1、 微波傳輸特性的基礎知識 “微波”通常是指波長在的電磁波，對應的頻率范圍為：，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特的性質，主要表現在：1、 描述方法：由于電磁波的波長極短，與使用的元件和設備的尺寸可以相比擬，在低頻段由于能量集中其傳播性質用“路”的概念來描述，使用的元件稱為集中參數元件（電阻、電容、電感等）；而微波的傳播應利用“場”的概念來處理，使用的元件為分布參數元件（波導管、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 、產生方法：微波的周期在與電子管內電子的渡越時間（約為）相近，因此微波的產生和放大不能再使用普通的電子器件，取而代之的是結構和原理完全不同的微電子元件速調管、磁控管、行波管及微波固態器件。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同時具有光波的性質：以光速直線傳播、反射、折射、干涉、衍射等。4、 能量強：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星通訊、衛星廣播電視、宇宙通訊和射天天文學的研究。由于微波的這些特性，使微波在通信、雷達、導航、遙感、天文、氣象、工業、農業、醫療、以及醫學等方面得

3、到廣泛應用。一、 微波元件簡介1. 固態振蕩器（固態信號源）微波振蕩器（信號源）是產生微波信號的裝置，常見的有磁控管振蕩器、速調管振蕩器和固態振蕩器幾種。磁控管振蕩器功率大體積大，常用來提供大功率信號；速調管振蕩器結構簡單、使用方便，但效率低一般只有0.5%2.5%，輸出功率小一般在，因此比較適合實驗室使用。固態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、體效應管振蕩器、雪崩二極管振蕩器等。固態振蕩器振蕩頻率高最高振蕩頻率可達幾百千兆；輸出功率最大可達幾十瓦以上，脈沖功率可達幾千瓦；支流功率轉換為微波功率較高，最高可達50%以上。這里主要介紹實驗室常用的由體效應二極管振蕩器。1963

4、年美國國際商業機器公司發現的，砷化鎵和磷化銦等材料的薄層具有負阻特性，因而無需P-N接即可產生微波振蕩，它的工作原理與通常由P-N節組成的半導體器件不同，它不是利用載流子在PN內運動特性，而是利用載流子在半導體內的體內體內運動特性，是靠砷化鎵材料“體”內的一種物理效應（負阻效應）所以稱為體效二極管或耿氏管（Gun管）。體效應二極管由截止式衰減器以及用來調制微波脈沖幅度的PIN調制器組成。實驗室常用的3cm固態信號源的頻率調節范圍大約8.6一9.6GHz。 體效應振蕩器是微波信號源的核心元件， I (A)它是利用具有負阻特性的半導體材料砷化鎵制成的，由于砷化鎵具有雙能級結構，上、下兩個能級差為0

5、.36Mev；處于不同能級的電子具有不同的有效質量和不同的遷移率，其中上能級有效質量大遷移率小。當下導帶電子的能量增加到0.36Mev時，下導帶的電子就會被激發到上導帶上去，使它在某一區域內呈現負阻特性，即出現起伏安特性曲線 圖（1） U(V)如圖（1）所示：由此可知體效應管內能夠產生一個震蕩電流，使砷化鎵的厚度足夠地小，體效應管可以產生類似脈沖尖峰的振蕩波形，振蕩頻率很高，即產生微波信號。典型的耿氏二極管如圖所示：由銅螺紋（接到直流電源的負極上）、銅底座（外加散熱器）、陶瓷圓環（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，就可以在諧振腔內產生微波振蕩，構成微波負阻振蕩器。耿氏二極管的主要性能參數為：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磁性，又具有較高的電阻率，一般可達，由于其電阻率很高，電磁場能夠滲入內部起作用而損耗很

7、小因此得到廣泛應用。 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，實驗室常用場移式，它是在波導內的適當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。在鐵氧體內加上一個恒定磁場使鐵氧體內的電子產生進動與此同時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動方向分別相同和相反，因此產生不同的磁導率和而且隨恒定磁場的大小而變化，當鐵氧體片的厚度、位置和磁場強度選取適當時，產生非互易性的場效應，既當電磁波在波導管中正向傳播的波為右旋圓極化時鐵氧體呈現磁導率為一負值右旋圓極化場被

8、“排除”鐵氧體外，吸收材料的表面電場為0，幾乎無衰減。當電磁波反向傳播時為左旋圓極化場被“吸入”鐵氧體內，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、旋轉式極化衰減器以及過極限衰減器。實驗室常用吸收式可變衰減器，它是在波導內加裝可移動的衰減片，衰減片是在介質片上涂上電阻性薄膜的介質片（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，從而改變波導管內電磁波的強度，調節信號的強弱。4頻率計（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為諧振

