下载文档原格式
微波电路及设计的基础知识1. 微波电路的基本常识2. 微波网络及网络参数3. Smith圆图4. 简单的匹配电路设计5. 微波电路的电脑辅助设计技术及常用的CAD软件6. 常用的微波部件及其主要技术指标7. 微波信道分系统的设计、计算和指标分配8. 测试及测试仪器9. 应用电路举例微波电路及其设计1.概述所谓微波电路，通常是指工作频段的波长在10m～1cm(即30MHz～30GHz)之间的电路。
此外，还有毫米波〔30～300GHz〕及亚毫米波〔150GHz～3000GHz〕等。
实际上，对于工作频率较高的电路，人们也经常称为“高频电路”或“射频〔RF〕电路”等等。
由于微波电路的工作频率较高，因此在材料、结构、电路的形式、元器件以及设计方法等方面，与一般的低频电路和数字电路相比，有很多不同之处和许多独特的地方。
作为一个独立的专业领域，微波电路技术无论是在理论上，还是在材料、工艺、元器件、以及设计技术等方面，都已经发展得非常成熟，并且应用领域越来越广泛。
另外，随着大规模集成电路技术的飞速发展，目前芯片的工作速度已经超过了1GHz。
在这些高速电路的芯片、封装以及应用电路的设计中，一些微波电路的设计技术也已得到了充分的应用。
以往传统的低频电路和数字电路，与微波电路之间的界限将越来越模糊，相互间的借鉴和综合的技术应用也会越来越多。
2.微波电路的基本常识2.1 电路分类2.1.1 按照传输线分类微波电路可以按照传输线的性质分类，如：图1 微带线图2 带状线图3 同轴线图4 波导图5 共面波导2.1.2 按照工艺分类微波混合集成电路：采用别离组件及分布参数电路混合集成。
微波集成电路〔MIC〕：采用管芯及陶瓷基片。
微波单片集成电路〔MMIC〕：采用半导体工艺的微波集成电路。
图6微波混合集成电路例如图7 微波集成电路〔MIC〕例如图8微波单片集成电路〔MMIC〕例如2.1.3 微波电路还可以按照有源电路和无源电路分类。
北京邮电大学电磁场与微波测量实验报告实验六 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： 210f 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tanδ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 ＝／2处，且样品棒的轴向与y 轴平行，如图2所示。
l 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。
微波基本参数的测量一、实验目的1、了解各种微波器件；2、了解微波工作状态及传输特性；3、了解微波传输线场型特性；4、熟悉驻波、衰减、波长（频率）和功率的测量；5、学会测量微波介质材料的介电常数和损耗角正切值。
二、实验原理微波系统中最基本的参数有频率、驻波比、功率等。
要对这些参数进行测量，首先要了解电磁波在规则波导内传播的特点，各种常用元器件及仪器的结构原理和使用方法，其次是要掌握一些微波测量的基本技术。
１、导行波的概念：由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。
导行波的电场E 或磁场H 都是x 、y 、z 三个方向的函数。
导行波可分成以下三种类型：(A) 横电磁波（TEM 波）：TEM 波的特征是：电场E 和磁场H 均无纵向分量，亦即： 0=Z E ,0=Z H 。
电场E 和磁场H ，都是纯横向的。
TEM 波沿传输方向的分量为零。
所以，这种波是无法在波导中传播的。
(B) 横电波（TE 波）：TE 波即是横电波或称为“磁波”（H 波），其特征是0=Z E ,而0≠Z H 。
亦即：电场E 是纯横向的，而磁场H 则具有纵向分量。
(C) 横磁波（TM 波）：TM 波即是横磁波或称为“电波”(E 波)，其特征是0=Z H ，而0≠Z E 。
亦即：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”。
矩形波导中，既能传输mm TE 波，又能传输mm TM 波（其中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、波导管：波导管是引导微波电磁波能量沿一定方向传播的微波传输系统，有同轴线波导管和微带等，波导的功率容量大，损耗小。
常见的波导管有矩形波导和圆波导，本实验用矩形波导。
矩形波导的宽边定为x 方向，内尺寸用a 表示。
窄边定为y 方向，内尺寸用b 表示。
10TE 波以圆频率ω自波导管开口沿着z 方向传播。
在忽略损耗，且管内充满均匀介质（空气）下，波导管内电磁场的各分量可由麦克斯韦方程组以及边界条件得到：()sin()j t z o y x E je ωβωμππα-=-， ()sin()j t z o x x H j e ωβμαππα-= ()cos()j t z z x H e ωβπα-=， x y z E E E ==，2g πβλ=其中，位相常数g λ=c f λ=。
