導(dǎo)管中能夠傳播的最大波長為： 如果選擇適當(dāng)?shù)某叽绮▽?dǎo)管中只能通過TE波其電磁場量為： 由此可以得到在不同截面上的場結(jié)構(gòu)：在平面內(nèi)只有分量且與無關(guān)，磁場則存在著和分量，其強(qiáng)度分布和場線分布如圖所示：TE波在平面內(nèi)的場結(jié)構(gòu)同理可得平面內(nèi)電場和磁場分量和分量與無關(guān)，即沿軸方向均勻分布，而沿軸方向?yàn)橹芷谛宰兓?，但橫向場（，）與縱向場存在位相，其結(jié)構(gòu)分布如下圖 。 TE波在平面內(nèi)的場結(jié)構(gòu) 在平面內(nèi)，電場線與該平面垂直，而磁場既有又有分量，合成的磁感應(yīng)線如同橢圓形，

16、結(jié)構(gòu)分布如下圖： TE波在平面內(nèi)的場結(jié)構(gòu) 綜上所述可以得到TE波整體場結(jié)構(gòu)分布，如下圖所示：TE波的場結(jié)構(gòu)透視圖 TE波管壁電流分布3、面電流（管壁電流）分布利用邊界關(guān)系 可知波導(dǎo)管的管壁電流只是橫過窄邊，波導(dǎo)管的寬邊上中線電場橫向電流為0，沒有管壁電流，因此在波導(dǎo)管窄邊上的任何裂縫都會影響波導(dǎo)管中電磁場分布，而寬邊上的裂縫則不會影響電磁場的分布，因此測量時(shí)要在寬邊的中線處開口。4、駐波波長由于 可知電磁波在波導(dǎo)管中傳播的波矢量為： 將 和 代入得： 電磁波在波導(dǎo)管中傳播的波長即波導(dǎo)波長為：實(shí)驗(yàn)十七 微波傳輸特性的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)會使用基本的微波器件2 了解微波震蕩源的基本工作原理和傳輸特性

17、3 掌握頻率、功率、駐波比等基本量的測量方法實(shí)驗(yàn)原理1、微波的傳輸特性電磁波在波導(dǎo)管中傳播時(shí)，由于反射它的內(nèi)部同時(shí)存在著入射波和反射波，依據(jù)終端負(fù)載的不同波導(dǎo)管內(nèi)的電磁波呈現(xiàn)三種狀態(tài)： (1)行波：當(dāng)終端接“匹配負(fù)載”時(shí)，反射波不存在，微波呈現(xiàn)行波狀態(tài)。 (2)純駐波：當(dāng)終端接“短路板”、開路或接純阻抗元件時(shí)，終端發(fā)生全反射，微波呈現(xiàn)純駐波狀態(tài)。 (3)混合波：一般情況下，終端發(fā)生部分反射，波導(dǎo)管中傳播的既不是行波也不是駐波，而是兩者的混合波。實(shí)驗(yàn)中在終端接不同負(fù)載，通過測量駐波比和反射系數(shù)來描述終端的反射情況，從而確定波導(dǎo)管中微波呈現(xiàn)的狀態(tài)2基本參量1)截止波長：一定形狀的波導(dǎo)管，不能通過所

18、有波長的電磁波，當(dāng)波導(dǎo)管的尺寸確定后就決定了波導(dǎo)管中通過電磁波（微波）的最大波長，稱為截止波長，它表征微波在波導(dǎo)中傳播的條件。對于TE波截止波長為： 其中示矩形波導(dǎo)寬邊的長度，實(shí)驗(yàn)室用矩形波導(dǎo)管2)波導(dǎo)波長：自由空間的電磁波為橫電磁波（TEM），在真空中傳播時(shí)滿足：其中c表示電磁波在真空中傳播的速度，稱為自由波長。當(dāng)電磁波進(jìn)入波導(dǎo)管時(shí)兩列電磁波疊加，電磁波的波形就會發(fā)生改變，因此波長也會發(fā)生改變。我們把電磁波（微波）在波導(dǎo)管中傳播時(shí)的波長稱為波導(dǎo)波長，用表示，理論上可以證明波導(dǎo)波長滿足： （1）3)駐波比：是描述波導(dǎo)反射程度的量，也是衡量波導(dǎo)元件質(zhì)量的重要參量。當(dāng)波導(dǎo)中存在反射時(shí)，電磁波以駐波

