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48第二章微波测量技术实验微波（microwave）是一种波长较短的电磁波，频率范围约为300MHz~300GHz，对应波长范围约为1m~1mm。微波波段还可细分为分米波（波长为1m至10cm），厘米波（波长10cm至1cm）和毫米波（波长为1cm至1mm）。波长在1毫米以下至红外线之间的电磁波称为亚毫米波或超微波，这是一个正在开发的THz波段。微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，不仅在雷达、通讯、导航、电子对抗、空间技术、工农业生产的各个方面有着广泛的应用，而且在高能粒子加速器、受控热核反应、射电天文、气象观测、分子生物学、等离子体、遥感技术等当代尖端科学研究中也是一种重要手段。微波测量技术（microwavemeasurementtechnique）作为微波技术的实验部分，在科学研究和工程实际中具有重要作用。例如：微波加速器可研究原子和分子结构，微波衍射仪可用来研究晶体结构，微波波谱仪可测定物质的许多基本物理量，微波谐振腔可用来测量物质的常数和介电损耗，等等。因此，微波测量技术已成为重要的近代物理实验技术。微波测量技术实验的基本目的包含“学微波”和“用微波”两个方面：（1）学习微波基础知识和掌握微波基本测量技术；（2）学习用微波作为观测手段或处理方法来研究物理现象的基本原理和实验方法。通过一系列实验，了解微波信号（microwavesignal）的产生特点、工作状态及传输特性，了解常用微波器件（microwavedevices）的基本性能和使用方法；掌握微波传输与测量系统的基本组成和调试技术，掌握频率、功率及驻波比等基本参量的测量技术，掌握微波传输系统的阻抗测量和匹配技术；学会微波网络特性参数测量的基本方法和技术，学会微波天线基本特性参数的测量方法和技术，学会介质材料电磁特性参数的微波测量方法和技术。本章共包括5个实验项目，分别为微波测量系统调试与频率测量、微波晶体检波律测定与驻波比测量、二端口微波网络散射参量测量、微波天线方向图与极化特性测量、复介电常数的微波测量，各实验项目的实验内容都设计了基础性实验内容和设计性实验内容，后者的设计主要结合了石油或能源应用特色。49实验2-1微波测量系统调试与频率测量在微波波段因工作频率的升高使普通导线的趋肤效应和辐射效应增大，传输微波能量必须改用微波传输线，因此微波测量系统的原理和结构与普通电路测量系统的均不同。微波测量系统的调整是实现微波测量的基础，主要包括信号源、测量线和阻抗匹配等方面的调整，目的是使测量系统达到最佳工作状态。本实验在理解微波传播特性的基础上，重点学习微波测量系统的基本组成和常用微波器件，掌握微波测量系统的调整方法和技术。【预习要求】1．矩形波导中传播的微波有哪些特点？2．微波测量系统主要由哪几部分组成？各部分有什么作用？3．测量微波频率有哪些基本方法？各怎样观测？4．仔细阅读使用说明书，学会微波信号源、各微波器件和选频放大器的基本使用方法，了解使用注意事项。【实验原理】一．波导中微波的传输特性1．导行电磁波的基本概念由导波系统所引导、沿一定方向传播的电磁波称为导行波。电场E和磁场H是空间坐标x、y、z三个方向函数的导行波，若z方向为传播方向即纵向，则x、y方向为横向。传播的导行波一般可有横电磁波、横电波和横磁波三种类型的波型。（1）横电磁波（TEM波，transverseelectromagneticwave，TEMwave）TEM波的电场E和磁场H均无纵向分量，即0zE，0zH。电场E和磁场H，都是纯横向的。TEM波沿传播方向的分量为零，无法在波导中传播。（2）横电波（TE波，transverseelectricwave，TEwave）TE波也称为磁波（H波），其特征是0zE，而0zH；即电场E是纯横向的，而磁场H则具有纵向分量。（3）横磁波（TM波，transversemagneticwave，TMwave）TM波也称为电波（E波），其特征是0zH，而0zE；即磁场H是纯横向的，而电场E则具有纵向分量。TE波和TM波均为色散波（dispersivewave），TEmn波和TMmn波均能在矩形波导中传输，m代表电场或磁场在x方向半周变化的次数，n代表电场或磁场在y方向半周变化的次数。2．无限长波导中微波的传输特性为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响，需采用微波传输线传播微波。常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等。引导微波传播的空心金属管称为波导管，简称波导。在这一实验中采用的是矩形波导（rectangularwaveguide）。电磁波在波导内有限空间的传播与在自由空间中的传播不同。在波导内不能传播TEM波，波导内所传播的电磁波必定存在着电磁场的传播方向分量。波导中波型的场结构是分析和研究波导中各种问题及设计波导器件的基础。在实际应用中，一般把波导设计成只能传输单一波型。最常使用的标准矩形波导中，只能传播TE10波即H10波（m=1，n=0）。下面以TE10波为例，具体分析这种波型的电磁场结构。如图2-1-1所示，设矩形波导横截面为a×b，波导壁为理想导体，则由麦克斯韦方程组和边界50条件可推导出矩形波导内沿z方向传播的TE10波的各场分量为图2-1-1矩形波导示意图()0()0()0sin()0sin()cos()0jtzyxzjtzxjtzzyxEEeaEExHEeaxHjEeaaH（2-1-1）式中为输入管内电磁波的角频率，/，、分别为管内介质（一般为空气）的磁导率和介电常数，为相位常数，2/g，g为波导波长（waveguidewavelength）。221()1()gcggc（2-1-2）式中2ca，称为波导截止波长；为自由空间波长。