介电常数常用测量方法综述一、引言介电常数是介质的电学性质之一，它是介质相对真空的电容率。
介电常数大小与物质分子极化程度有关，不同物质的介电常数也不同。
测量物质的介电常数是了解其电学性质和结构特征的重要手段。
本文将综述几种常用的介电常数测量方法。
二、静态法测量介电常数静态法是通过在外加恒定直流电场下测量材料两个平行板间的电容值，从而得到材料的介电常数。
实验中需注意控制温度、湿度等环境因素对实验结果影响。
三、交流桥法测量介电常数交流桥法是通过在高频交流场下测量样品与参考物两者间阻抗差值，进而得到样品的介电常数。
这种方法适用于高频范围内（10Hz~1GHz）。
四、微波共振法测量介电常数微波共振法利用谐振腔和微波源产生强烈的高频场，使样品受到较大激励后发生共振现象，通过调节谐振腔频率和检测信号的相位来测量样品的介电常数。
由于微波共振法具有快速、准确、非破坏性等优点，因此在材料科学研究中得到广泛应用。
五、时域反射法测量介电常数时域反射法是利用高速数字化技术和脉冲发生器，将脉冲信号传输到被测样品上，通过接收反射波的时间延迟和振幅变化来计算样品的介电常数。
该方法适用于介电常数较小（<5）的材料。
六、磁共振法测量介电常数磁共振法是一种非侵入性、无损伤性的方法，通过检测样品在强磁场下核自旋共振现象来测量其介电常数。
该方法适用于液体和固体材料。
七、总结不同的介电常数测量方法各具优缺点，选择合适的方法需要根据实际情况进行综合考虑。
在实验过程中需注意控制环境因素对实验结果影响，并重视数据处理和分析。
一种测量微波介质基板复介电常数的方法吴秉琪;刘长军【摘要】为了测量微波介质基板的复介电常数,提出了一种基于微带线测量的方法.通过使用微带线相关理论模型和电磁场仿真软件计算微带线辐射损耗,编写相应的计算机程序可以测得微波介质基板的复介电常数.在测量中,通过使用除长度外其他参数均相同的2条微带线的测量数据进行计算,减弱了由于实际测量中引入同轴接头而产生的测量误差.对多种常见的微波介质基板进行了测量,结果表明:与标称值相比,介电常数实部误差为1％左右,损耗角正切误差为10％左右,该测量方法切实可行和精确性高.【期刊名称】《应用科技》【年(卷),期】2018(045)004【总页数】4页(P100-103)【关键词】微带线;印刷电路板;微波测量;介电常数测量;损耗角正切;辐射损耗;有效介电常数;宽频带测量【作者】吴秉琪;刘长军【作者单位】四川大学电子信息学院,四川成都610004;四川大学电子信息学院,四川成都610004【正文语种】中文【中图分类】TN972介电常数和损耗角正切是介质基板的重要参数，在天线设计[1-2]与微波电路设计[3-4]中,微波介质基板的介电常数对其性能指标有重要影响。
许多学者已经进行了广泛和深入的研究以测量这2个参数[5-9]。
通过使用2段微带线测量介质基板的介电常数的方法，在文献[10]中最先提出，并用来测量介质基板的实介电常数。
与各种谐振法相比，使用该方法的优点为：减弱了在实际测量中由于使用同轴接头造成的测量误差；可以方便地测量随频率和位置变化而变化的介电常数；可以测量在1个频带范围内的介电常数，即测量是宽带的。
为了实现从测量数据到介质基板介电常数的转化，文献[10]使用了针对多层板的广义频域格林函数法。
本文使用了描述微带线工作特性的精确模型，建立了有效介电常数与介电常数之间的关系，通过编制计算机程序，可以快速准确地求解得到介质基板的介电常数。
本文对使用2条微带线测量实介电常数的方法进行了推广，使其可以用来测量介质基板的损耗角正切值。
带状线法测量微波材料的复介电常数张文喜;郑庆瑜;郑彩平【摘要】精确测量低损耗微波材料的复介电常数十分重要.利用带状线法测量微波介质基板常温和变温的复介电常数,得到了高精度的测试结果.结果表明了用带状线法测量低损耗微波介质基板复介电常数的有效性和准确性.还分析了带状线测试方法中产生的误差和应该注意的事项.【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年(卷),期】2014(009)002【总页数】5页(P136-139,144)【关键词】变温测试;带状线法;复介电常数;复合介质【作者】张文喜;郑庆瑜;郑彩平【作者单位】中国电子科技集团公司第46研究所,天津300220;中国电子科技集团公司第46研究所,天津300220;中国电子科技集团公司第46研究所,天津300220【正文语种】中文【中图分类】TM250 引言电子产业正在向高频化，宽工作频带，高传输速度方向发展，该趋势促进了高频微波材料的发展，同时也对微波介质材料提出了更为苛刻的要求。
众所周知在高频下电路信号的传输速度与介电常数有直接的关系，而信号的传输损失与介质损耗角正切成正比。
这些都表明准确测量微波材料在高频下的介电常数和介质损耗角正切十分必要。
介质材料的电磁参数测试方法主要分为网络参数法和谐振法［1］。
两种方法各有优缺点。
网络参数法能测试高损耗材料的复介电常数且能实现连续扫频测试，此外测试夹具加工相对简单，成本较低。
缺点是对低损耗材料的损耗测量精度不高。
