安徽建筑大学
毕业设计 (论文)
专业通信工程
班级一班
学生姓名
学号 11205090631
课题微波器件特性的研究
——微波功分器的研究
指导教师
2015年5月20日
摘要
本文介绍了等分威尔金森功分器的基本原理，给出了威尔金森功分器的设计过程，并介绍了ADS软件基本使用方法。针对功率分配器的设计指标：特性阻抗为50Ω工作在900－1100MHz频段内，通带内各端口反射系数小于-20dB，通带内两输出端口间的隔离度小于-25dB，通带内传输损耗小于 3.1dB。先进行威尔金森功分器原理图的设计，再用ADS软件进行原理图仿真。采用理论计算的结果作为功分器参数时，功分器并没有达到所需的设计指标，所以还要对功分器的参数进行优化，最后进行功分器版图的生成和仿真。
关键词：微波威尔金森功分器ADS 优化仿真
Abstract
This paper introduces the basic principles of equal portions Wilkinson splitters, given the Wilkinson power divider was designed to process,and introduces the basic use ADS software method. The design specifications for the power divider: charac teristic impedance of 50Ω work within 900-1100MHz frequency band, the reflection coefficient of each port within the passband is less than -20dB, the isolation between two output ports in the passband is less than -25dB, the transmission loss in the passband less than 3.1dB. First conducts the power dividers Wilkinson schematic design, reoccupy ADS software simulation diagram, the conclusion of the theoretical conclusion result as parameters when power dividers power dividers did not reach the required design to index,so the power dividers various parameters were optimized. Finally, conducting the generation and Simulation of the territory of the power divider.
Key words:Microwave Wilkinson Power Dividers ADS Optimization Simulation
目录
1 引言 (1)
1.1微波的概念及应用 (2)
1.2微波的主要特性 (2)
1.3功分器的概述............................. 错误!未定义书签。
1.4功分器的分类 (4)
1.5本次设计的主要工作 (4)
2 功分器的技术基础 (5)
2.1微波理论基础 (5)
2.2功分器的原理 (7)
2.3功分器的技术指标 (9)
3ADS软件介绍 (10)
3.1ADS的仿真设计方法 (11)
3.2ADS的设计辅助功能 (13)
3.3ADS与其他EDA软件和测试设备间的连接 (14)
4 功分器原理图的设计、仿真和参数的优化 (16)
4.1新建工程和原理图设计 (16)
4.2基本参数的设置 (20)
4.3功分器原理图的仿真 (22)
4.4功分器参数的优化 (27)
5 功分器版图的生成与仿真 (31)
5.1功分器版图的生成 (31)
5.2功分器版图的仿真 (32)
6 结论 (34)
参考文献 (35)
微波器件特性的研究
—微波功分器的研究
电子与信息工程学院通信工程专业2011级①班邓双111205090631
指导教师吴东升
1 引言
1.1微波的概念及应用
微波是频率非常高的电磁波，通常是指频率为300MHz到3000GHz范围内的无线电波，其波长范围在1mm～1000mm，分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。从电子学和物理学的观点看，微波这段电磁谱具有一些不同于其他波段的特点。微波在电子学方面的特点表现在它的波长比地球上很多物体和实验室中常用器件的尺寸相对要小很多，或在同一量级。这和人们早已熟悉的普通无线电波不同，因为普通无线电波的波长远大于地球上一般物体的尺寸。当波长远小于物体（如飞机、船只、火箭、建筑物等）的尺寸时，微波的特点和几何光学的相似。利用这个特点，在微波波段能制成高方向性的系统（如抛物面反射器）。当波长和物体（如实验室中的无线电设备）的尺寸有相同量级时，微波的特点又与声波相近,例如微波波导类似于声学中的传声筒;喇叭天线和缝隙天线类似于喇叭、箫和笛；谐振腔类似于共鸣箱等。波长和物体尺寸在同一量级的特点，提供了一系列典型的电磁场边值问题。
(1) 通信方面的应用。由于微波频带宽，信息容量大，因此微波可用于多路通信。在有线通信方面，利用同轴电缆可以同时传送几千路和几路电视信号；在无线通信方面，利用微波的中继接力传送电视信号，利用微波能穿透电离层的特性，可进行卫星通信和宇航通信，利用外层空间三颗互成120°角的同步卫星，就能实现全球通信和电视实况转播。
(2) 国防应用。雷达是微波技术的早期应用，正是由于第二次世界大战期间对于雷达的需要，微波技术才迅速发展起来。雷达设备可以利用微波信号准确地
测定目标的方向、距离和速度，从而对运动目标实现定位、跟踪和识别。目前，用于军事上的有制导雷达、跟踪雷达、警戒雷达和炮瞄雷达等；用于民用上的有导航雷达、气象雷达和遥感雷达等。
(3) 科学研究方面的应用。微波可以作为科学研究的一种重要手段。根据各种物质对微波吸收的不同，可以用来研究物质的内部结构；利用大气对微波的吸收和反射特性，来观察气象的变化；在射电天文学中，利用微波作为一种观测手段，可以发现新的星体。
1.2微波的主要特性
微波波段有着其他波段不同的显著特性，主要表现在以下几方面。
(1) 似光性。微波波长非常小，当微波照射到某些物体上时，将产生显著的反射和折射，就和光线的反、折射一样。同时微波传播的特性也和几何光学相似，能像光线一样地直线传播和容易集中，即具有似光性。这样利用微波就可以获得方向性好、体积小的天线设备，用于接收地面上或宇宙空间中各种物体反射回来的微弱信号，从而确定该物体的方位和距离，这就是雷达导航技术的基础。
(2) 穿透性。微波照射于介质物体时，能深入该物体内部的特性称为穿透性。例如微波是射频波谱中惟一能穿透电离层的电磁波（光波除外）。因而成为人类外层空间的“宇宙窗口”；微波能穿透生物体，成为医学透热疗法的重要手段；毫米波还能穿透等离子体，是远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和末端制导的重要手段。
(3) 信息性。微波波段的信息容量是非常巨大的，即使是很小的相对带宽，其可用的频带也是很宽的，可达数百甚至上千兆赫。所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外地都是工作在微波波段。此外，微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频率信息。这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的。
(4) 非电离性。微波的量子能量不够大，因而不会改变物质分子的内部结构或破坏其分子的化学键，所以微波和物体之间的作用是非电离的。而由物理学可知，分子、原子和原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因此微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。
1.3功分器的概述
功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器按输出通常分为一分二（一个输入两个输出）、一分三（一个输入三个输出）等。功分器的主要技术参数有功率损耗（包括插入损耗、分配损耗和反射损耗）、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、幅度平衡度，相位平衡度，功率容量和频带宽度等。
当功率分配器的工作频率较低时，其理论分析与实际研制都能达到较高的效果，但随着频率的升高，特别是在10GHz以上，则会带来许多问题：要求加工精度更高，微带线的损耗增加，微带不断连续模型不够精确，隔离度电阻尺寸可以与波长相比拟，不再是一个纯电阻，且波长变短使功分器的体积减小带来微带间的耦合等到。
功分器是微波接收、发射及频率合成系统中不可缺少的部件，无论是微波通信、雷达、遥控遥感、电子侦测、电子对抗还是微波测量系统中，都将信号等功率分配的要求，将信号等功率分配为多路，再分别进行处理，是非常普遍的应用。在发射系统中，将功分器反转使用，就是功率合成器，在中、大功率发射源中，对整个系统性能有着重要影响。尤其是在多通道侧向系统中，更是决定着系统性能的关键部件，对幅度的一致性、相位的一致性指标有着严格的要求，这样才能保证系统的测量精度。
