1、2006屆本科畢業(yè)論文,微波多媒體課件制作,主要內(nèi)容,微波基本知識 微波基本元件簡介 反射式速調(diào)管的特性和波導(dǎo)管的工作特性 鐵磁共振,微波的特點(diǎn),第一.微波波長很短。具有直線傳播的性質(zhì)，能在微波波段制成方 向性極強(qiáng)的無線系統(tǒng)，也可以接收到地面和宇宙空間各種物體發(fā)射回 來的微弱回波，從而確定物體的方向和距離。這使微波技術(shù)廣泛的應(yīng) 用于雷達(dá)中。 第二.微波的頻率很高 ，電磁振蕩周期很短。比電子管中電子在電 極經(jīng)歷的時(shí)間還要小。普通電子管不能用作微波振蕩器、放大器和檢 波器，而必須用原理上完全不同的微波電子管來代替。 第三.許多原子和分子發(fā)射和吸收的電磁波的波長正好處在微波波 內(nèi)。用這特點(diǎn)研究分子和

2、原子的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了微波波譜學(xué)和量子無線 電物理學(xué)等尖端學(xué)科, 還研制了低噪音的量子放大器和極為準(zhǔn)確的分子 鐘與原子鐘。 第四.微波可以暢通無阻的穿過地球上空的電離層。微波波段 為 宇宙通訊、導(dǎo)航、定位及射電天文學(xué)的研究和發(fā)展提供了廣闊的前景。,基本知識,微波傳輸線,一.波導(dǎo)管:引導(dǎo)電磁波傳播的空心金屬管.在波導(dǎo)管中不可能傳播橫的電磁波。 二.矩形波導(dǎo)管中的TE10波 1在無耗，均勻和無限長的矩形波導(dǎo)管中，TE10波的電磁場分量為： 位相常數(shù) (2); 波導(dǎo)波長 (3) 臨界波長 (4); 自由空間波長 (5),（1）,基本知識,反射系數(shù) 定義：波導(dǎo)出某橫截面出的電場反射波與入射波的復(fù)數(shù)比稱為反

3、射系數(shù)。 即： 駐波比 定義：波導(dǎo)中駐波電場最大值與駐波最小值之比稱為駐波比。 即：,諧振腔,用途 1.作為儲(chǔ)存微電磁能量和具有諧振特性的振蕩回路。例如微波測量系 統(tǒng)中常用的空腔波長計(jì)和反射式速調(diào)管中的諧振腔等。 2.提供一個(gè)電場或磁場集中的區(qū)域，以便電 磁場和物質(zhì)相互作用。例 如在鐵磁共振實(shí)驗(yàn)中的矩形諧振腔等。 矩形諧振腔 諧振條件： 諧振頻率：,基本知識,品質(zhì)因數(shù)Q 定義為: 如果腔內(nèi)的介質(zhì)損耗可以忽略,則 ,此時(shí)腔的有載品 質(zhì)因數(shù) 為: (1) 取倒數(shù) (2),定義: (3) (4) (5) 則(2)變?yōu)?(6) 定義: (7),由（6），（7）得 （8） 諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)可以用下式

4、作近似估計(jì)： （9） 為腔壁的趨膚深度. 諧振腔的諧振特性也可用諧振曲線來表示，諧振腔的Q值越高，諧 振曲線越窄，頻率選擇性好。 可以證明諧振腔的品質(zhì)因數(shù)等于諧振曲線的中心頻率與半功率點(diǎn)的 頻率寬度比，即 (10),微波信號源,一.反射式速調(diào)管振蕩器 結(jié)構(gòu) (1)反射式速調(diào)管 反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)原理如圖。 1.陰極用來發(fā)射電子; 2.諧振腔相對于陰極處在正電位,利用耦 合環(huán)和同軸線輸出微波功率; 3.反射極相對于陰極處在負(fù)電位。,基本知識,(2)穩(wěn)壓電源 由于反射式速調(diào)管各個(gè)電極的工作電壓要求不同的數(shù)值和極性,對 電源穩(wěn)壓度的要求也很高.為了滿足陽極和反射極的不同要求,線路必須 設(shè)計(jì)成兩個(gè)單獨(dú)