谐振法适用于低损耗材料复介电常数的测试，测试结果比较精确。
但其测试频率受到腔体谐振频率的限制，若要实现宽频带的测试就要选用多模测试，并且相邻谐振模式间的频率间隔不能过大。
在多模测量过程中容易受到杂模的干扰，这是谐振法在测试过程中的一大难点。
采用带状线谐振法对低损耗覆铜板进行了复介电常数的常温和变温测试，得到高精度的结果，对测试中产生的误差进行了详细分析，提出了测试过程中应注意的事项。
1 实验部分1.1 测试原理带状线是由两块相距为b的接地板与中间宽度为W、厚度为t的矩形截面导体带构成，如图1所示。
材料微波介电常数和磁导率测量材料的微波介电常数和磁导率是描述材料对微波信号的响应的重要参数。
测量这些参数可以帮助我们了解材料的电磁特性，并为微波技术的应用提供依据。
本文将介绍材料微波介电常数和磁导率的测量方法和原理，并讨论一些常见的测量技术和仪器。
首先，我们来简单介绍一下微波介电常数和磁导率的概念。
微波介电常数是材料在微波频率下的相对介电常数，它描述了材料对电磁波的响应能力。
而微波磁导率则描述了材料对磁场的响应能力。
这两个参数的大小和频率有关，通常在频率范围内都会有变化。
下面我们将介绍一些常见的测量方法和技术。
1.微波谐振腔法：这是一种常用的测量微波介电常数和磁导率的方法。
它基于材料在谐振腔中的反射和透射特性来测量参数。
通过调整腔体的尺寸，可以使谐振频率与待测样品的特性参数相吻合，从而测量其介电常数和磁导率。
2.微波光纤法：这是一种用光纤作为传输介质的测量方法。
通过将光纤与待测材料接触，测量光纤中微波信号的传输特性，可以得到材料的介电常数和磁导率。
3.微波传输线法：这种方法是通过测量待测样品中微波信号传输的衰减和相位变化来获得所需参数。
通过测量微波信号在传输线上的传播特性，可以得到材料的介电常数和磁导率。
4.谐振法：这是一种通过测量材料的谐振特性来获得微波介电常数和磁导率的方法。
通过测量材料在谐振频率附近的谐振响应，可以计算材料的参数。
以上只是一些常见的测量方法和技术，随着科研和技术的发展，新的测量方法和技术也在不断涌现。
当然，不同的测量方法和技术适用于不同的材料和频率范围，需要根据具体的应用需求进行选择。
目前，商业化的仪器和设备也可用于材料微波介电常数和磁导率的测量。
这些设备通常具有较高的测量精度和可靠性，并可适用于不同的材料和频率范围。
一些常见的商业化设备包括矢量网络分析仪、磁场扫描仪、研磨杆和衰减杆等。
总之，材料微波介电常数和磁导率的测量是研究材料电磁特性和应用微波技术的重要手段。
通过合适的测量方法和技术，可以获得准确的参数值，并提供科学研究和工程应用的数据支持。
实验11.3 材料微波介电常数和磁导率测量一、引言隐身技术是通过控制、降低目标的可探测信号特征，使其不易被微波、红外、可见光、声波等各种探测设备发现、跟踪、定位的综合技术。
其中，微波隐身（或称雷达波隐身）的研究早在20世纪30年代就开始了。
现在已发展成集形状隐身、材料隐身等一体的高度复杂的技术，并已应用到导弹、飞机、舰船、装甲车辆、重要军事设施等许多武器装备上。
雷达隐身技术中，最简单的一种是涂覆型隐身技术。
它是将吸波材料直接以一定的厚度涂覆在外壳以降低对微波的反射，减小雷达探测截面，提高隐身能力。
而材料的微波介电常数和导弹磁率与吸波性能有关，本实验用开关短路法对其进行测量。
二、实验目的1. 了解和掌握微波开路和短路的含意和实现方法。
2. 掌握材料微波介电常数和磁导率的原理和方法。
3. 了解微波测试系统元部件的作用。
三、实验原理对于涂覆在金属平板（假定其为理想导体，下同）表面的单层吸波材料，空气与涂层界面处的输入阻抗为()d Z Z γεμγγth 0= 其中Ω==37700εμZ 是自由空间波阻抗，γ是电磁波在涂层中的传播常数，d 是吸收波涂层厚度，μγ，εγ分别为涂层的相对磁导率和相对介电常数。
当电磁波由空气向涂层垂直入射时，在界面上的反射系数为：Z Z Z Z Γ+-=以分贝（dB ）表示的功率反射率为：R =20lg|Γ|对多层涂覆，电磁波垂直入射到第n 层时，其输入阻抗为：()()n n n n n n n n nn d Z d Z Z γηγηηth th 11--++= 其中，()()n n n nn εεμμη''-'''-'=j j 是第n 层的特征阻抗， ()()n n n nn cεεμμωγ''-'''-'=j j j是第n 层的传播常数，d n 为第n 层的厚度，Z n -1为第n -1层入射面的输入阻抗。
介电常数的测试方法介电常数的测试方法介电常数（dielectric constant，k）是指介电介质中电场强度和电势的比值，它是一个重要的参数，对电子元件工作有着重要的影响。
以下是介电常数的测试方法：一、常用的介电常数测量仪1、电磁场仪：电磁场仪可以测量介质中的垂直电场强度，从而得到介电常数，但它有一定的精度限制，如测量精度只有10kV/m。
2、微波仪：这是一种测量介电介质介电常数的仪器，它可以通过微波电磁测量来测量介电介质的介电常数，其精度高达10-3。
