微波頻率及波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量

1、開放項(xiàng)目講義微波頻率及波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量1、微波的性質(zhì)微波技術(shù)是近代發(fā)展起來的一門尖端科學(xué)技術(shù)，它不僅在通訊、原子能技術(shù)、空間技術(shù)、量子電子學(xué)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面有著廣泛的應(yīng)用，在科學(xué)研究中也是一種重要的觀測(cè)手段，微波的研究方法和測(cè)試設(shè)備都與無線電波的不同。從圖1可以看出，微波的頻率范圍是處于光波和廣播電視所采用的無線電波之間，因此它兼有兩者的性質(zhì)，卻又區(qū)別于兩者。與無線電波相比，微波有下述幾個(gè)主要特點(diǎn)A/41F111HiaJin6川寸1一L- 1|1LJMILIjiia】尸10-0iiiMl1 1 11DJI1P1111|i 滬i(ric«1 L 1 1 IEifO'"

2、uj見光xm圖1電磁波的分類(1) .波長(zhǎng)短(1m 1mm):具有直線傳播的特性，利用這個(gè)特點(diǎn)，就能在微波波段制成方向性極好的天線系統(tǒng)，也可以收到地面和宇宙空間各種物體反射回來的微弱信號(hào)，從而確定物體的方位和距離，為雷達(dá)定位、導(dǎo)航等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用。(2) .頻率高：微波的電磁振蕩周期(10-9 一 10-叫并艮短，已經(jīng)和電子管中電子在電極間 的飛越時(shí)間(約10-9s)可以比擬，甚至還小，因此普通電子管不能再用作微波器件(振蕩器、放大器和檢波器)中，而必須采用原理完全不同的微波電子管(速調(diào)管、磁控管和行波管等 卜微波固體器件和量子器件來代替。另外，微波傳輸線、微波元件和微波測(cè)量設(shè)備的線度與

3、波長(zhǎng)具有相近的數(shù)量級(jí)， 在導(dǎo)體中傳播時(shí)趨膚效應(yīng)和輻射變得十分嚴(yán)重，一般無線電元件如電阻，電容，電感等元件都不再適用，也必須用原理完全不同的微波元件(波導(dǎo)管、波導(dǎo)元件、諧振腔等)來代替。(3) .微波在研究方法上不像無線電那樣去研究電路中的電壓和電流，而是研究微波系統(tǒng)中的電磁場(chǎng)，以波長(zhǎng)、功率、駐波系數(shù)等作為基本測(cè)量參量。(4) .量子特性：在微波波段，電磁波每個(gè)量子的能量范圍大約是10-610-3eV，而許多原子和分子發(fā)射和吸收的電磁波的波長(zhǎng)也正好處在微波波段內(nèi)。人們利用這一特點(diǎn)來研究分子和原子的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了微波波譜學(xué)和量子電子學(xué)等尖端學(xué)科，并研制了低噪音的量子放大器和準(zhǔn)確的分子鐘，原子鐘。(5

4、) .能穿透電離層：微波可以暢通無阻地穿越地球上空的電離層，為衛(wèi)星通訊，宇宙通訊和射電天文學(xué)的研究和發(fā)展提供了廣闊的前途。綜上所述微波具有自己的特點(diǎn)，不論在處理問題時(shí)運(yùn)用的概念和方法上，還是在實(shí)際 應(yīng)用的微波系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)上，都與普通無線電不同。 微波實(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。2、微波的用途(1) 微波爐微波爐是一種相當(dāng)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，由高功率源、波導(dǎo)饋線和爐腔所成。源一般是工作在2.45GHz的磁控管，它的輸出功率通常在5001500W之間。爐腔具有金屬壁，電氣尺寸相對(duì)較大，為了減小由于爐子內(nèi)存在駐波所引起的不均勻加熱，用一種 模擾動(dòng)器”擾亂腔內(nèi)場(chǎng) 分布，這種 “模擾動(dòng)器 ”是一種金屬