近年来随着我国国民经济和科学技术的发展，电子信息尤其是无线通信日新月异，3G还没普遍，4G已经崭露头角，功率分配器不仅应用在射频功率的分配与合成，在超宽带短脉冲电磁场应用中，采用陈列天线的技术是提高探测距离是较为理想的选择，陈列天线的关键技术——功分器的研究就相当重要。无线电发射设备中，为了保证足够远传输距离，待传输信号须经过一系列的功率放大直至获得足够大的功率再送至发射天线。采用功率合成技术将多路固态器件输出功率进行同向叠加，是获得更高输出功率的有效途径之一。
随着无线通信技术的快速发展，各种通讯系统的载波频率不断提高，小型化功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发挥了优势。单波传输使得系统的增益达不到实际的要求，从而必须实现多波传输，也就是将功率进行分配，即产生功率分配器。本文设计仿真的是最简单最经典的威尔金森功分器，在射频电路和
测量系统中，如混频器、功率放大器电路中的功率分配与耦合元件的性能将影响
整个系统的通信质量，而微带功分器在实践应用中显得更为突出。
1.4 功分器的分类 功分器从结构上分为两大类：
(1) 无源功分器，它的主要特点是：工作稳定，结构简单，基本上无噪声；
而它的主要缺点是接入损耗太大。
(2) 有源功分器，由放大器组成，它的主要特点是：有增益，隔离度较高，
而它的主要缺点是有噪声，结构相对复杂一些，工作稳定性相对较差。功分器输
出的端口有二功分，三功分，四功分，六功分，八功分，十二功分。
几种常见的微带功分器。
(1) 微带分支线定向耦合器。微带分支线定向耦合器由两根平行导带组成，
通过两条分支导带实现耦合，分支导带的长度及其间隔均为四分之一线上波长。
理想情况下端口1输入无反射，输入的功率由2、3端口输出，端口4无输出，
即1、4端口相互隔离。由微波理论中的奇偶模分析法可以计算出，对于功率平
分的情况，分支导带的特性阻抗与输入输出线相同，而平行导带的特性阻抗为输
入输出线的1/2，12S 与13S 有π/2的相位差。微带分支线电桥主要用作微带平衡
混频器，由于端口1和4相互隔离，故本振和信号互不影响，同时由微带线的平
面特性，混频晶体很容易连接在端口上，电路结构既简单又紧凑。
(2) Wilkinson 功分器。Wilkinson 功分器的输入线和输出线的特性阻抗都是
0Z 。对于功率平分的情况，输入和输出口间的分支线特性阻抗=，线长为四分之
一线上波长，在分支线末端跨接一个电阻R ，其值为2。由微波理论可以证明，
这种功分器当2、3口接匹配负载时，1口的输入无反射，反过来对2、3口也如
此。由端口1输入的功率被平分到端口2和3，且2、3端口间相互隔离。
(3) 双线二分器。双线二分器的结构很简单，而且能够根据给定的输入阻抗
灵活地调整分支线的特性阻抗以达到良好的匹配，因此在天线的馈电网络设计中
得到了广泛应用，但它的缺点在于输出端之间没有很好的隔离。
1.5 本次设计的主要工作
本文主要讨论关于等功分威尔金森功分器的设计和仿真过程，具体工作包括
以下几个部分：
(1) 查阅相关文献、书籍，了解功分器的基本原理；
(2) 确定所设计的功分器的性能指标；
(3) 参数计算；
(4) 利用ADS软件绘制出原理图；
(5) 仿真优化并生成版图。
2 功分器的技术基础
2.1 微波理论基础
2.1.1 微带线的概念
一般的传输线由两个或两个以上的导体组成，用来传输横电磁波（TEM波），常见的传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等。其中，微带线是最普遍使用的平面传输线之一，微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其他无源和有源器件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。
微带线是由支在介质基片上的单一导体带构成的微波传输线，适合制作微波集成电路的平面结构传输线。与金属波导相比，其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等；但损耗稍大，功率容量小。60年代前期，由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，形成了微波集成电路，使微带线得到广泛应用，相继出现了各种类型的微带线。一般用薄膜工艺制造。介质基片选用介电常数高、微波损耗低的材料。导体应具有导电率高、稳定性好、与基片的粘附性强等特点。
微带线是一根带状导(信号线)，与地平面之间用一种电介质隔离开。印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关。
2.1.2 微带线的基本设置参数
微带线的主要主要参数包括以下几种。
(1) 微带线介质基片厚度H；
(2) 微带线介质基片的相对介电常数Er；
(3) 微带线质基片的相对磁导率Mur；
(4) 微带线金属片的电导率Cond；
(5) 微带电路的封装高度Hu；
(6) 微带线金属片的厚度T；
(7) 微带线的损耗角正切Tand；
(8) 微带线的表面粗糙度Roungh；
(9) 微带线宽度W；
(10) 微带线长度L；
2.1.3 微波网络法
微波网络法被广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。微波网络理论是在低频网络理论的基础上发展起来的，低频电路分析是微波电路分析的一个特殊情况。一般地，对于一个网络有Y、Z和S 参数可用来测量和分析，Y称为导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数；前两个参数主要用于集总电路，Z和Y参数对于集总参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波系统中，由于确定非TEM波电压、电流非常困难，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即S参数矩阵，它更适合于分布参数电路。S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。同N端口网络的阻抗和导纳矩阵那样，用散射矩阵亦能对N端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳矩阵反映了端口的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。
S参数是微波传输中的一个重要参数。S12为反向传输系数，也就是隔离。S21为正向传输系数，也就是增益。S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。
S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。
各参数的物理含义和特殊网络的特性如下：
11S ：端口2接匹配负载时，端口1的反射系数；
22S ：端口1接匹配负载时，端口2的反射系数；
12S ：端口1接匹配负载时，端口2到端口1的反向传输系数；
21S ：端口2接匹配负载时，端口1到端口2的正向传输系数。
对于互易网络，有：2112S S =；
对于对称网络，有：2211S S =；
对于无耗网络，有：()()1221212=+S S
2.1.4 四分之一波长阻抗变换
阻抗匹配的方法是在负载与传输线之间接入匹配器，使其输入阻抗作为等效
负载与传输线的特性阻抗相等。
λ/4阻抗变换器是特征阻抗通常与主传输线不同，长度为λ/4的传输线段，
它可以用于负载阻抗或信号源内阻与传输线的匹配，以保证最大功率的传输。
在传输线与非匹配负载(0Z R Z L L ≠=)之间串联接入一段长度为4λ，特性阻
抗为'0Z 的传输线，就能实现匹配，经过4λ特性阻抗'0Z 的线段变换后的输入阻抗则为
L in R Z Z 2
'0= (2.1.3-1) 如果要求0Z Z in =，则必须在负载(L R )与传输线(0Z )之间串一段传输长度l 和
特性阻抗'0Z 满足
L R Z Z 02'0= 4λ=l (2.1.3-2)
也就是说L R Z Z 02
'0=，4λ=l ，则新负载与传输线匹配，即0'Z Z Z in L ==。 2.2功分器的原理
二功分器是个三端口电路结构(3 Port network)，其输出端口之间的相移为
零。这种三端口装置是可逆的，它既能以功率分配的形式又能以功率合成的形式
应用。其信号输入端的输入功率为1P ，而其它两个输出端的输出功率分别为2P 及
3P 。由能量守恒定律可知321P P P +=。若32P P
=，则三端口功率间的关系为 dB dBm P dBm P dBm P in 3)()()(32-==。
2P 并不一定要等于3P ，只是相等的情况下最常使用在电路中，因此，功率
分配器大致可分为等分型()21P P =及比例型两种类型()32kP P
=。 功分器是一种功率分配元件，它是将输入功率分成相等或不相等的几路功
率，当然也可以将几路功率合成，而成为功率合成元件。在电路中常用到微带功
分器，其基本原理和设计公式如下：
图2-1 二路功分器原理图
图2-1是二路功分器的原理图。图中输入线的特性组抗为0Z ，两路分支线的
特性阻抗分别为02Z 和03Z ，线长为4λ , 4λ为中心频率时的带内波长。图中2R ，
3R 为负载阻抗，R 为隔离阻抗。
功分器各个端口特性如下：
端口1无反射；
端口2和端口3输出电压相等且同相；
端口2、端口3输出功率之比为任意定值21k 。
由这些条件就可以确定02Z ，03Z 及2R ，3R 值。
