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VXI總線微波開關(guān)、信號(hào)源模塊

實(shí)驗(yàn)五 微波實(shí)驗(yàn)       微波技術(shù)是近代發(fā)展起來的一門科學(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) 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^-12s)很短，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)、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^-6～10^-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。(北京大華無線電儀器廠)     5．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。   實(shí)  驗(yàn) 目 的 1.       學(xué)習(xí)微波的基本知識(shí)； 2.       了解微波在波導(dǎo)中傳播的特點(diǎn)，掌握微波基本測(cè)量技術(shù)； 3.       學(xué)習(xí)用微波作為觀測(cè)手段來研究物理現(xiàn)象。     微波基本知識(shí) 一、電磁波的基本關(guān)系 描寫電磁場(chǎng)的基本方程是： ，    ，                    ⑴ 和 ，    ，    。                  ⑵   方程組⑴稱為Maxwell方程組，方程組⑵描述了介質(zhì)的性質(zhì)對(duì)場(chǎng)的影響。 對(duì)于空氣和導(dǎo)體的界面，由上述關(guān)系可以得到邊界條件(左側(cè)均為空氣中場(chǎng)量)      ， ，                                                ⑶      ， 。 方程組⑶表明，在導(dǎo)體附近電場(chǎng)必須垂直于導(dǎo)體表面，而磁場(chǎng)則應(yīng)平行于導(dǎo)體表面。   二、矩形波導(dǎo)中波的傳播     在微波波段，隨著工作頻率的升高，導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)和輻射效應(yīng)增大，使得普通的雙 導(dǎo)線不能完全傳輸微波能量，而必須改用微波傳輸線。常用的微波傳輸線有平行雙線、同軸線、帶狀線、微帶線、金屬波導(dǎo)管及介質(zhì)波導(dǎo)等多種形式的傳輸線，本實(shí)驗(yàn)用的是矩形波導(dǎo)管，波導(dǎo)是指能夠引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸能量的傳輸線。     根據(jù)電磁場(chǎng)的普遍規(guī)律——Maxwell方程組或由它導(dǎo)出的波動(dòng)方程以及具體波導(dǎo)的邊界條件，可以嚴(yán)格求解出只有兩大類波能夠在矩形波導(dǎo)中傳播：①橫電波又稱為磁波，簡(jiǎn)寫為TE波或H波，磁場(chǎng)可以有縱向和橫向的分量，但電場(chǎng)只有橫向分量。②橫磁波又稱為電波，簡(jiǎn)寫為TM波或E波，電場(chǎng)可以有縱向和橫向的分量，但磁場(chǎng)只有橫向分量。在實(shí)際應(yīng)用中，一般讓波導(dǎo)中存在一種波型，而且只傳輸一種波型，我們實(shí)驗(yàn)用的TE₁₀波就是矩形波導(dǎo)中常用的一種波型。        1．TE₁₀型波     在一個(gè)均勻、無限長(zhǎng)和無耗的矩形波導(dǎo)中，從電磁場(chǎng)基本方程組⑴和⑵出發(fā)，可以解得沿z方向傳播的TE₁₀型波的各個(gè)場(chǎng)分量為 ，   ，     ，   ，     ，           ⑷ 其中：ω為電磁波的角頻率， ， 是微波頻率； a為波導(dǎo)截面寬邊的長(zhǎng)度； β為微波沿傳輸方向的相位常數(shù)β=2π/λ_g； λ_g為波導(dǎo)波長(zhǎng)， 圖2和式⑷均表明，TE₁₀波具有如下特點(diǎn)： ①存在一個(gè)臨界波長(zhǎng) ＝2α，只有波長(zhǎng)λ<λ_C的電磁波才能在波導(dǎo)管中傳播 ②波導(dǎo)波長(zhǎng)λ_g >自由空間波長(zhǎng)λ。 ③電場(chǎng)只存在橫向分量，電力線從一個(gè)導(dǎo)體壁出發(fā)，終止在另一個(gè)導(dǎo)體壁上，并且始 終平行于波導(dǎo)的窄邊。 ④磁場(chǎng)既有橫向分量，也有縱向分量，磁力線環(huán)繞電力線。 ⑤電磁場(chǎng)在波導(dǎo)的縱方向(z)上形成行波。在z方向上， 和 的分布規(guī)律相同， 也就是說 處 也， 為零處 也為零，場(chǎng)的這種結(jié)構(gòu)是行波的特點(diǎn)。 圖 2  TE₁₀波的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)（a）,（b）,(c) 及波導(dǎo)壁電流分布(d)  2．波導(dǎo)管的工作狀態(tài) 如果波導(dǎo)終端負(fù)載是匹配的，傳播到終端的電磁波的所有能量全部被吸收，這時(shí)波導(dǎo) 中呈現(xiàn)的是行波。當(dāng)波導(dǎo)終端不匹配時(shí)，就有一部分波被反射，波導(dǎo)中的任何不均勻性也會(huì)產(chǎn)生反射，形成所謂混合波。為描述電磁波，引入反射系數(shù)與駐波比的概念，反射系數(shù) 定義為   。 駐波比ρ定義為：           其中： 和 分別為波腹和波節(jié)              圖 3（a）行波,（b）混合波,(c)駐波 點(diǎn)電場(chǎng)E的大小。                              不難看出：對(duì)于行波，ρ=1；對(duì)于駐波，ρ=∞；而當(dāng)1<ρ<∞,是混合波。圖3為 行波、混合波和駐波的振幅分布波示意圖。          常用微波元件及設(shè)備簡(jiǎn)介     1．波導(dǎo)管：本實(shí)驗(yàn)所使用的波導(dǎo)管型號(hào)為BJ—100，其內(nèi)腔尺寸為α＝22.86mm，b＝10．16mm。其主模頻率范圍為8．20～12．50GHz，截止頻率為6．557GHz。     2．隔離器：位于磁場(chǎng)中的某些鐵氧體材料對(duì)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(duì)微波具有單方向傳播的特性(見圖4)。隔離器常用于振蕩器與負(fù)載之間，起隔離和單向傳輸作用。     3．衰減器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管即成(見圖5)，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動(dòng)吸收片可改變衰減量的大小。衰減器起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率以及去耦合的作用。 圖 4 隔離器結(jié)構(gòu)示意圖                 圖5  衰減其結(jié)構(gòu)示意圖   本公司經(jīng)營(yíng)VXI總線微波開關(guān)、信號(hào)源模塊，質(zhì)量保證，歡迎咨詢洽談。