19、形式存在，即存在著波腹（最大值E）和波節(jié)（最小值E）；駐波比S定義為：S= （2） 分別表示波導(dǎo)管中電磁波能量的最大和最小值。駐波比S是一個(gè)大于或等于1的數(shù)，它數(shù)值的大小表征傳輸線上駐波成分的強(qiáng)弱，S越大駐波成分越大，行波成分越??；反之亦然。（4） 反射系數(shù)：也是描述反射程度的物理量，當(dāng)波導(dǎo)中存在反射時(shí)，場強(qiáng)E為入射波和反射波E的疊加；我們定義反射系數(shù)為： （3）其大小與駐波比的關(guān)系為： （4）當(dāng)波導(dǎo)終端接匹配負(fù)載時(shí)，波導(dǎo)管處于匹配狀態(tài)，此時(shí)S=1，=0；當(dāng)終端接“短路板”、開路或接理想導(dǎo)體時(shí)，波導(dǎo)管處于完全駐波狀態(tài)，此時(shí)S=0，=1（5）阻抗：分為匹配阻抗和負(fù)載阻抗兩種，其中匹配阻抗是指波導(dǎo)

20、管處于匹配狀態(tài)時(shí)的阻抗，是描述波導(dǎo)管特性的參量，用Z來表示。負(fù)載阻抗則是指波導(dǎo)管終端的阻抗用Z來表示，兩者之間滿足： （5）實(shí)驗(yàn)裝置 微波傳輸系統(tǒng)包括：固態(tài)信號源、隔離器、可變衰減器、波長表、選頻放大器、測量線、 功率計(jì)、檢波器、調(diào)配器等。 測量內(nèi)容1測量體效應(yīng)管的伏安特性曲線：1） 接通電源預(yù)熱。2） 將微波信號源選折方式置“教學(xué)”狀態(tài)，改變加在體效應(yīng)管兩端的電壓U，測出流過它的電流I。3） 分別以U、I為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)作出 檢波器示數(shù)4） 體效應(yīng)管的伏安特性曲線。2、微波頻率測量 微波的頻率是描述微波信號的一個(gè)很重要的物理量，可利用數(shù)字式頻率計(jì)和吸收式頻率計(jì)來測量，用吸收式頻率計(jì)測量 頻率

21、的原理是：調(diào)節(jié)頻率計(jì)使頻率計(jì)空腔 波長表的諧振點(diǎn)曲線 頻率計(jì)刻度 的固有頻率與微波頻率相同時(shí)就會發(fā)生共振吸收，此時(shí)微波信號最小檢，波器示數(shù)的變化如圖所示。具體測量方法為：1） 按下列方框圖連接測量系統(tǒng)，將2） 波導(dǎo)開關(guān)扳向調(diào)配器一側(cè)。功率計(jì)檢波指示器選 頻放大器微波信號源功率頭隔離器檢波器波導(dǎo)開關(guān)可變衰減器隔離器調(diào)配器測量線波長表圖七 2）信號源選擇方式置“方波”，調(diào)節(jié)功率旋紐使檢波指示器指到一半以上，頻率示數(shù)適中（例如可取9.370）3）調(diào)節(jié)波長表的調(diào)節(jié)旋鈕，直到檢波指示器的示數(shù)出現(xiàn)極小值，記下此時(shí)波長表的示數(shù)。4）查表讀出頻率值；重復(fù)測量。4 測波導(dǎo)管的終端接不同負(fù)載時(shí)對波導(dǎo)中微波傳輸?shù)挠绊懳⒉ㄐ盘栐?選頻放大器測量線波長表隔離器可變衰減器 微波測量系統(tǒng)方框圖（二）上述方框圖組裝傳輸系統(tǒng)，在測量線的末端接入不同的元件分別測量。 （1）終端接“短路板” （2）終端開路或接匹配負(fù)載 （3）終端接一般負(fù)載 （4）終端接匹配負(fù)載要求：（1） 移動測量線上探針的位置，觀察選頻放大器示數(shù)的變化情況，說明所觀察到的現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。（2） 畫出駐波分布圖形。（3） 測量駐波比：測出上述（3）、（4）兩種情況的駐波比，測量方法為：（a） 小駐波和中駐波利用公式（2）測量（b） 大駐波則利用公