设2口、3口的输出功率分别为2P 、3P ，对应的电压为2U 、3U ，根据对功
分器的要求，则有
2222R U P = 32332R U P = (2.2-1)
22232P P K =
(2.2-2)
式中k 为比例系数。为了使在正常工作时，隔离电阻R 上不流过电流，则
应
32U U = (2.2-3)
于是得
2322kR R =
(2.2-4)
设
02kZ R = (2.2-5)
则
k Z R 03= (2.2-6)
由条件端口1无反射，即要求由2in Z 与3in Z 并联而成的总输入阻抗等于o Z ，
则有
032111Z Z Z in in =+ (2.2-7)
由四分之一波长阻抗变换理论得
20222Z R Z in = 20333Z R Z in = (2.2-8)
联立(2.2-5) 和(2.2-6)式，可得
)1(2002k k Z Z += 2.2-9)
32003)1(k k Z Z += (2.2-10)
由于2U 和3U 等幅且同相，故在端口“2”，“3”间跨接一电阻R 并不影响
功分器的性能。但当“2”，“3”两端口外接负载不等于2R ，3R 时，来自负载
的反射功率便分别由“2”，“3”两端口输入，此时该三端口网络变为一功率合
成器。为使“2”，“3”端口彼此隔离，须在期间加一吸收电阻R 起隔离作用。
隔离电阻的值为
k k Z R R R 1032+=+= (2.2-11)
当k=1时，上面的结果化为等功率分配情况，此时003022Z Z Z ==。可以看
出，输出线阻抗02kZ R =和k Z R 03=匹配的，而不与阻抗0Z 匹配。
2.3 功分器的技术指标
功分器的技术指标包括 频率范围、输入端口的回波损耗、输入输出间的插
入损耗、支路端口间的隔离度、承受功率、每个端口的电压驻波比等。
(1) 频率范围。这是各种射频/微波电路的工作前提，功分器的设计结构与工
作频率密切相关。必须首先明确分配器的工作频率，才能进行下面的设计 。
(2) 输入端口的回波损耗。输入端口1的回波损耗根据输入端口1的反射功
率P r 和输入功率P i 之比来计算:
r 1111P 10()20i
C Log Log S P =-=- (2.3-1)
(3) 插入损耗。输入输出间的插入损耗是由于传输线（如微带线）的介质或
导体不理想等因素，考虑输入端的驻波比所带来的损耗。输入端口的插入损耗根
据输出端口的输出功率与输入端口1的输入功率1P 之比来计算：
221211
10()20P C Log Log S P =-=- (2.3-2) 331311
10()20P C Log Log S P =-=- (2.3-3) (4) 隔离度。支路端口间的隔离度是功分器的另一个重要指标。如果从每个
支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支
路之间有足够的隔离度。 输出端口2和输出端口3间的隔离度根据输出端口2
的输出功率2P 和输出端口3的输出功率3P 之比来计算：
22123331||10()20||
P S C Log Log P S =-=- (2.3-4) (5) 承受功率。在大功分器/合成器中，电路元件所能承受的最大功率是核心
指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。一般地，传输线承受
功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要
根据设计任务来选择用何种线。
(6) 驻波比。每个端口的电压驻波比越小越好。功分比，当其他端口无反射
时，功分比根据输出端口3的输出功率P3和输出端口2的输出功率P2之比算：
322
K P P = (2.3-5)
3 ADS 软件介绍
ADS （Advanced Design System ）是由美国安捷伦公司开发，是现今射频和
微波电路设计领域的首选工业级软件。ADS 是当今业界最流行的微波射频电路、
通信系统和RFIC 设计软件，也是国内高校、科研所和大型IT 公司使用做多的
软件之一，其功能强大，仿真手段丰富，可实现包括时域与频域、数字与模拟、
线性与非线性、噪声等多种仿真功能，并可对设计结果进行成品率分析与优化，
提高复杂电路的设计效率，是优秀的微波射频电路、系统信号链路的设计工具，
是射频工程师必备的工具软件之一。
下面来对ADS 的仿真设计方法、ADS 的辅助设计功能、以及ADS 与其他
EDA 设计软件和测量硬件的连接作个详细的介绍。
3.1 ADS的仿真设计方法
ADS软件可以提供电路设计者进行模拟、射频与微波等电路和通信系统设计，其提供的仿真分析方法大致可以分为：时域仿真、频域仿真、系统仿真和电磁仿真。
3.1.1 高频SPICE分析和卷积分析(Convolution)
高频SPICE分析方法提供如SPICE仿真器般的瞬态分析，可分析线性与非线性电路的瞬态效应。在SPICE仿真器中，无法直接使用的频域分析模型，如微带线带状线等，可于高频SPICE仿真器中直接使用，因为在仿真时可于高频SPICE仿真器会将频域分析模型进行拉式变换后进行瞬态分析，而不需要使用者将该模型转化为等效RLC电路。因此高频SPICE除了可以做低频电路的瞬态分析，也可以分析高频电路的瞬态响应。此外高频SPICE也提供瞬态噪声分析的功能，可以用来仿真电路的瞬态噪声，如振荡器或锁相环的jitter。
卷积分析方法为架构在SPICE高频仿真器上的高级时域分析方法，藉由卷积分析可以更加准确的用时域的方法分析于频率相关的元件，如雨以S参数定义的元件、传输线、微带线等。
3.1.2 线性分析
线性分析为频域的电路仿真分析方法，可以将线性或非线性的射频与微波电路做线性分析。当进行线性分析时，软件会先针对电路中每个元件计算所需的线性参数，如S、Z、Y和H参数、电路阻抗、噪声、反射系数、稳定系数、增益或损耗等（若为非线性元件则计算其工作点之线性参数），在进行整个电路的分析、仿真。
3.1.3 谐波平衡分析( Harmonic Balance)
谐波平衡分析提供频域、稳态、大信号的电路分析仿真方法，可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路，得到非线性的电路响应，如噪声、功率压缩点、谐波失真等。与时域的SPICE仿真分析相比较，谐波平衡对于非线性的电路分析，可以提供一个比较快速有效的分析方法。谐波平衡分析方法的出现填补了SPICE的瞬态响应分析与线性S参数分析对具有多频输入信号的非线性电路仿真上的不足。尤其在现今的高频通信系统中，大多包含了混频电路结构，使得谐波平衡分析方法的使用更加频繁，也越趋重要。
另外针对高度非线性电路，如锁相环中的分频器，ADS也提供了瞬态辅助谐波平衡(Transient Assistant HB)的仿真方法，在电路分析时先执行瞬态分析，并将此瞬态分析的结果作为谐波平衡分析时的初始条件进行电路仿真，藉由此种方法可以有效地解决在高度非线性的电路分析时会发生的不收敛情况。
3.1.4 电路包络分析(Circuit Envelope)
电路包络分析包含了时域与频域的分析方法，可以使用于包含调频信号的电路或通信系统中。电路包络分析借鉴了SPICE与谐波平衡两种仿真方法的优点，将较低频的调频信号用时域SPICE仿真方法来分析，而较高频的载波信号则以频域的谐波平衡仿真方法进行分析。
3.1.5 射频系统分析
射频系统分析方法提供使用者模拟评估系统特性，其中系统的电路模型除可以使用行为级模型外，也可以使用元件电路模型进行习用响应验证。射频系统仿真分析包含了上述的线性分析、谐波平衡分析和电路包络分析，分别用来验证射频系统的无源元件与线性化系统模型特性、非线性系统模型特性、具有数字调频信号的系统特性。
3.1.6 拖勒密分析(Ptolemy)
拖勒密分析方法具有可以仿真同时具有数字信号与模拟、高频信号的混合模式系统能力。ADS中分别提供了数字元件模型（如FIR滤波器、IIR滤波器，AND逻辑门、OR逻辑门等）、通信系统元件模型（如QAM调频解调器、Raised Cosine滤波器等）及模拟高频元件模型（如IQ编码器、切比雪夫滤波器、混频器等）可供使用。
3.1.7 电磁仿真分析(Momentum)
ADS软件提供了一个2.5D的平面电磁仿真分析功能——Momentum （ADS2005A版本Momentum已经升级为3D电磁仿真器），可以用来仿真微带线、带状线、共面波导等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。所分析的S参数结果可直接使用于些波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计与验证。在Momentum电磁分析中提供两种分析模式：Momentum微波模式即Momentum和Momentum射频模式即Momentum RF；使
用者可以根据电路的工作频段和尺寸判断、选择使用。
3.2 ADS的设计辅助功能
ADS软件除了上述的仿真分析功能外，还包含其他设计辅助功能以增加使用者使用上的方便性与提高电路设计效率。
3.2.1 设计指南(Design Guide)
设计指南是藉由范例与指令的说明示范电路设计的设计流程，使用者可以经由这些范例与指令，学习如何利用ADS软件高效地进行电路设计。
目前ADS所提供的设计指南包括：WLAN设计指南、Bluetooth设计指南、CDMA2000设计指南、RF System设计指南、Mixer设计指南、Oscillator设计指南、Passive Circuits设计指南、Phased Locked Loop设计指南、Amplifier设计指南、Filter设计指南等。除了使用ADS软件自带的设计指南外，使用者也可以通过软件中的DesignGuide Developer Studio建立自己的设计指南。