（1）截止波长（cut-offwavelength）存在截止波长2ca，只有波长c的电磁波才能在矩形波导中传播。（2）波导波长、相速和群速波导波长g，由于光速cf，相速度ggvf，因此波在波导中传播的相速度大于光速。这里的相速度只是位相变化的速度，并不是波导中电磁波能量的传播速度（群速度u）。gv、u和c的关系为2gvuc（2-1-3）从式（2-1-3）中可看出，群速度u小于光速c。（3）电磁场结构TE10波的电磁场结构即电磁场振幅随x、y的分布如图2-1-2所示。TE10波中电场E只有yE分量，垂直于波导宽壁；磁场H只有xH及zH分量，在平行于波导宽壁的平面内。沿z方向上，yE和xH的分布、变化规律相同，yE最大处xH也最大，yE为零处xH也为零。在xy截面上，沿x方向yE51和xH皆呈正弦分布，在0x和xa处为零，在/2xa处为最大；zH呈余弦分布，在0x和xa处最大，在/2xa处为零。可见，电磁场在波导宽边上形成一驻波半波。而沿y方向yE、zH和xH均无变化，表示电磁场沿y方向是均匀分布的。符号TE10的第一个脚标1表示电磁场在宽边上（x方向）有一个半波的变化，而第二个脚标0表示在窄边上（y方向）均匀分布。因此，TE10波场的特点可归结为：只存在yE、zH和xH三个分量；yE和xH均按正弦规律分布，zH按余弦规律分布。因而yE和xH同相，并与zH反相。（a）TE10波电场结构图（b）TE10波磁场结构图（c）TE10波电磁场结构总图图2-1-2TE10波的电磁场结构在图2-1-2所示的矩形波导内TE10波电磁场分布中，电场线和磁场线的分布将随着时间的顺延以一定速度沿z方向在波导中向前移动。（4）TE10波的物理图像图2-1-3电磁波在波导中的传播如图2-1-3所示，矩形波导中TE10波的物理图像为：一个以入射角φ射向波导窄壁的平面电磁52波，经过窄壁的往复反射后，由入射波和反射波叠加而成TE10波。因此，沿波导轴向传播的相速度gv自然要比斜入射的平面波传播速度c大。3．有限长波导中微波的传输特性上面讨论的在均匀、无限长的波导中TE10波只有沿z轴传输的波，没有反射波。如果波导不是均匀和无限长的，则在波导中存在入射波（incidentwave）和反射波（reflectedwave），二者互相干涉使波导中电磁场形成驻波（standingwave）。在电场驻波的腹点和节点上所出现的电场极大值和极小值应该分别等于入射波电场iE和反射波电场rE的模数之和与差，即maxmin||||||||irirEEEEEE（2-1-4）反射系数（reflectioncoefficient）与驻波比（standing-waveradio，SWR）是描述波导中匹配和反射程度的物理量，也是描述驻波性质的物理量。反射系数定义为||jriEeE（2-1-5）式中为iE和rE的相位差。驻波比S定义为maxmin||||ESE（2-1-6）与S的关系为1||1||1||1SSS（2-1-7）由于终端情况不同，波导中电磁场的分布也不同，可以把波导的工作状态归结为三种：行波状态、驻波状态和混波状态，2-1-4所示。（1）行波状态。当微波功率全部为终端负载所吸收时（这种负载称为匹配负载），波导中不存在反射波，即只有行波，这种状态也称为匹配状态。在匹配状态，不存在反射波，则有电场||||yiEE，||0，1S。（2）驻波状态。当波导终端接短路片、开路或接纯电抗性负载时（这种反射面称为理想反射面），形成终端全反射，这时波导中形成纯驻波。在纯驻波状态，终端发生全反射，电场||||riEE，则有max||2||iEE，min||0E，||1，S。（3）混波状态。在一般情况下，负载吸收部分入射波，产生部分反射波，于是有0||1，1S。波导中传输的既不是行波，也不是纯驻波，而是一个行波和一个驻波的叠加，呈行驻波状态，这种状态也称为混波状态。在混波状态，终端发生部分反射，则有电场||||riEE，max||||2||iriEEEE，min||||0irEEE。53二．微波测量系统微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成。微波等效电源部分即微波发送器，包括微波信号源、工作状态（频率、功率等）监视单元、隔离器等。测量装置部分也称测量电路，包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等）以及电磁能量检测（a）行波状态（b）驻波状态（c）混波状态图2-1-4波导中电场随距终端距离l变化的分布曲线54器（如晶体检波器、功率传感器等）。测量指示仪器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等。在对信号频率和功率稳定度要求不太高的情况下，常用微波测量系统一般可简化为如图2-1-5所示的几部分组成。1．波导（waveguide）波导是常用的微波传输线之一，常见的空心金属管波导有矩形和圆柱形两种。实验中常使用3厘米矩形波导，基本参数为a=22.86mm、b=10.16mm。在波导中能够传播的电磁波可归纳成两大类。一类为横电波（磁波），简称为TE波（H波），磁场可有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量；另一类为横磁波（电波），简称为TM波（E波），磁场只有横向分量，但电场可有纵向和横向的分量。图2-1-5常用微波测量系统的组成2．谐振腔（resonantcavity）在频率高达微波频段时，集中参数的电感与电容已失去了意义，就不能再用普通的RLC谐振电路，而要采用由金属导体围成的、封闭的、有一定几何形状的空间作为微波的谐振回路，称为微波谐振腔。金属波导谐振腔就是两端用金属板封闭的一段波导空腔，金属板上开耦合孔。常用的金属谐振腔有矩形谐振腔和圆柱形谐振腔。谐振腔与波导的耦合是在腔与波导公共壁上开小孔（耦合孔）作为耦合元件。谐振腔的内部波型与矩形波导的相似，也存在TE波和TM波（H波和E波）两种，由于z方向被短接，多了两个短路片，故在此方向上也形