5、的整流電源來分別供給。整個(gè)速調(diào)管電源包括提供陽 極電壓,反射極電壓和燈絲電壓等部分。 (3)高頻結(jié)構(gòu) 速調(diào)管插座是微波測試設(shè)備中的微波型號源，在波導(dǎo)管上安裝有反 射式速調(diào)管的管座，速調(diào)管的輸出同軸探針通過波導(dǎo)管寬壁上小孔插 入示波管內(nèi)，輸出微波功率。速調(diào)管與波導(dǎo)管的耦合程度可以借助于 適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)使速調(diào)管作上下移動(dòng)，以改變同軸針伸入波導(dǎo)管的深度。 調(diào)節(jié)裝在波導(dǎo)一端的短路活塞，可以使波導(dǎo)管中有最大的輸出功率波 導(dǎo)的另一端接有隔離器和可變衰減器，然后再和測量線路連接。,工作原理 陰極發(fā)射的電子被諧振腔的正電子加速，直流電源的能量轉(zhuǎn) 變成真空中運(yùn)動(dòng)電子的能量，電子在加速電場的作用下飛入了諧 振腔，在腔

6、中激起感應(yīng)電流脈沖，使諧振腔中產(chǎn)生了振蕩，因而 在兩個(gè)柵網(wǎng)間產(chǎn)生了一個(gè)微弱的微波電場。穿過柵網(wǎng)的電子受到 微波電場的作用，電子受到速度調(diào)制。 在正半周內(nèi)電子受到微波 電場的加速，微波電場把能量傳給電子；在負(fù)半周內(nèi)電子受到微 波電場的減速，微波從電子取得能量。因?yàn)殡娮邮蔷鶆蜻B續(xù)的從 陰極出發(fā)，所以在正半周內(nèi)電子取得的能量等于負(fù)半周內(nèi)電子失 去的能量?？偟膩碚f，微波電場凈得能量為零，微波振蕩不能持 續(xù).,.工作特性 1反射式速調(diào)管并不是在任意的反射極電壓數(shù)值都能生振蕩只有在某些特定的反射極電壓值才能振蕩。個(gè)有振蕩輸出功率的區(qū)域，叫做速調(diào)管的振蕩模。 2對每一個(gè)振蕩模，當(dāng)反射極電壓變化時(shí)，速調(diào)管的輸

7、出功率 和振蕩模頻率f都隨之變化；在振蕩模中心的反射極電壓上， 輸出功率 最大，而且輸出功率和振蕩頻率隨反射極電壓的變 化也比較緩慢。 3輸出功率最大的振蕩模，叫做最佳振蕩模，為了使速調(diào)管具 有最大的輸出功率和穩(wěn)定的工作頻率，通常使速調(diào)管工作在 最佳振蕩模的中心反射極電壓上。 4各個(gè)振蕩模的中心頻率相同，通常稱為速調(diào)管的工作頻率 。,二.微波信號源的使用 正確使用步驟： (1)首先加上燈絲電壓(6.3伏)，預(yù)熱足夠時(shí)間（約5-10分鐘）后，才 允許加其它電壓注意反射極電壓相對于陰極不能為零或正值。諧振腔電 壓調(diào)節(jié)到規(guī)定值； (2) 然后調(diào)節(jié)反射極電壓使速調(diào)管發(fā)生振蕩，并使速調(diào)管工作在所需 的頻