3、介质折射率仪：它可以测量介质折射率，从而确定介电介质的介电常数，但是其精度也不太高，一般只能达到10-2。
4、驻波比测量仪：它通过测量驻波比来求出介质的介电常数，它具有很高的精度，可以达到10-4。
二、常用的介电常数实验1、电容器实验：通过一定的电压打在一个电容器上，求电容器的容量，从而可以求出介电介质的介电常数。
2、阻抗实验：通过在介电介质中放置一个阻抗元件，再用频谱分析仪测量频率，从阻抗元件的抗谐振特性来求出介质的介电常数。
3、电场强度实验：通过在介质中放置一个电场强度传感器，在电场强度场中求出介质的介电常数。
4、多普勒实验：通过在介质中设置一个多普勒实验装置，通过控制电源来测量多普勒效应，从而求出介电介质的介电常数。
三、其他测试方法1、介电弹簧实验：通过介电弹簧实验来求出介电介质的介电常数。
2、有限元分析：通过有限元分析法来求出介电介质的介电常数，但需要一定的计算机知识。
3、量子力学实验：通过量子力学实验来测量介质的介电常数，但这一实验方法的准确性和精度仍然是有局限性的。
介电常数的测试方法十分多样，确定介电常数时要根据不同的环境、需求等选取不同的测量仪器和实验方法，以准确测量介电介质的介电常数。
微波辐射测量基础知识（为方便查询，以词条的形式展现）一、引论1、微波：频率为300MHz-300GHz的电磁波，即波长在1m(不含1m)到1mm之间的电磁波。
2、微波辐射测量学：又称为被动微波遥感，是关于微波频段内非相干辐射电磁能量的一门科学和技术。
3、遥感应用微波的三个理由：（1）微波具有穿透云层和在某种程度上穿透雨区的能力，不依赖于太阳作为辐射源；（2）比光波能更深入地穿入植被；（3）用微波可得到与用可见光、红外波段可得到的信息不同。
三者结合运用，能更好更全面地分析研究对象。
二、被动微波遥感的电磁学基础1、电导率：是电阻率的导数σ=1/ρ。
其物理意义表示物质导电的性能，电导率越大，导电性能越强。
2、介电常数：又称电容率，符号ε。
介电常数是被动微波遥感的一个重要物理参数。
特此做详尽说明。
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为相对介电常数(permittivity),又称相对电容率，以εr表示。
则介质介电常数ε=εrε0，其中，ε0是真空绝对介电常数。
对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。
在一些工具书或学术文献上的解释：指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。
介电常数愈小绝缘性愈好。
空气和CS2的ε值分别为1.0006和2.6左右，而水的ε值特别大，10℃时为 83.83。
3、波阵面：空间相位相同的点构成的曲面，即等相位面。
4、平面波：等相位面为无限大平面的电磁波。
5、均匀平面波：等相位面上电场和磁场的方向、振幅都保持不变的平面波。
其电场强度和磁场强度都垂直于波的传播方向（TEM 波）。
6、电磁波的三种重要模式：7、时谐电磁场：如果场源以一定的角频率随时间呈时谐（正弦或余弦）变化，则所产生电磁场也以同样的角频率随时间呈时谐变化。
这种以一定角频率作时谐变化的电磁场，称为时谐电磁场或正弦电磁场。
平行板谐振法测量微波介质介电常数性能其中，J 和k 分别为第一类Bessel 函数和修正Bessel 函数, 通过（3）可以求出k ci （采用数值方法，matlab 程序见附录）DXDiTa9E3dspecunon■ 1' -r//////////?二•实验过程测量地参数如下:L = 8.01mm, D = 14.06mm f0 = 4.421401GHz根据（1） -- （4）式，可以求岀；r值，计算地值如下:图 iPost Resonance Technique实验测试装置如图i ,测试样品为圆柱状，放置在两个平行地金属板中，微波功率通过由样品和两个平行金属板组成地腔 体耦合.输入和输岀通过两个天线耦合.在某一频率下，该腔体地 阻抗达到最小，即产生谐振，此时穿过地功率最大 .该腔体地谐振特性可以通过一个矢量网络分析仪来得到直观显 示.b5E2RGbCAP实际测量中，常用TE011模来确定样品地介电性质•因为本 测试装置可以在矢量网络分析仪上产生许多不同模式地谐振 峰，本实验采用TE 011谐振模式（处于第二低地谐振频率处， 最低地谐振频率是HE 仆模式）0EanqFDPw/. 0 =68 mmk c0 =381.20 k& =426.34■. r =39.14计算过程见附录.三•讨论本实验并未讨论损耗角及品质因数地测量，随之地辐射损 耗及电损耗并未讨论.采用此方法，不能精确测量平行板地表面 阻抗［1］，损耗角地测量也不准确；其次，样品地尺寸要求较大， 若对于单晶体，很难制造［1］.可参考文献［2］，有具体地改进方法 本方案地主要优势是计算地公式较完善，且很可靠 .也因此，此方案仍被采用.RTCrpUDGiT本实验主要讨论介电常数地测量，至于电解质损耗和辐射 损耗不做讨论.