3.2.2 仿真向导(Simulation Wizard)
仿真向导提供step-by-step的设定界面供设计人员进行电路分析与设计，使用者可以藉由图形化界面设定所需验证的电路响应。ADS提供的仿真向导包括：元件特性（Device Characterization）、放大器（Amplifier）、混频器（Mixer）和线性电路（Linear Circuit）。
3.2.1 仿真与结果显示模板(Simulation & Data Display Template)
为了增加仿真分析的方便性，ADS软件提供了仿真模板功能，让使用者可以将经常重复使用的仿真设定（如仿真控制器、电压电流源、变量参数设定等）制定成一个模板，直接使用，避免了重复设定所需的时间和步骤。结果显示模板也具有相同的功能，使用者可以将经常使用的绘图或列表格式制作成模板以减少重复设定所需的时间。除了使用者自行建立外，ADS软件也提供了标准的仿真与结果显示模板可供使用。
3.2.1 电子笔记本(Electronic Notebook)
电子笔记本可以让使用者将所设计电路与仿真结果，加入文字叙述，制成一份网页式的报告。由电子笔记本所制成的报告，不需执行ADS软件即可以在浏览器上浏览。
3.3 ADS与其他EDA软件和测试设备间的连接
由于现今复杂庞大的的电路设计，每个电子设计自动化软件在整个系统设计中均扮演着螺丝钉的角色，因此软件与软件之间、软件与硬件之间、软件与元件厂商之间的沟通与连接也成为设计中不容忽视的一环。
3.3.1 SPICE电路转换器(SPICE Netlist Translator)
SPICE电路转换器可以将由Cadence、Spectre、PSPICE、HSPICE及Berkeley SPICE所产生的电路图转换成ADS使用的格式进行仿真分析、另外也可以将由ADS产生的电路转出成SPICE格式的电路，做布局与电路结构检查（LVS，Layout Versus Schematic Checking）与布局寄生抽取（Layout Parasitic Extraction）等验证。
3.3.2电路与布局文件格式转换器(IFF Schematic and Layout Translator)
电路与布局格式转换器提供使用者与其他EDA软件连接沟通的桥梁，藉由此转换器可以将不同EDA软件所产生的文件，转换成ADS可以使用的文件格式。
3.3,3布局转换器(Artwork Translator)
布局式转换器提供使用者将由其他CAD或EDA软件所产生的布局文件导入ADS软件编辑使用，可以转换的格式包括IDES、GDSII、DXF、与Gerber
等格式。
3.3,4 SPICE模型产生器(SPICE Model Generator)
SPICE模型产生器可以将由频域分析得到的或是由测量仪器得到的S参数转换为SPICE可以使用的格式，以弥补SPICE仿真软件无法使用测量或仿真所得到的S参数资料的不足。
3.3,5 设计工具箱(Design Kit)
对于IC设计来说，EDA软件除了需要提供准确快速的仿真方法外，与半导体厂商的元件模型间的连接更是不可或缺的，设计工具箱便是扮演了ADS软件与厂商元件模型间沟通的重要角色。ADS软件可以藉由设计工具箱将半导体厂商的元件模型读入，供使用者进行电路的设计、仿真与分析。
3.3,6仪器伺服器
仪器伺服器提供了ADS软件与测量仪器连接的功能，使用者可以通过仪器
伺服器将网络分析仪测量得到的资料或SnP格式的文件导入ADS软件中进行仿真分析，也可以将软件仿真所得的结果输出到仪器（如信号发生器），作为待测元件的测试信号。
4 功分器原理图的设计、仿真和参数的优化
本论文利用ADS软件设计一个等公分威尔金森功分器，并根据给定的指标对其性能参数进行优化仿真。
4.1 等公分威尔金森功分器的设计指标
频率范围：0.9～1.1GHz；
频带内输入端口的回波损耗：C11>20db；
频带内的插入损耗：C21<3.1db，C31<3.1db；
两个端口间的隔离度:C23>25db。
4.2 新建工程和原理图设计
4.2.1 新建工程
(1)运行ADS2011软件，打开ADS2011软件主窗口。
(2)执行菜单命令[FILE] [New Workspace Vizard]，弹出“New Workspace Vizard”对话框，新建工程“divider”，如图4－1所示。
(3)一直单击[Next]按钮，最后单击[Finish]按钮。
图4－1
安徽建筑大学 毕业设计 (论文) 专业通信工程 班级一班 学生姓名 学号 11205090631 课题微波器件特性的研究 ——微波功分器的研究 指导教师 2015年5月20日
摘要 本文介绍了等分威尔金森功分器的基本原理，给出了威尔金森功分器的设计过程，并介绍了ADS软件基本使用方法。针对功率分配器的设计指标：特性阻抗为50Ω工作在900－1100MHz频段内，通带内各端口反射系数小于-20dB，通带内两输出端口间的隔离度小于-25dB，通带内传输损耗小于 3.1dB。先进行威尔金森功分器原理图的设计，再用ADS软件进行原理图仿真。采用理论计算的结果作为功分器参数时，功分器并没有达到所需的设计指标，所以还要对功分器的参数进行优化，最后进行功分器版图的生成和仿真。 关键词：微波威尔金森功分器ADS 优化仿真
Abstract This paper introduces the basic principles of equal portions Wilkinson splitters, given the Wilkinson power divider was designed to process,and introduces the basic use ADS software method. The design specifications for the power divider: charac teristic impedance of 50Ω work within 900-1100MHz frequency band, the reflection coefficient of each port within the passband is less than -20dB, the isolation between two output ports in the passband is less than -25dB, the transmission loss in the passband less than 3.1dB. First conducts the power dividers Wilkinson schematic design, reoccupy ADS software simulation diagram, the conclusion of the theoretical conclusion result as parameters when power dividers power dividers did not reach the required design to index,so the power dividers various parameters were optimized. Finally, conducting the generation and Simulation of the territory of the power divider. Key words:Microwave Wilkinson Power Dividers ADS Optimization Simulation
微波的光学特性实验 2014级光电信息科学与工程李盼园 摘要 微波是一种特定波段的电磁波，其波长范围为1mm~1m。它存在明显的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。本实验主要对微波的单缝衍射、双缝干涉及布拉格衍射现象进行验证讨论。 关键词 微波、布拉格衍射、光学特性。 实验目的 1.了解微波的原理及实验装置 2.认识微波的光学特性及测量方法 3.明确布拉格公式的解释以及用微波实验系统验证该公式。 实验原理 微波是一种特定波段的电磁波，其波长范围为1mm~1m。它存在反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。但因为它的波长、频率和能量具有特殊的量值，所以它所表现出的这些性质也具有特殊性。用微波来仿真晶格衍射，发生明显衍射效应的晶格可以放大到宏观尺度（厘米量级），因此要微波进行波动实验比光学实验更直观，安全。
１.微波的单缝衍射λ 当一平面波入射到一宽度和波长可比拟的狭缝时，就要发生衍射的现象。缝后出现的衍射波强度并不是均匀的，中央最强，同时也最宽。在中央两侧的衍射波强度迅速减小，直至 出现衍射波强度的最小值，即一级极小，此时衍射角为a *sin 1λ ?-=，其中是λ波长，a 是狭 缝宽度。随着衍射角增大，衍射波强度又逐渐增大，直至出现一级极大值，角度为：)43.1(sin 1a λ ?-= 。如图２－１。 图２－１ ２.微波的双缝干涉 当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭线上，则每一条狭缝就是次级波波源。由两缝发出的次级波是相干波。当然，光通过每个缝也有衍射现象。为了只研究主要是由于来自双缝的两束中央衍射波相互干涉的结果，实验中令缝宽a 接近λ。干涉加强的角度为 )* (sin 1b a K +=-λ ?，其中K=1，2，...，干涉减弱角度为：