5、風(fēng)扇葉片，食品放在隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)的大淺盤上。 在普通氣體或木炭火的爐子中， 首先，被加熱的食品由于熱傳遞先在它的外部得到熱量， 然后， 食品內(nèi)部由傳導(dǎo)得到熱。 微波加熱時(shí)， 食品的內(nèi)部先得到熱。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在 于水分子的諧振和具有大損耗正切材料的損耗。 一種有趣的事實(shí)是很多食物的損耗正切， 隨 著溫度的增加而下降，以使微波加熱在某種程度上有自我調(diào)節(jié)功能。結(jié)果與通常烹調(diào)比較， 微波烹調(diào)給出極快并更均勻的食品加熱。 微波爐的效率定義為變換為食品中熱量的功率對(duì)供 給爐子功率的比值，一般小于 50%；但是，這通常大于普通爐子的烹調(diào)效率。（2）雷達(dá)系統(tǒng)現(xiàn)代雷達(dá)大多數(shù)是微波雷達(dá)， 利用微波工作的雷達(dá)可以

6、使用尺寸較小的天線， 來獲得很 窄的波束寬度以獲得關(guān)于被測(cè)目標(biāo)性質(zhì)的更多的信息。 雷達(dá)不僅用于軍事， 也用于民用， 如 導(dǎo)航，氣象探測(cè)，大地測(cè)量 ,工業(yè)檢測(cè)和交通管制等。雷達(dá)或稱雷達(dá)檢測(cè)和定位， 也許是微波技術(shù)最有優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用。 在運(yùn)行中， 發(fā)射機(jī)發(fā)出一 個(gè)信號(hào)， 信號(hào)的一部分被遙遠(yuǎn)的目標(biāo)反射， 然后被一個(gè)靈敏的接收機(jī)檢測(cè)到。 如果使用的是 一個(gè)窄波束天線， 則目標(biāo)的方向就可由天線的位置準(zhǔn)確地測(cè)出； 目標(biāo)的距離， 由信號(hào)傳導(dǎo)目 標(biāo)并被目標(biāo)反射回來所使用的時(shí)間來決定，目標(biāo)的徑向速度也與返回信號(hào)的多普勒頻移有 關(guān)。雷達(dá)系統(tǒng)經(jīng)常應(yīng)用在如下的場(chǎng)合中：A 、公眾應(yīng)用：機(jī)場(chǎng)監(jiān)視、海上導(dǎo)航、氣象雷達(dá)、測(cè)量學(xué)、

7、飛機(jī)著陸、夜間防盜、速度 測(cè)量（警戒雷達(dá)） 、測(cè)繪等。B、軍事應(yīng)用：空間和海事導(dǎo)航，飛機(jī)、導(dǎo)彈、空間飛行器的檢測(cè)和跟蹤，導(dǎo)彈的精確 制導(dǎo)，導(dǎo)彈和火炮的點(diǎn)火控制，武器保險(xiǎn)、偵察等。C、科學(xué)應(yīng)用：天文學(xué)、繪圖和成像，精密距離測(cè)量，自然資源遙感等。（3）無線電輻射計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)得到有關(guān)目標(biāo)的信息， 是用發(fā)射一個(gè)信號(hào)并接收從目標(biāo)返回的回波實(shí)現(xiàn)的， 因 此，可以當(dāng)作是一個(gè)有源的遙感系統(tǒng)。 無線電輻射計(jì)是一種無源遙感技術(shù)， 用它發(fā)現(xiàn)有關(guān)目 標(biāo)的信息是通過接收黑體輻射的微波粒子 （噪聲） 實(shí)現(xiàn)的， 該微波粒子直接由周圍物體輻射 或反射，無線電輻射計(jì)是一種靈敏的接收機(jī)，專門用以測(cè)量這種噪聲功率。微波輻射計(jì)是一門相