采用本测试方法地主要优势是需要测量地参数有，样品厚度L 、样品直径D （ D=2a ）和谐振频率f 0电介常数可以通过以下公式计算得到:[1] Sheen J 2005 Study of microwave dielectric properties measurements by variousresonance techniques 5PCzVD7HxA Measurement 37 123-30jLBHrnAILg[2] Sheen J 2008 A dielectric resonator method of measuring dielectric propertiesof low loss materials in the microwave region xHAQX74J0XIOP Science Measurement Science and Technology附录% Author:高永振Date ： 2012-5-3(2)J okci aJ i k d ak c0a Ko (kc0a)k ci a K i k co a(3)(4)^%*****************************************************LDAYtRyKfE%******************* post Resonance Technique****************************“微波测量之特别培养实验课”********一.平行板谐振法测试原理参考文献(i)clear all;%谐TE011模振频率单位HZ%自由空间光速%波长%圆柱介质长度，单位mD = 14.06e-3; %圆柱介质地直径，单位ma = D/2;k_c0 = (2*pi/lambda0)*sqrt((lambda0/2/L)A2 - 1);%以下采用”牛顿迭代法"求解k_ci地值syms k_ci;eps = 1e-6; %精度要求y = besselj(0,k_ci*a).*k_ci.*besselk(1,k_c0*a) +besselj(1,k_ci*a).*... dvzfvkwMIlk_c0*besselk(0,k_c0*a);yy = diff(y,k_ci);k_ci = 420; %赋一迭代初值k_ci1 = k_ci - subs(y,k_ci)./subs(yy,k_ci);while(abs(k_ci1 - k_ci)>=eps)k_ci = k_ci1;k_ci1 = k_ci - subs(y,k_ci)./subs(yy,k_ci);end%最终待求量epsilon」=(lambda0/2/pi)A2*(k_ci A2 + k_c0A2) + 1版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理•版权为个人所有This article includes some parts,in cludi ng text, pictures, and desig n.Copyright is pers onal OWn ership. rqyn14ZNXI用户可将本文地内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及其他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律地规定，不得侵犯本网站及相关权利人地合法权利.除此以外，将本文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权利人地书面许可，并支付报酬.EmxvxOtOcoUsers may use the contents or services of this article for personal study, research or appreciation, and other non-commercial or non-profit purposes, but at the same time, they shall abide by the provisi ons of copyright law and other releva nt laws, and shall not infringe upon the legitimate rights of this website and its releva nt obligees. In additi on, when any content or service of this article is used for other purposes, writte n permissi on and remun erati on shall be obta ined from the pers on concerned and the releva ntobligee. SixE2yXPq5转载或引用本文内容必须是以新闻性或资料性公共免费信息为使用目地地合理、善意引用，不得对本文内容原意进行曲解、修改，并自负版权等法律责任.6ewMyirQFLReproduction