微波化工干燥设备资料 一、微波的特性： 1、直线性：与可见光相似直线传播。 2、反射性：遇到导体如金属物体就反射，象镜子反射光波一样，金属不吸收微波。 3、吸收性：易被极性分子（介质体如水）吸收而转变成热能。 4、穿透性：微波不会被非极性分子（绝缘体如陶瓷、聚丙烯等）吸收，不会发热但 可以穿透这些物体。 二、微波在化工行业的应用： 1 微波在化工业的研究是一门新兴的前沿交叉学科。微波在化工产品中的应用，不仅 能大大节省能源，且可将一些产品的几道工序在微波设备中一次完成。许多有机化合物不能直接明显地吸收微波，但可利用某种强烈吸收微波的“敏化剂”把微波能传给这些物质而诱发化学反应，微波通过催化剂或其载体发挥诱导作用，即消耗掉的微波能用在诱导催化反应的发生上，此称为微波诱导催化反应。微波马弗炉里可用熔融和灰化样品，并在样品容器周围放一些具有很高吸收微波的tgsin材料(常用sic)，这些材料可100%的吸收微波，从而在很短的时间内将温度升高（2min内可达到1000℃的高温）；与普通马弗炉相比，用微波马弗炉的熔融和灰化升温更快，而且耗能较少，使用才在放入和取出样品时还可避免热辐射。 2 微波化工干燥设备主要应用对象有：玻璃纤维、化工原料、淀粉草酸钴、纤维素（如 羟乙基纤维素、羧甲基纤维素等）、甘露醇、氢氧化镍、钴酸锂、石墨、炭刷、碳化硅、二水氯化钙、氯化钙、活性碳、氧氯化锆、氧化锆、氢氧化锆、氢氧化铝、氧化铝、三氧化二铝、碳酸锆、正硫酸锆、碳酸锆铵、硅酸锆、碳酸锆钾、油性油墨催干剂、水性油墨交联抗水剂、可膨胀石墨、各种树脂、各种陶瓷氧化锆、纳米氧化铁、正温度系数（PTC）热敏材料陶瓷元器件及蜂窝式PTC元器件等各种化
微波检测原理 微波是指频率为300MHz-3000GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到0.1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性．微波量子的能量为1 99×l0 -25～1．99×10-22j。 微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。 从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的如下重要特点： 穿透性 微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。 选择性加热 物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。 热惯性小 微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。 似光性和似声性 微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减小；使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。 由于微波波长与物体（实验室中无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，即所谓的似声性。例如微波波导类似于声学中的传声筒；喇叭天线和缝隙天线类似与声学喇叭，萧与笛；微波谐振腔类似于声学共鸣腔非电离性 微波的量子能量还不够大，不足与改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键。再有物理学之道，分子原子核原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因而微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用这一特性，还可以制作许多微波器件。信息性
微波的特性研究 【概述】 1、微波波长从1m到0.1mm，其频率范围从300MHz～3000GHz，是无线电波中波长最短的电磁波。微波波长介于一般无线电波与光波之间，因此微波有似光性，它不仅具有无线电波的性质，还具有光波的性质，即具有光的直射传播、反射、折射、衍射、干涉等现象。由于微波的波长比光波的波长在量级上大10000倍左右，因此用微波进行波动实验将比光学方法更简便和直观。 2、DHMS-1型微波光学综合实验仪由X波段微波信号源提供DC12V电压给微波发射部分，其产生一定频率（8.8GHz-9.8GHz）的微波信号，通过幅度调节旋钮可以对其进行衰减，其中输出最大功率小于5mW。接收部分采用精密的检波管把微波信号检测出来，通过放大处理后转化为电压信号（mV）,最后由液晶显示器显示出来。 【实验目的】 1、了解与学习微波产生的基本原理以及传播和接收等基本特性。 2、观测微波干涉、衍射、偏振等实验现象。 3、观测模拟晶体的微波布拉格衍射现象。 4、通过迈克耳逊实验测量微波波长。 【实验仪器与用具】 DHMS-1型微波光学综合实验仪一套，包括：X波段微波信号源、微波发生器、发射喇叭、接收喇叭、微波检波器、检波信号数字显示器、可旋转载物平台和支架，以及实验用附件（反射板、分束板、单缝板、双缝板、晶体模型、读数机构等）。 【实验原理】 一、微波的产生和接收 图 1 微波产生的原理框图 实验使用的微波发生器是采用电调制方法实现的，优点是应用灵活，参数调配方便，适用于多种微波实验,其工作原理框图见图1。微波发生器内部有一个电压可调控制的
VCO，用于产生一个4.4GHz-5.2GHz的信号，它的输出频率可以随输入电压的不同作相应改变，经过滤波器后取二次谐波8.8GHz-9.8GHz，经过衰减器作适当的衰减后，再放大，经过隔离器后，通过探针输出至波导口，再通过E面天线发射出去。 接收部分采用检波/数显一体化设计。由E面喇叭天线接收微波信号，传给高灵敏度的检波管后转化为电信号，通过穿心电容送出检波电压，再通过A/D转换，由液晶显示器显示微波相对强度。 二、微波光学实验 微波是一种电磁波，它和其他电磁波如光波、X射线一样，在均匀介质中沿直线传播，都具有反射、折射、衍射、干涉和偏振等现象。 1、微波的反射实验 微波的波长较一般电磁波短，相对于电磁波更具方向性，因此在传播过程中遇到障碍物，就会发生反射。如当微波在传播过程中，碰到一金属板，则会发生反射，且同样遵循和光线一样的反射定律：即反射线在入射线与法线所决定的平面内，反射角等于入射角。 2、微波的单缝衍射实验 当一平面微波入射到一宽度和微波波长可比拟的一狭缝时，在缝后就要发生如光波一般的衍射现象。同样中央零级最强，也最宽，在中央的两侧衍射波强度将迅速减小。根据光的 图2 单缝衍射强度分布 单缝衍射公式推导可知，如为一维衍射，微波单缝衍射图样的强度分布规律也为：
微波的应用及特点 微波是一种高频电磁波 如频率为2450MHZ 以每秒24亿5千万次的振荡 极性分子也同样是24亿5千万次的振荡 分子之间互相磨擦产生热量 自身发热加热。所以可广泛用于化工产品的粉状物料的干燥脱水。 均匀高效。在微波干燥中 能穿透物料内部 里外同时加热烘干。含水量40%的粉体烘到1%只需15到20分钟。 易于控制。微波加热的热惯性极小 即开即停。采用PLC控制 烘干工艺可完全自动化控制 减少人为操作失误。 节能减排。微波能量只能被干燥物料吸收而损耗 箱体内空气与相应的容器都不会发热。所以热效率极高 比常规电热或红外线干燥 节能30%以上。微波采用电能为能源 没有污染 没有废气、废水排放 是一种清洁能源。 上海镧泰微波设备制造有限公司 是由从事工业微波行业十几年精英汇集而成 为客户事业发展所需专业定制微波干燥设备 同时解决客户现行工程技术问题及困惑。致力于成为工业微波业内翘楚 主营行业：化工业，环保公司，制药业，海鲜海产品制作厂，化妆品厂，调味品厂，食品厂，制茶厂，皮革厂，香精香料厂，木材厂，家具厂，陶瓷厂，学校实验室，研究所研究院等。 主营产品：微波干燥烘干设备，微波真空干燥设备，微波连续隧道式烘干设备，微波动态窑式干燥设备，微波柜式干燥设备，微波提取萃取设备，木材家具微波烘干设备，高密度红木黄杨乌木微波烘干设备，海鲜海产品海参鲍鱼虾微波烘干设备，化工粉陶瓷粉微波烘干设备，食品微波烘干杀菌设备，干果坚果炒货微波焙烤设备，粮食蔬菜微波烘干设备，茶叶微波烘干杀青提香设备，名贵中药材（人参虫草等）微波低温干燥，皮革牛皮动物皮微波烘干，纸品纸管纸张微波烘干，橡塑海绵微波去水烘干设备，陶瓷微波定型烧结设备，工业微波售后配件（磁控管，变压器等)。