8、率，則可慢慢地進(jìn)行機(jī)械調(diào)諧，并調(diào)整反射極電壓，直到速調(diào)管處 在最佳的連續(xù)工作狀態(tài)。 如果需要對速調(diào)管進(jìn)行調(diào)制，則在“連續(xù)狀態(tài)”的基礎(chǔ)上，加上所需 調(diào)制方式“方波”或“鋸齒波”，這就是“方波調(diào)幅狀態(tài)”或“鋸齒波壓頻態(tài)”。 速調(diào)管的機(jī)械調(diào)諧旋鈕在調(diào)節(jié)到一定頻后，不要隨意旋動(dòng)。頻率重 調(diào)后約需15分鐘才能穩(wěn)定。 在使用波長計(jì)測量速調(diào)管的工作頻率后，必須將其旋轉(zhuǎn)12圈，使其 失諧。,微波測量,一.駐波測量 原理:探針在開槽傳輸線中移動(dòng)，將一小部分功率耦合出來，經(jīng)過晶 體二極管檢波后由指示器指示，從而看出開槽線中電場的分 布情況. (1)小駐波比的測量: 駐波波腹和波節(jié)都不尖銳，要多測幾個(gè)波腹和波節(jié)，按

9、下式計(jì)算 平 均值： (1) 當(dāng)檢波晶體滿足平方律時(shí)， (2),基本知識,（2）中駐波比的測量： 此時(shí)只需測一個(gè)駐波波腹和一個(gè)駐波波節(jié)，按下式計(jì)算： (3) 平方律時(shí) (4) （3）大駐波比的測量： 波腹振幅與波節(jié)振幅的差別很大測量線不能同時(shí)測量波節(jié)，因 此必須采用別的測量方法-二倍極小功率法。 使用平方律的檢波晶體管，利用探針測量極小點(diǎn)兩旁功率為極小 點(diǎn) 功率 二倍的兩點(diǎn)的距離W，以及波導(dǎo)波長 ，按下式計(jì)算駐 波比：,（4）波節(jié)位置和波導(dǎo)波長的測量 如果極小點(diǎn)不太容易找出時(shí)，可在它 附近測兩點(diǎn)的距離坐標(biāo)，此二點(diǎn)在指示 器上的指示相等，然后取這兩點(diǎn)坐標(biāo)的 平均值. 即 (6) 波導(dǎo)波長由兩個(gè)鄰

10、近極小點(diǎn)的距離決定：,二.功率的測量 微波功率測量方法：(1)相對功率測量；(2) 絕對功率測量。 在小功率情況下，當(dāng)檢波電流不超過510微安時(shí)，檢波晶體管 可定為平方律檢波，即檢流計(jì)測得的檢波電流與微波功率P成正比。 (8) （ 是常數(shù)） 如果微波元件的輸入端功率為 ，輸出端功率為 ，則定義： 衰減量 （分貝） (9) 當(dāng)測量的微波輸入功率變化時(shí)，可調(diào)節(jié)精密衰減器的衰減量使 檢波晶體管的檢波電流始終保持一個(gè)衡定值，則由精密衰減器的衰 減量的大小便可精確的知道輸入功率的相對值。,（如圖所示）給出進(jìn)行相對功率測量的線路，用它來測量微波器件的插 入損耗A。如果檢波晶體是平方律檢波，則它的檢波電流即

11、表示相對功 率。在微波器件未插入前，調(diào)節(jié)測量線路使系統(tǒng)的駐波比 ，改 變衰減器的衰減量，使晶體管的檢波電流為（例如 =100），則微波 器件的插入損耗為： (10),三.頻率測量 微波頻率的測量方法：1.諧振法;2.頻率比較法. 諧振波長計(jì)與微波系統(tǒng)連接:1.傳輸型（最大讀數(shù)法）圖; 2.吸收型（最小讀數(shù)法）圖。,圖,圖A,常用的微波元件簡介,隔離器 駐波測量線 選頻放大器 可調(diào)矩形反射腔 微波源 反射式諧振腔,衰減器 晶體檢波器 磁共振實(shí)驗(yàn)儀 傳輸式諧振腔 匹配負(fù)載 特斯拉計(jì),隔離器,位于磁場中的某些鐵氧體材料對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),可使其對微波具有單方向傳播的