9、腔制成的，又“吸收式”諧振頻率計，它的腔體通過耦合元件耦合到一段直波導上，當它的腔體失諧時，腔體內電磁場極弱，此時不吸收能量，基本不影響波導內電磁波的傳播，相應地接在終端的檢波器的示數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。當它的固有頻率與微波的頻率相同時，就會發生共振吸收，從電磁場中吸收能量，使其能量減少，出現共振吸收峰。讀出此時測微計的示數，從附表中查出對應的頻率，利用波長與頻率的關系可以求出電磁波在自由空間的波長。 波長表（頻率計） 負 載5負載微波傳輸中接入一些元件對電磁波產生特定的影響，可分為匹配負載和電抗元件（或負載）。匹配負

10、載通常做成波導管的形式，內裝吸收片，它的材料是涂有金屬碎沫（例如鉑金）或碳膜的介質片，介質一般選用玻璃、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，。匹配負載的吸收率較大幾乎將進入其中的微波全部吸收，可認為無反射，駐波比=1.06。電抗元件包括膜片、調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管中使電場加強，相當于跨接與雙線的電容器，呈現電容特性性。 2）電感性膜片將其置于波導管中由于膜片電流使膜片周圍磁場集中，相當于跨接與雙線的電感器，呈現電感特性。3）調協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，相當于接入一個LC振蕩回路， 調諧螺釘是矩形

11、波導管中央位置插入螺釘時，該處的電磁場將發生變化：當插入深度較淺（）時使電場增強，呈現容性；時電容和電感相等，形成串聯諧振；當時感抗大于容抗，呈現感抗性。6駐波測量線 測量線又稱駐波測量儀，是用來測量波導中駐波分布規律的儀器，可分為測量 駐波測量線電場和測量磁場兩種。實驗室常用第一種，它由一段沿縱向開有細長槽的直波導與一個可沿槽移動的帶有微波晶體檢波器的探針探頭組成。探針經過槽插入傳輸線內，從中拾取微波功率以測量微波電場強度的幅值沿軸線的分布規律，探針的位置可由測量線上附的標尺或測微計讀出。7、晶體檢波器晶體檢波器的核心元件是采用半導體點接觸的二極管（又稱為微波二極管），其結構如圖所示：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管中安上微波二極管，如圖所示，將微波二極管插入波導管的寬邊中心，以便檢測波導管兩寬邊間的感應電壓，為了得到較大的檢波信號，通常在通過調節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 檢波器結構示意圖 7調配器調配器是用來調節波導系統使其達到匹配狀態的裝置，可分為單螺調配器、三螺調配器和雙T接頭調配器等幾種。單螺調配器實質上是一段帶有螺釘的矩形波導，螺釘的作用相當于并聯在波導截處的短路支線，改變螺釘的深度及在波導管中的位置，就可將它調節到任意所需的阻抗：當插入深度時，它呈現一個等效并聯電感，當插入深度時它呈

13、現一個等效并聯電容，的值大約等于時會發生串聯型諧振，此時波導處于短路狀態，實際應用中螺釘的插入深度不超過諧振深度。若在波導中插入三個螺釘則構成三螺調配器，這兩種調配器僅適用于功率不大的情況。 單螺調配器 雙T頭調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、環行器。二、電磁波在波導管中的傳播特性 1、波導管中的電磁波波模 電磁波在自由空間傳播時為橫電磁波，在電磁波的微波段，為了避免導線的輻射損耗和趨附效應的影響，一般采用波導管作為傳輸線，電磁波在波導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行。矩形波導管是較常用的傳輸線，電磁波

14、在波導管中的場結構可以電磁場理論推得。設寬邊為a、窄邊為b的無限長波導管，電磁波以圓頻率自波導開口端沿z.由 Maxwll equstoins 可得時諧波在自由空間傳播時可寫為： 利用矢量分析可將上述方程變為： 利用分離變量法并并將矩形波導管的邊界條件 時 ， 時 ， 代入可得：根據磁感應強度與電場強度之間的關系 可求出利用Maxwll equstoins可知若 則與電場強度均為0，因此波導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mn時的波才能在波導管中傳播，可見對應不同的， 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、矩形波導管中TE波結構特點由上式可得，當時若 ， 時有最低截止頻率：既TE波的頻率最低，稱為主波，此時波長最長。因此在真空中波導管中能夠傳播的最大波長為： 如果選擇適當的尺寸波導管中只能通過TE波其電磁場量為： 由此可以得到在不同截面上的場結構：在平面內只有分量且與無關，磁場則存在著和分量，其強度分布和場線分布如圖所示：TE波在平面內的場結構同理可得平面內電場和磁場分量和分量與無關，即沿軸方向均勻分布，而沿軸方向為周期性變化，但橫向場（，）與縱向場存在位相，其結構分布如下圖 。 TE波在平面內的場結構 在平面內，電場線與該平面垂直，而磁場既有又有分量，合成的磁感應線如同橢圓形，