射频/微波的特点: 1.频率高 2.波长短 3.大气窗口 4.分子谐振 微波频率：300MHz-3000GHz 波长：0.1mm-1m 独特的特点：RF/MW 的波长与自然界物体尺寸相比拟 在RF/MW 波段，由于导体的趋肤效应、介质损耗效应、电磁感应等影响，期间区域不再是单纯能量的集中区，而呈现分布特性。 长线概念：通常把RF/MW 导线（传输线）称为长线，传统的电路理论已不适合长线！ RF/MW 系统的组成： 传输线：传输RF/MW 信号 微波元器件：完成微波信号的产生、放大、变换等和功率的分配、控制及滤波 天线：辐射或接收电磁波 微波、天线与电波传播的关系：（简答） 微波： 对象：如何导引电磁波在微波传输系统中的有效传输 目的：希望电磁波按一定要求沿微波传输系统无辐射的传输； 天线 任务：将导行波变换为向空间定向辐射的电磁波，或将在空间传播的电磁波变为微波设备中的导行波 作用：1.有效辐射或接收电磁波；2.把无线电波能量转换为导行波能量 电波传播 分析和研究电波在空间的传播方式和特点 常用传输线机构：矩形波导 共面波导 同轴线 带状线 微带线 槽线 分析方法 称为传输线的特性阻抗 特性阻抗Z0通常是个复数, 且与工作频率有关。 它由传输线自身分布参数决定而与负载及信源无关, 故称为特性阻抗 对于均匀无耗传输线, R=G=0, 传输线的特性阻抗为 此时, 特性阻抗Z0为实数, 且与频率无关。 常用的平行双导线传输线的特性阻抗有250Ω, 400Ω和600Ω三种。 常用的同轴线的特性阻抗有50 Ω 和75Ω两种。 均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗及工作频率有关, 且一般为复数, 故不宜直接测量。 无耗传输线上任意相距λ /2处的阻抗相同, 一般称之为λ /2重复性。 传输线上电压和电流以波的形式传播, 在任一点的电压或电流均由沿-z 方向传播的行波（称为入射波）和沿+z 方向传播的行波（称为反射波）叠加而成。 传播常数γ: α为衰减常数, 单位为dB/m β为相移常数 对于均匀无耗传输线来说, 由于β与ω成线性关系, 故导行波的相速与频率无关, 也称为无色散波。当传输线有损耗时, β不再与ω成线性关系, 使相速υp 与频率ω有关,这就称为色散特性。 定义传输线上任意一点 z 处的反射波电压（或电流）与入射波电压（或电流）之比为电压（或电流）反射系数(越小越好) 当Zl=Z0时, Γl=0, 即负载终端无反射, 此时传输线上反射系数处处为零, 一般称之为负载匹配。而当Zl ≠Z0时, 负载端就会产生一反射波, 向信源方向传播, 若信源阻抗与传输线特性阻抗不相等时, 则它将再次被反射。 定义传输线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比为电压驻波比, 用ρ表示： 0L Z C =)j /()j (0C G L R Z ωω++=βωωγj )j )(j (+=++≈a C G L R min max U U =ρ
微波原理概述 1、微波技术原理 微波技术是一门需要高度实验技能的专业技术知识，微波技术的理论基础是经典的电磁场理论，其目标是解决微波应用工程中的实际问题。微波是一门理论与实践密切结合的一门知识，微波技术理论的出发点是麦克斯维方程组，麦克斯维方程组本身就是从实践中归纳、总结出来的。大多数微波实际应用的工程问题都不能通过理论计算得到精确的解析解。在研究微波工程问题时，为了避开一些复杂的数学运算和无解析解的问题，常需要根据具体情况和一些基本的物理概念对所研究的问题做简化、等效或近似处理，因此，通过实践来修正理论分析结果是每个微波工程技术人员具备的基本技能。 2、微波定义 微波是一种频率非常高的电磁波。微波包括的波长范围没有明确的界限，一般是指分米波、厘米波和毫米波三个波段，也就是波长从1mm到1m左右的电磁波。由于微波的频率很高，所以也叫超高频电磁波。 为了进行比较，这里将微波、工业用电和无线电中波广播的频率与波长范围列于表中。 因为微波的应用极为广泛，为了避免相互的干扰，供工业、科学及医学使用的微波频段是不同的，现将其列于表中 不同工作频率的微波系统具有不同的技术特性、生产成本和用途，微波系统的工作频率越高。其结构尺寸就越小；微波通讯系统的工作频率越高，其信息容量越大；微波雷达系统的工作频率越高，雷达信号的方向性和系统的分辨率就越高。微波的频率越高，其大气传输和传输线传输的损耗就越大。 目前国内只有915MHz和2450MHz 被广泛使用。在较高的两个频率段还没有合适的大功率工业设备。 3、微波的特殊性质
微波是电磁波，它具有电磁波的诸如反射、透射干涉、衍射、偏振以及伴随着电磁波能量传输等波动特性，这就决定了微波的产生、传输、放大、辐射等问题都不同于普通的无线电、交流电。在微波系统中，组件的电性质不能认为是集总的，微波系统没有导线式电路，交、直流电的传输特性参数以及电容和电感等概念亦失去了其确切的意义。在微波领域中，通常应用所谓“场”的概念来分析系统内电磁波的结构，并采用功率、频率、阻抗、驻波等作为微波测量的基本量。 ⑴在研究微波问题时，应使用电磁场的概念，许多高频交变电磁场的效应不能忽略。例如微波的波长和电路的直径已是同一数量级，位相滞后现象已十分明显，这一点必须加以考虑。 ⑵微波传播时是直线传播，遇到金属表面将发生反射，其反射方向符合光的反射规律。 ⑶微波的频率很高，因此其辐射效应更为明显，它意味着微波在普通的导线上传输时，伴随着能量不断的向周围空间辐射，波动传输将很快地衰减，所以对传输组件有特殊要求。 ⑷当入射波与反射波相迭加时能形成波的干涉现象，其中包括驻波现象。在微波波导或谐振腔中，我们也利用多种模式的电磁场的分布、迭加来改善电磁场分布的均匀性。 ⑸微波能量的空间分布同一般电磁场能量一样，具有空间分布性质。哪里存在电磁场，哪里就存在能量。例如微波能量传输方向上的空间某点，其电场能量的数值大小与该处空间的电场强度的二次方有关，微波电磁场总能量为空间点的电磁场能量的总和。 4、微波与材料的相互作用 当微波在传输过程中遇到不同材料时，会产生反射、吸收和穿透现象，这些作用和其程度、效果取决于材料本身的几个主要的固有特性：介电常数、介质损耗角正切（tgδ，简称介质损耗）、比热、形状、含水量的大小等。 ⑴常用材料 在微波加工系统中，常用的材料有导体、绝缘体、介质、极性和磁性化合物几类。 ①导体一定厚度以上的导体，如铜、银、铝之类的金属，能够反射微波，因此在微波系统中，常利用导体反射微波的这种特殊的形式来传播微波能量。例如微波装置中常用的波导管，就是矩形或圆形的金属管，通常由铝或黄铜制成。它们像光纤传导光线一样，是微波的通路。 ②绝缘体在微波系统中，绝缘体有其完全不同于普通电路中的地位。绝缘体可透过微波，并且它吸收的微波功率很小。微波和绝缘体相互间的影响，就象光线和玻璃的关系一样，玻璃使光线部分地反射，但大部分则透过，只有很少部分被吸收。在微波系统中，根据不同情况使用着玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚丙烯塑料之类的绝缘体，它们常作为反应器的材料。由于这种“透明”特性，在微波工程中也常用绝缘体材料来防止污物进入某些要害部位，这时的绝缘体就成为有效的屏障。
射频与微波技术原理及应用培训教材 华东师范大学微波研究所 一、Maxwell(麦克斯韦)方程 Maxwell 方程是经典电磁理论的基本方程，是解决所有电磁问题的基础，它用数学形式概括了宏观电磁场的基本性质。其微分形式为 0 B E t D H J t D B ρ???=- ????=+??=?= (1.1) 对于各向同性介质，有 D E B H J E εμσ=== (1.2) 其中D 为电位移矢量、B 为磁感应强度、J 为电流密度矢量。 电磁场的问题就是通过边界条件求解Maxwell 方程，得到空间任何位置的电场、磁 场分布。对于规则边界条件，Maxwell 方程有严格的解析解。但对于任意形状的边界条件，Maxwell 方程只有近似解，此时应采用数值分析方法求解，如矩量法、有限元法、时域有限差分法等等。目前对应这些数值方法，有很多商业的电磁场仿真软件，如Ansoft 公司的Ensemble 和HFSS 、Agilent 公司的Momentum 和ADS 、CST 公司的Microwave Studio 以及Remcom 公司的XFDTD 等。 由矢量亥姆霍兹方程联立Maxwell 方程就得到矢量波动方程。当0,0J ρ==时，有 222200E k E H k H ?+=?+= (1.3) 其中k 为传播波数，22k ωμε=。 二、传输线理论 传输线理论又称一维分布参数电路理论，是射频、微波电路设计和计算的理论基
础。传输线理论在电路理论与场的理论之间起着桥梁作用，在微波网络分析中也相当重要。 1、微波等效电路法 低频时是利用路的概念和方法，各点有确切的电压、电流概念，以及明确的电阻、电感、电容等，这是集总参数电路。在集总参数电路中，基本电路参数为L、C、R。由于频率低，波长长，电路尺寸与波长相比很小，电磁场随时间变化而不随长度变化，而且电感、电阻、线间电容和电导的作用都可忽略，因此整个电路的电能仅集中于电容中，磁能集中于电感线圈中，损耗集中于电阻中。 射频和微波频段是利用场的概念和方法，主要考虑场的空间分布，测量参数由电压U 、电流I转化为频率f、功率P 、驻波系数等，这是分布参数电路。在分布参数电路中，电磁场不仅随时间变化也随空间变化，相位有明显的滞后效应，线上每点电位都不同，处处有储能和损耗。 由于匀直无限长的传输系统在现实中是不存在的，因此工程上常用微波等效电路法。微波等效电路法的特点是：一定条件下“化场为路”。具体内容包括： (1)、将均匀导波系统等效为具有分布参数的均匀传输线； (2)、将不均匀性等效为集总参数微波网络； (3)、确定均匀导波系统与不均匀区的参考面。 2、传输线方程及其解 传输线方程是传输线理论的基本方程，是描述传输线上的电压、电流的变化规律及其相互关系的微分方程。电路理论和传输线之间的关键不同处在于电尺寸。集总参数电路和分布参数电路的分界线可认为是l/λ≥0.05。 以传输TEM模的均匀传输线作为模型，如图1所示。在线上任取线元dz来分析(dz<<λ)，其等效电路如图2所示。终端负载处为坐标起点，向波源方向为正方向。 图1. 均匀传输线模型图2、线元及其等效电路根据等效电路，有