12、特性。它的作用相當(dāng)于普通電路中二極管,基本元件,衰減器,把一片能吸收微波能量的介質(zhì)片垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管即成，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，使輸入電磁波得到不同程度的衰減,基本元件,晶體檢波器,檢波晶體將微波信號轉(zhuǎn)換成直流信號來檢測。從波導(dǎo)寬壁中點(diǎn)耦合出兩寬壁間的感應(yīng)電壓，經(jīng)微波二極管進(jìn)行檢波，調(diào)節(jié)其短路活塞位置，可使檢波管處于微波的波腹點(diǎn)，以獲得最高的檢波效率。通常還配有三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲，用來改變檢波器同波導(dǎo)的匹配。,基本元件,駐波測量線,測量微波傳輸系統(tǒng)中電場的強(qiáng)弱布的精密儀器。在波導(dǎo)中的寬邊中央開有一個(gè)狹槽，金屬探針經(jīng)狹槽伸入波導(dǎo)中。由于探針與電

13、場平行，電場的變化在探針上感應(yīng)出的電動(dòng)勢經(jīng)過晶體檢波器變成電流信號輸出。探針可沿波導(dǎo)移動(dòng)，則輸出信號顯示出波導(dǎo)中電場沿傳播方向的變化。,基本元件,選頻放大器,XF-1C選頻放大器為實(shí)驗(yàn)室用測量儀器，本儀器用于測量微弱低頻信號，配合微波測量線測量駐波系數(shù)，配合微波檢波器進(jìn)行衰減測量等。信號經(jīng)升壓、放大，選出1KHz附近的信號，經(jīng)整流平滑后由輸出級輸出直流電平，由對數(shù)放大器展寬供給指示電路檢測。,基本元件,可調(diào)矩形反射腔,樣品腔采用可調(diào)矩形反射腔。與反射式諧振腔不同的是，可調(diào)矩形反射腔的末端是可移動(dòng)的活塞，調(diào)節(jié)其位置，可以改變諧振腔的長度，腔長可以從帶游標(biāo)的刻度連桿讀出。為了保證樣品處于微波磁場最

14、強(qiáng)處，在諧振腔寬邊正中央開了一條窄槽，通過機(jī)械傳動(dòng)裝置可以使樣品處于諧振腔中的任何位置。樣品在諧振腔中的位置可以從窄邊上的刻度直接讀出。諧振腔發(fā)生諧振時(shí)，腔長必須是半個(gè)波導(dǎo)波長的整數(shù)倍。,基本元件,磁共振實(shí)驗(yàn)儀,在電子自旋共振和鐵磁共振實(shí)驗(yàn)中為樣品提供可變的穩(wěn)恒磁場及掃描磁場。,基本元件,傳輸式諧振腔,傳輸式諧振腔是一個(gè)封閉的金屬導(dǎo)體空腔，由一段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管，在其兩端加上帶有耦合孔的金屬板，就可構(gòu)成一個(gè)傳輸式諧振腔。,基本元件,匹配負(fù)載,波導(dǎo)中裝有很好地吸收微波能量的介質(zhì)片或吸收材料，它幾乎能全部吸收入射功率。,基本元件,微波源,DH1121A型三厘米固態(tài)信號源由體效應(yīng)管 振蕩器、可變衰減器