8、當(dāng)新的技術(shù)領(lǐng)域， 它正處在迅速發(fā)展階段， 從電子工程、 海洋地理、 地球物理、大氣和空間科學(xué)等領(lǐng)域中引伸。下面是微波輻射計(jì)的一些典型的應(yīng)用：（一）環(huán)境應(yīng)用：沙子潮濕的測(cè)量、海洋表面的風(fēng)速、洪水繪圖、大氣層溫度的輪廓、 雪層 /冰層的測(cè)繪等。（二）軍事應(yīng)用：目標(biāo)檢測(cè)、監(jiān)視、目標(biāo)確認(rèn)、繪圖等。（三）天文學(xué)應(yīng)用：行星繪圖、銀河星系射電噪聲目標(biāo)的測(cè)繪、太陽輻射測(cè)繪、宇宙黑 體輻射的測(cè)量等。（ 4）生物效應(yīng) 已經(jīng)證實(shí)微波輻射對(duì)暴露體產(chǎn)生的危害是由熱效應(yīng)產(chǎn)生的。人體吸收RF 和微波能量，并將它變換成熱，如同在微波爐中那樣， 在低電平時(shí)這種熱在身體中沒有感覺。它對(duì)腦、眼 睛、胃組織等影響最大， 過度照射可能

9、引起白內(nèi)障等生理疾病。因此， 必須設(shè)定一個(gè)安全的 輻射電平標(biāo)準(zhǔn)， 使微波設(shè)備的用戶不暴露在有害的功率電平下。 某些專家認(rèn)為， 長(zhǎng)期暴露在 微波輻射下，非熱效應(yīng)對(duì)身體亦有危害。既然微波具有如此多的用途， 而且許多用途都跟微波的波長(zhǎng)與頻率有很大的關(guān)系。 那么 微波的波長(zhǎng)與其頻率有什么關(guān)系， 頻率的變化會(huì)引起波導(dǎo)波長(zhǎng)怎樣的變化， 頻率的變化會(huì)引 起微波駐波比重要的變化等等問題有待我們?nèi)ソ鉀Q。3、原理（1） .微波的波導(dǎo)傳輸和波導(dǎo)管的工作狀態(tài)（見“微波基本知識(shí)”）（2）頻率的測(cè)量頻率的測(cè)量比較簡(jiǎn)易的方法是測(cè)量波長(zhǎng)，然后由波長(zhǎng)推算出頻率。在分米波與厘米波段，常用諧振式頻率計(jì)（波長(zhǎng)表），見實(shí)驗(yàn)教材附錄 3

10、0B圖30-10。波長(zhǎng)表由傳輸波導(dǎo)與圓柱形 諧振腔構(gòu)成，連接處用長(zhǎng)方形孔作耦合。電磁波通過耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入頻率計(jì)的空腔中，當(dāng)頻率計(jì)的腔體失諧時(shí)，腔里的電磁場(chǎng)極為微弱，此時(shí)，它基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng) 電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時(shí)，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過波導(dǎo)中的電磁波信號(hào)強(qiáng)度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時(shí)的刻度，通過查表可得知輸入微波諧振頻率。這是吸收式波長(zhǎng)表。（3）.波導(dǎo)波長(zhǎng)測(cè)量（駐波測(cè)量線法）波導(dǎo)波長(zhǎng)是指在波導(dǎo)管中傳播的合成波的兩個(gè)相鄰波峰或波谷之間的距離。它在數(shù)值上等于相鄰兩個(gè)駐波極值點(diǎn)（波腹或波節(jié)）距離的兩倍。由于場(chǎng)強(qiáng)在極大值點(diǎn)附近變化緩慢， 峰頂位置不易確定，而且探針位于波節(jié)點(diǎn)處對(duì)場(chǎng)分布的影響最小，所以實(shí)際采用測(cè)定駐波極小點(diǎn)的位置來求出波導(dǎo)波長(zhǎng)。 為提高測(cè)量精度，通常采用交叉讀數(shù)法確定波節(jié)點(diǎn)的位置，即取這兩點(diǎn)坐標(biāo)的平均值作為波節(jié)點(diǎn)在波節(jié)點(diǎn)附近找出指示器上輸出幅度相等的兩點(diǎn)的坐標(biāo), 的坐標(biāo)。如下圖所示，貝U圖2波導(dǎo)波長(zhǎng)測(cè)量圖3節(jié)點(diǎn)附近場(chǎng)的分布U為駐波節(jié)點(diǎn)相鄰兩旁的等指示值，W為等指示度之間的距離， g為波導(dǎo)波長(zhǎng)。W與I的測(cè)量精度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，因此必須用高精度的探針位置指示裝置（如百分表）進(jìn)行讀數(shù)。4、項(xiàng)