微波传输线的特性及应用研究 张军萍 （杭州乐荣电线电器有限公司，浙江杭州311215） 1微波概论1.1微波的特性 微波是一种高频率的电磁波，通常情况下为300MHz 至300GHz ，微波的波长很短，一般在微波频段中，其频率相对较高，而绕射能力却相对较弱，因此主要利用微波于视距范围进行信号的直线传播,也称为视距传播。微波技术的关键理论就是微波传输理论[1]。 1.2微波传输线 微波传输线是基本的微波器件，微波传输线主要用来进行微波信号、 微波能量的传递。矩形波导、圆波导、平行双线、带状线、微带线以及同轴线都是常用的微波传输线。微波传输线是一项引导电磁波沿特定方向传输的系统，所以需要满足麦克斯韦方程及导体、介质的边界条件，也就是说，需要满足的这两点条件决定了导行电磁波的传输特性以及电磁场的分布规律。 2传输线理论2.1传输线方程接有信号源、负载的传输线电路如图1所示。 图1传输线电路始端接角的正弦信号源的频率为W ，内阻为Zs ，中断的接负载阻抗则为ZL 。设定靠近信号源的终端复数电压为U ，复数电流为I ，经过线元△z 段之后，复数电压为U+△z ，复数电流为I+△z 。可以依据基尔霍夫定律获得以下公式：其中，依据式（1）、式（2）可以得到传输线基本方程：（5）将式（5）求导，得出：（6），求解后得：（7）式中得出传播常数为：，衰减常数为α，相移常数为β。经过求解，当Z=0处的电压表示为I L ，电压表示为U L ，则： （8）将式（7）求解，能够获得： （9）式中Z c 代表了传输线的特性阻抗。 2.2传输特性 （1）传播常数。这是传输线一项重要的参量，通常为复数，它与传输线分布参数关系为： （10） （2）相速。沿传输线进行电磁波传输的相速为： （11） （3）反射系数。可以将传输线上的特定一点电流、电位表示为：（12）式中的ΓZ 表示电压反射系数，反映了终端在负载状况下入射波造成的反射情况。 （4）特性阻抗。特性阻抗是指单独的电压、电流入射波的比，一般为复数，虚部和传输线损耗相关，实部对传输线上传输的能量起到了决定性的作用[2]。 3微波传输线的应用 微波测量中的微波传输线匹配情况意义重大，通常情况下对于高频信号幅度信息及传递均需要利用微波传输线，传输线驻波会影响到测量的误差。一旦传输线、负载、信号源等形成的微波测量系统中的负载不能和传输线相匹配，就会形成驻波，不但会降低传输线功率容量，还会将传输线的衰减程度增加，导致信号源频率及输出不稳定，难以获 得全部入射功率[3] 。 3.1驻波造成的测量值的影响 实际进行高频信号检测的时候，需要检测高频信号发生器输出功率、 高频衰减器、扫频仪寄生调幅系数、调制参数调幅度、超高频毫伏表等，确保这些状态良好能够对微波传输线作用的发挥起到重要作用，需 要采用适合的微波传输线实施测量。如果是频率不太高的情况下，选用BNC 传输线测量，如果频率≥200MHz 需要选用N 型同轴线测量。频率升高会带动传输线的损耗程度，驻波系数增加会引起误差增加。高频功率测量过程中，采用的传输线路不同，测量得到的结果也不 相同。传输线驻波大时会产生较大的测量功率误差。在微波测量时不同频段采用相对应的传输线，能够确保微波传输测量得到的结果具有准 确性。例如2.4mm 同轴线、平接头传输线、k 型头都是微波频段中常用的传输线[4]。如果是小传递标准的微波，电阻功分器、定向耦合器等也具有定标作用，不可忽视。采用微波网络分析仪里特有的标准校准件可确保传输系统的匹配性良好，可以将测量误差极大的降低。3.250Ω阻抗和75Ω阻抗之间的换算实际检测时候通常会遇到这样的问题，比如标准仪表多为50阻抗，电视信号源大多为75Ω阻抗，这时候阻抗显然不能匹配。通常情况下需要利用阻抗变换器换算，使之匹配，将测量问题解决。我们采用以下方法分析。图2为信号源和负载的连接示意图。图2信号源和负载的连接示意图我们对仪表端电压定度依照开路电压设定，开路接负载时，电流讲过R s 会产生压降，伴随R s R L 阻抗分压关系可以确定U 2，设定：①R s =R L =50，则：（13）（14）摘 要：微波信号由传输线长度比传输信号波长的值确定，通常情况下信号路径长度＜1/6有效波长可判定该传输线为微波信号 传输。 微波传输线是高频信号测量中一项很重要的电路装置。本文先阐述了微波的概论，并分析了传输线理论。最后分析研究了微波传输线的应用。关键词：微波传输线；特性；应用研究dI UYdz 1= dU IZdz 2= Z R jwL 3=+ Y G jwC 4=+ dI YU dz dU ZI dz ì??=??í??=????áááááád I I 0 dz d U U 0dz g g ì??-=???í??-=????á??á???á??á???I A e B e U A e B e ì?=+?í?=+??ZY j g a b ==+á??á??I A B U A B ì=+??í ?=+? ?á?á?á? á????? ?? U 1A I 2Z U 1B I 2Z A Z A B -Z B ì??=+???????=-í????=??? ?=?? j ZY R jwL G jwC g a b =+==++ á ??V D =D á?á?á?á?I I I I 1U U U U 1ì=+=-G ??í?=+=+G ?? áá? U A 20lg 20lg26d B U == á????áR U U 0.5U R R ==+22--
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key Words (1) 引言 (1) 1.微波概述 (1) 2.微波的传输 (1) 3.微波的性质 (2) 3.1穿透性 (2) 3.2选择性加热 (2) 3.3热惯性小 (3) 3.4似光性和似声性 (3) 3.5非电离性 (3) 3.6信息性 (3) 4.微波的产生 (3) 5.微波的应用 (4) 5.1微波加热 (4) 5.2雷达与通信 (4) 5.3医疗卫生 (5) 5.4微波萃取 (5) 5.5武器战争方面 (5) 结论 (6) 参考文献 (6)
微波的性质及其实际应用 摘 要：微波作为电磁波的一种，频率范围介于光波和广播电视所采用的无线电波之间，它兼有两者的性质又区别于两者，有自己的特点． 关键词：微波；波导；电磁波；微波热效应 The shallow properties and applications of microwave Abstract ： Microwave is a kind of electromagnetic wave that frequency ranges from radio waves to television waves, it has the properties and difference in both ,and has its own characteristics. Key words: microwave; waveguide; electromagnetic wave; microwave heating effect 引言 1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。随着人们对电磁波的研究逐步加深，电磁波的性质已被人们了解。作为电磁波频率波段的微波在通信，食品，医疗等方面，也得到了广泛的应用。本文就主要介绍微波的一些基本概念和应用。 1.微波概述 微波是指频率为300MHz-3000GHz 的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到0.1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波[1]”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。 2.微波的传输 微波是电磁波中的一段，因此它的规律性满足麦克斯韦方程组和介质的性能方程： ?=ρ?D 0?=?B =-t ????B E =+ t ????D H j （1） 并且D ，B ，j 满足：=εD E =μB H =γj E （2） 对于空气和导体的界面，由上述关系可以得到边界条件（左侧均为空气中场
微波的光特性 微波技术是近代发展起来的一门新兴学科，在国防、通讯、工业、农业，以及材料科学中有着广泛应用。随着社会向信息化、数字化的迈进，微波作为无线传输信息的技术手段，将发挥更为重要的作用。特别在天体物理，射电天文、宇航通信等领域，具有别的方法和技术无法取代的特殊功能。 微波有“似光性”，用可见光、X光观察到的反射、干涉和衍射现象都可以用微波再现出来，对于微波的波长为0.01m量级的电磁波，用微波设备作波动实验要显得形象、直观，更容易理解，通过观测微波的反射干涉、衍射及偏振等现象，能加深理解微波和光都是电磁波，都具有波动这一共同性。 一、微波的特性及应用 1．微波的特性 什么是微波？微波是波长很短（也就是频率很高）的电磁波，一般把波长从1 米到1毫米，频率在300—300000MHZ范围内的电磁波称作微波。广义的微波包括波长从10米到10微米（频率从30MHZ到30THZ）的电磁波。微波具有以下特点。 （1）波长短：它不同于一般的无线电波，因微波波长短到毫米,它具有类似光一样有直线传播性质。 （2）频率高：微波已成为一种电磁辐射，趋肤效应、辐射损耗相当严重。所以在研究微波问题时要采用电磁场和电磁波的概念和方法。不能采用集中参数元件。需要采用分布参数元件，如波导、谐振腔、测量线等。测量的量是驻波比，频率。特性阻抗等。 （3）量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围约为10-6～10-3eV。许多原子和分子发射和吸收的电磁波能量正好处于微波波段内，人们正是利用这