15、、PIN調(diào)制器、隔離器、調(diào)制電路及電源組成，它提供所需微波信號，頻率范圍在8.6-9.6GHz。,基本元件,反射式諧振腔,采用反射式矩形諧振腔來測量微波介質(zhì)特性。反射式諧振腔是把一段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管的一端加上帶有耦合孔的金屬板，另一端加上封閉的金屬板,基本元件,特斯拉計(jì),特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）是用于測量磁場強(qiáng)度的一種儀器。本機(jī)所用探頭為砷化鎵霍爾器件，其感磁面積為0.15x0.15mm2，因此有很高的空間磁場分辨率，可以測量電磁體的空間磁場分布，可測出磁場細(xì)微分布。,基本元件,反射式速調(diào)管的特性和波導(dǎo)管的工作特性,一.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 .實(shí)驗(yàn)任務(wù)： 利用圖所示的實(shí)驗(yàn)線路進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)： (1).觀察速調(diào)

16、管的各個(gè)振蕩模； (2).測量最佳振蕩模的曲線和曲線； (3).測量小駐波比和中駐波比； (4).測量波導(dǎo)波長; (5). 測量駐波曲線的晶體檢波律, 實(shí)驗(yàn)步驟 按正確步驟開啟電源，使速調(diào)管處于最佳工作狀態(tài)。調(diào)節(jié)短路活塞， 匹配螺釘和雙T調(diào)配器使晶體檢波器接頭的輸出為最大。 改變反射極電壓，觀察速調(diào)管的各個(gè)振蕩模。（描繪草圖，注明各個(gè) 振蕩模的始點(diǎn)，峰值和終點(diǎn)對應(yīng)的反射極電壓值。） 逐點(diǎn)測量速調(diào)管最佳振蕩模的功率和反射極電壓的關(guān)系曲線、以及頻 率和反射極電壓的關(guān)系曲線。（利用晶體檢波接頭測量相對功率，用 頻率計(jì)測量頻率）。 把反射極電壓調(diào)到最佳振蕩模峰值對應(yīng)的值上，并固定下來，以便在 工作頻率

17、情況下進(jìn)行波導(dǎo)管工作狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)。 調(diào)整好駐波測量線。 利用雙T調(diào)配器改變測量線終端的狀態(tài)，測量中駐波比和小駐波比。 在駐波測量線終端接上短路活塞，觀察駐波圖形，并用均值法測波節(jié) 位置，利用兩個(gè)相鄰波節(jié)的位置距離決定波導(dǎo)波長。 測量兩個(gè)相鄰波節(jié)之間的駐波曲線（選做）,二. 數(shù)據(jù)處理 (1)繪出幾個(gè)振蕩模的草圖； (2)繪出最佳振蕩模的曲線和曲線； (3)計(jì)算最佳振蕩模中心頻率對應(yīng)的工作波長； (4)計(jì)算最佳振蕩模的電子調(diào)諧范圍和平均電子調(diào)諧率； (5)利用頻率計(jì)測得的自由空間波長，代入下式： (6)畫出駐波曲線I(L) ，并作檢波晶體管I/E/ 的曲線，求出檢波律 n （選做）。,鐵磁共振,一

18、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?(1).了解并觀察鐵磁共振現(xiàn)象； (2). 測量YIG單晶鐵氧體材料的旋磁化和共振線寬。 二 實(shí)驗(yàn)原理： 磁性物質(zhì)的磁性： 物質(zhì)的磁性來源于原子的磁矩。在鐵磁性物質(zhì)中，原子磁矩來源于未滿殼 層中未配對電子的自旋磁矩，這可由實(shí)驗(yàn)測得 g=2 的事實(shí)來證實(shí)。鐵磁性物 質(zhì)中電子是束縛電子，自旋之間存在靜電交換作用，在內(nèi)部形成許多磁矩取 向一致的微小自發(fā)磁化區(qū)磁疇。通常情況下每個(gè)磁疇無規(guī)則的排列著，整 體效果對外不顯磁性。當(dāng)外磁場作用時(shí)，各磁疇逐漸趨向外磁場方向，對外 表現(xiàn)出磁性。在足夠強(qiáng)的外恒磁場作用下，即可達(dá)到飽和磁化。引用磁化矢 量表示鐵磁性材料樣品中全體電子自旋磁矩的集體行為，簡稱