16、結構分布如下圖： TE波在平面內的場結構 綜上所述可以得到TE波整體場結構分布，如下圖所示：TE波的場結構透視圖 TE波管壁電流分布3、面電流（管壁電流）分布利用邊界關系 可知波導管的管壁電流只是橫過窄邊，波導管的寬邊上中線電場橫向電流為0，沒有管壁電流，因此在波導管窄邊上的任何裂縫都會影響波導管中電磁場分布，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 可知電磁波在波導管中傳播的波矢量為： 將 和 代入得： 電磁波在波導管中傳播的波長即波導波長為：實驗十七 微波傳輸特性的測量實驗目的1 學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驗原理1、微波的傳輸特性電磁波在波導管中傳播時，由于反射它的內部同時存在著入射波和反射波，依據終端負載的不同波導管內的電磁波呈現三種狀態： (1)行波：當終端接“匹配負載”時，反射波不存在，微波呈現行波狀態。 (2)純駐波：當終端接“短路板”、開路或接純阻抗元件時，終端發生全反射，微波呈現純駐波狀態。 (3)混合波：一般情況下，終端發生部分反射，波導管中傳播的既不是行波也不是駐波，而是兩者的混合波。實驗中在終端接不同負載，通過測量駐波比和反射系數來描述終端的反射情況，從而確定波導管中微波呈現的狀態2基本參量1)截止波長：一定形狀的波導管，不能通過所

18、有波長的電磁波，當波導管的尺寸確定后就決定了波導管中通過電磁波（微波）的最大波長，稱為截止波長，它表征微波在波導中傳播的條件。對于TE波截止波長為： 其中示矩形波導寬邊的長度，實驗室用矩形波導管2)波導波長：自由空間的電磁波為橫電磁波（TEM），在真空中傳播時滿足：其中c表示電磁波在真空中傳播的速度，稱為自由波長。當電磁波進入波導管時兩列電磁波疊加，電磁波的波形就會發生改變，因此波長也會發生改變。我們把電磁波（微波）在波導管中傳播時的波長稱為波導波長，用表示，理論上可以證明波導波長滿足： （1）3)駐波比：是描述波導反射程度的量，也是衡量波導元件質量的重要參量。當波導中存在反射時，電磁波以駐波

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

20、管處于匹配狀態時的阻抗，是描述波導管特性的參量，用Z來表示。負載阻抗則是指波導管終端的阻抗用Z來表示，兩者之間滿足： （5）實驗裝置 微波傳輸系統包括：固態信號源、隔離器、可變衰減器、波長表、選頻放大器、測量線、 功率計、檢波器、調配器等。 測量內容1測量體效應管的伏安特性曲線：1） 接通電源預熱。2） 將微波信號源選折方式置“教學”狀態，改變加在體效應管兩端的電壓U，測出流過它的電流I。3） 分別以U、I為橫坐標和縱坐標作出 檢波器示數4） 體效應管的伏安特性曲線。2、微波頻率測量 微波的頻率是描述微波信號的一個很重要的物理量，可利用數字式頻率計和吸收式頻率計來測量，用吸收式頻率計測量 頻率

21、的原理是：調節頻率計使頻率計空腔 波長表的諧振點曲線 頻率計刻度 的固有頻率與微波頻率相同時就會發生共振吸收，此時微波信號最小檢，波器示數的變化如圖所示。具體測量方法為：1） 按下列方框圖連接測量系統，將2） 波導開關扳向調配器一側。功率計檢波指示器選 頻放大器微波信號源功率頭隔離器檢波器波導開關可變衰減器隔離器調配器測量線波長表圖七 2）信號源選擇方式置“方波”，調節功率旋紐使檢波指示器指到一半以上，頻率示數適中（例如可取9.370）3）調節波長表的調節旋鈕，直到檢波指示器的示數出現極小值，記下此時波長表的示數。4）查表讀出頻率值；重復測量。4 測波導管的終端接不同負載時對波導中微波傳輸的影響微波信號源 選頻放大器測量線波長表隔離器可變衰減器 微波測量系統方框圖（二）上述方框圖組裝傳輸系統，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載 （3）終端接一般負載 （4）終端接匹配負載要求：（1） 移動測量線上探針的位置，觀察選頻放大器示數的變化情況，說明所觀察到的現象產生的原因。（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