一特点研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学、量子电子学等新兴学科，并研制了量子放大器、分子钟和原子钟。 （4）能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿过地球周围的电离层，是进行卫星通信，宇航通信和射电天文学研究的一种有效手段。 基于微波具有上述特点，微波作为一门独立学科得到人们的重视，获得迅速的发展。 2．微波的应用 （1）雷达与通信 微波的早期发展与雷达密切相关：利用微波直线传播的特性，可制成军用的如超远程预警雷达，相控阵雷达。民用的气象雷达，导航雷达等。 在通信方面，微波的可用频带很宽，信息容量大，现代移动通信和卫星通信中都在微波波段。 （2）受邀辐射原理——频标、计量标准 在微波波谱学深入研究的基础上，1957年根据受激辐射原理发明了微波受激辐射放大器，即“脉塞”（MASER），这就是大家知道的量子放大器。1960年发明了光受激辐射放大器，即“莱塞”（LASER）这就是激光器。激光的发明，是本世纪科学技术上的一个重大突破，但是追根寻源，不难看出激光器的发明只是将微波技术中的（受激辐射原理）成果（量子放大器）“移植”到可见光波段的一项新成就。 量子频率标准（原子钟）是利用波谱学成就制作的精确时间频率测量设备，目前量子频标的频率稳定度和准确度已分别达到10-14和10-15的数量级，在精确测量频率的基础上，物理学理论如量子电动力学和广义相对论所预言的某些效应，兰姆（Lamb）移位，电子反常磁矩、引力“红移”和引力波等已得到验证。
微波的光学特性实验
微波的光学特性实验 2014级光电信息科学与工程李盼园 摘要 微波是一种特定波段的电磁波，其波长范围为1mm~1m。它存在明显的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。本实验主要对微波的单缝衍射、双缝干涉及布拉格衍射现象进行验证讨论。 关键词 微波、布拉格衍射、光学特性。 实验目的 1.了解微波的原理及实验装置 2.认识微波的光学特性及测量方法 3.明确布拉格公式的解释以及用微波实验系统验证该公式。 实验原理 微波是一种特定波段的电磁波，其波长范围为1mm~1m。它存在反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。但因为它的波长、频率和能量具有特殊的量值，所以它所表现出的这些性质也具有特殊性。用微波来仿真晶格衍射，发生明显衍射效应的晶格可以放大到宏观尺度（厘米量级），因此要微波进行波动实验比光学实验更直观，安全。
１.微波的单缝衍射λ 当一平面波入射到一宽度和波长可比拟的狭缝时，就要发生衍射的现象。缝后出现的衍射波强度并不是均匀的，中央最强，同时也最宽。在中央两侧的衍射波强度迅速减小，直至 出现衍射波强度的最小值，即一级极小，此时衍射角为a *sin 1λ ?-=，其中是λ波长，a 是狭 缝宽度。随着衍射角增大，衍射波强度又逐渐增大，直至出现一级极大值，角度为：)43.1(sin 1a λ ?-= 。如图２－１。 图２－１ ２.微波的双缝干涉 当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭线上，则每一条狭缝就是次级波波源。由两缝发出的次级波是相干波。当然，光通过每个缝也有衍射现象。为了只研究主要是由于来自双缝的两束中央衍射波相互干涉的结果，实验中令缝宽a 接近λ。干涉加强的角度为 )* (sin 1b a K +=-λ ?，其中K=1，2，...，干涉减弱角度为：
微波综合特性研究实验报告 报告编号：微波的特性研究微波发生器内部有一个电压可调控制的I?I0sin2??2?＝??sin? ?式中I0是中央主极大中心的微波强度，?为单缝的宽度，?是微波的波长，?为衍射角 sin?2／?2常叫做单缝衍射因子，表征衍射场内任一点微波相对强度的大小一般可通过测量衍射屏上从中央向两边微波强度变化来验证公式同时与光的单缝衍射一样，当?sin?＝????＝1，2，3，4?? 时，相应的?角位置衍射度强度为零如测出衍射强度分布如图2则可依据第一级衍射最小值所对应的?角度，利用公式，求出微波波长?3、微波的双缝干涉实验当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭缝上，狭缝就成为次级波波源由两缝发出的次级波是相干波，因此在金属板的背后面空间中，将产生干涉现象当然，波通过每个缝都有衍射现象因此实验将是衍射和干涉两者结合的结果为了只研究主要来自两缝中央衍射波相互干涉的结果，令双缝的缝宽?接近?，例如：?＝?＝4cm当两缝之间的间隔b较大时，干涉强度受单缝衍射的影响小，当b较小时，干涉强度受单缝衍射影响大干涉加强的角度为：?＝sin?1?干涉减弱的角度为：?k???? K=1，2，3……??b???＝sin?1??2k?1???? K=1，2，3…… ?2??b??4、微波的迈克尔逊干涉实
验在微波前进的方向上放置一个与波传播方向成45角的半透射半反射的分束板将入射波分成一束向金属板A传播，另一束向金属板B传播由于A、B金属板的全反射作用，两列波再回到半透射半反射的分束板，回合后到达微波接收器处这两束微波同频率，在接收器处将发生干涉，干涉叠加的强度由两束波的程差决定当?2，?3，??时，1??时，两波的相位差为2??，干涉加强；当两波的相位差为?2?＋??＝?1，则干涉最弱当A、B板中的一块板固定，另一块板可沿着微波传播方向前后移动，当微波接收信号从极小值到又一次极小值，则反射板移动了λ/2距离由这个距离就可求得微波波长图3 迈克尔逊干涉原理示意图5、微波的偏振实验电磁波是横波，它的电场强度矢量E和波的传播方向垂直如果E始终在垂直于传播方向的平面内某一确定方向变化，这样的横电磁波叫线极化波，在光学中也叫偏振光如一线极化电磁波以能量强度I0发射，而由于接收器的方向性较强，其强度I?I0cos?，其中?为P1和P2的夹角这就是光学中的马吕斯定律，在微波测量中同样适用6、模拟晶体的布拉格衍射实验布拉格衍射是用X射线研究微观晶体结构的一种方法因为X射线的波长与晶体的晶图5 晶体结构模型固体物质一般分晶体与非晶体两大类，晶体又分单晶与多晶组成晶体的原子或分子按一定规律在空间周期性排列，而多晶体是由许多单晶体的晶粒组成其中最简单的晶体结构如图5所示，在直角
微波加热原理及特点 微波原理及特点 微波是一种能量(不是热量)形式，电磁波的一种，在介质中可以转化为热量。材料对微波的反应可以分为四种情况:(1)穿透微波 (2)反射微波 (3)吸收微波 (4)部分吸收微波 介质从电结构上分为无极和有极分子电介质。通常它们无规则排列，如把它们置于交变的电场中，这些介质的极性分子取向会随电场极性的变化而变化，叫极化。外电场越强，极化作用越强，外电场极性变化越快，极化越快，分子的热运动和相邻分子间的摩擦作用也越剧烈。从而可实现电磁能向热能的转换。 由极性分子所组成的物质，能较好地吸收微波，水是吸收微波最好的介质，所以凡含水的物质必定吸收微波。另一类由非极性分子组成，它们基本上不吸收或很少吸收微波，这类物质有聚氟乙烯、聚丙烯等塑料制品和玻璃、陶瓷等，它们能透过微波，而不吸收微波，这类材料可作为微波加热用的容器或支承物，或做微波密封材料。对于导电的金属材料，电波不能透入内部而被反射，金属材料不能吸收微波。微波加热原理: 通常，能加工领域中所处理的材料大多是介质材料，而介质材料由极性分子和非极性分子组成，都能不同程度地吸收微波。介质材料与微波电磁场相互耦合，会形成各种功率耗散从而达到能量转化的目的。能量转化的方式有许多种，如离子传导、偶极子转动、界面极化、磁滞、压电现象、电致伸缩、核磁共振、铁磁共振等，其中离子传导和偶极子转动是微波加热的主要原理。 微波加热是依靠物料吸收微波能并将其转换成热能，从而使物料本身整体同时升温的加热方式。常用的微波频率有915MHz和2450MHz。由于具有高频特性，微波电磁场以数十亿次/秒的惊人速度进行周期性变化，物料中的极性分子(典型的如
北京邮电大学 电磁场与微波测量实验 学院：电子工程学院 班级：2013211203 组员： 组号：第九组
实验六 用谐振腔微扰法测量介电常数 微波技术中广泛使用各种微波材料，其中包括电介质和铁氧体材料。微波介质材料的介电特性的测量，对于研究材料的微波特性和制作微波器件，获得材料的结构信息以促进新材料的研制，以及促进现代尖端技术(吸收材料和微波遥感)等都有重要意义。 一、 实验目的 1． 了解谐振腔的基本知识。 2． 学习用谐振腔法测量介质特性的原理和方法 二、 实验原理 本实验是采用反射式矩形谐振腔来测量微波介质特性的。反射式谐振腔是把一段标准矩形波导管的一端加上带有耦合孔的金属板，另一端加上封闭的金属板，构成谐振腔，具有储能、选频等特性。 谐振条件：谐振腔发生谐振时，腔长必须是半个波导波长的整数倍，此时，电磁波在腔内连续反射，产生驻波。 谐振腔的有载品质因数QL 由下式确定： 2 10 f f f Q L -= 式中：f0为腔的谐振频率，f1，f2分别为半功率点频率。谐振腔的Q 值越高，谐振曲线越窄，因此Q 值的高低除了表示谐振腔效率的高低之外，还表示频率选择性的好坏。 如果在矩形谐振腔内插入一样品棒，样品在腔中电场作用下就会极化，并在极化的过程中产生能量损失，因此，谐振腔的谐振频率和品质因数将会变化。
图1 反射式谐振腔谐振曲线 图2 微找法TE10n 模式矩形腔示意图 电介质在交变电场下，其介电常数ε为复数，ε和介电损耗正切tan δ可由下列关系式表示： εεε''-'=j ， εεδ'' '= tan ， 其中：ε，和ε，，分别表示ε的实部和虚部。 选择TE10n ，(n 为奇数)的谐振腔，将样品置于谐振腔内微波电场最强而磁场最弱处， 即x ＝α／2，z ＝l ／2处，且样品棒的轴向与y 轴平行，如图2所示。 假设： 1．样品棒的横向尺寸d(圆形的直径或正方形的边长)与棒长九相比小得多(一般 d ／h<1／10)，y 方向的退磁场可以忽略。 2．介质棒样品体积Vs 远小于谐振腔体积V0，则可以认为除样品所在处的电磁场发生变化外，其余部分的电磁场保持不变，因此可以把样品看成一个微扰，则样品中的电场与外电场相等。 这样根据谐振腔的微扰理论可得下列关系式