19、系統(tǒng) 。,外磁場對鐵磁性物質(zhì)的作用 (1)量子力學(xué)觀點(diǎn) 根據(jù)量子力學(xué)理論，系統(tǒng) 在外磁場 中分裂為若干Zeeman 能級，這時(shí)再加交變電磁場的作用，若其能量 等于系統(tǒng)的相鄰 Zeeman能級間的能量差時(shí)，則系統(tǒng) 發(fā)生吸收躍遷，即鐵磁共振吸 收。 （1） 例如:當(dāng)直流恒磁場頻率約為3000Oe時(shí)，交變磁場頻率 兆赫，即在微波段中觀察到鐵磁共振吸收現(xiàn)象。,(2).經(jīng)典力學(xué)觀點(diǎn) 鐵磁性物質(zhì)在直流磁場 及微波場 的同時(shí)作用下，系統(tǒng) 的經(jīng) 典力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程為： (2) 和 成正比，即： （3） 比例常數(shù)r為旋磁比，它與電子的運(yùn)動(dòng)特性無關(guān)，只依賴于電子的荷 質(zhì)比， 即 (4),電子帶負(fù)電荷，故磁矩和自旋動(dòng)量

20、矩的方向相反。 則： （5） 由（5）式很容易得到系統(tǒng) 的自由進(jìn)動(dòng)頻率。并使 ，則 得到： （6） （6）式中再對t微分一次，得到 和 的振動(dòng)方程： （7）,鐵磁共振實(shí)驗(yàn)裝置圖,三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法 測量YIG的旋磁比r (1)開啟各部分電源，預(yù)熱20分鐘； (2)把微波順磁共振儀的“調(diào)制”開關(guān)扳到“50HZ”檔，調(diào)該旋鈕使電表 指示最大并把當(dāng)大檔開關(guān)扳下（直通）； (3)把厘米波信號發(fā)生器工作狀態(tài)置于“連續(xù)”狀態(tài)，調(diào)“反射極電壓” 得到信號源的最佳工作模，用頻率計(jì)定出其中一個(gè)點(diǎn)頻（一般選在 最佳模的峰值處）； (4)調(diào)樣品諧振腔的可調(diào)終端活塞，使腔體的吸收峰與頻率計(jì)的吸收 峰重合一致。（調(diào)腔體的

21、吸收峰時(shí)應(yīng)將盡量把終端活塞放置在腔體 的終端處，調(diào)好 吸收峰后終端活塞位置就不要在動(dòng)了。） (5)讀出此時(shí)的頻率值，此值為微波工作頻率，減小50HZ調(diào)制電流， 使振蕩模消失，示波器上只剩下兩條穩(wěn)定的曲線； (6)再把“調(diào)制”開關(guān)扳到“200HZ”處，調(diào)電流大小使，示波器上出現(xiàn) 較寬的4000根等幅線；,（7)啟動(dòng)電磁鐵穩(wěn)流源，然后徐徐一邊調(diào)節(jié)磁化電流，一邊觀察示波器， 當(dāng)在4000根等幅線條上下出現(xiàn)包絡(luò)（此包絡(luò)只與磁場有關(guān)），則停止 調(diào)電流，此包絡(luò)便是共振信號； 調(diào)磁化電流時(shí)應(yīng)先“粗調(diào)”后“細(xì)調(diào)”，當(dāng)磁化電流“換向”或“關(guān)閉”穩(wěn)流源 時(shí)，應(yīng)先將磁化電流調(diào)為0方可； （8)把微波順磁共振儀上的放大開關(guān)扳到“放大”處，此時(shí)看到的就是電子 自旋共振信號，調(diào)“移相”使兩共振信號重合，調(diào)“衰減”使共振信號在 示波器上，通過調(diào)磁