or quotation of the content of this article must be reas on able and good-faith citati on for the use of n ews or in formative public free information. It shall not misinterpret or modify the originalformat long;%实验地基本参数fO = 4.421401e9;c = 3e8;lambdaO = c/fOL = 8.01e-3;inten tio n of the content of thisarticle, and shall bear legalliability such as copyright. kavU42VRUs。
北京邮电大学电磁场与微波测量实验报告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：210f 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：，，j 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 ＝／2处，且样品棒的轴向与y 轴平行，如图2所示。
l 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。
实验五微波实验微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。
从图1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。
与无线电波相比，微波有下述几个主要特点图1 电磁波的分类1．波长短(1m —1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。
2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9一10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。
另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。
3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。
4．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。
人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。
(北京大华无线电仪器厂)5．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。
实验五微波实验微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。
从图1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。
与无线电波相比，微波有下述几个主要特点图1 电磁波的分类1．波长短(1m —1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。
2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9一10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。
另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。
3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。
4．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。
人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。
(北京大华无线电仪器厂)5．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。
综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。
微波实验是近代物理实验的重要组成部分。
实验目的1.学习微波的基本知识；2.了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术；3.学习用微波作为观测手段来研究物理现象。
微波基本知识一、电磁波的基本关系描写电磁场的基本方程是：ρ=⋅∆D ， 0=⋅∆Bt B E ∂∂-=⨯∆，tD j H ∂∂+=⨯∆ ⑴ 和E D ∂=， H B μ=， E j γ=。
⑵方程组⑴称为Maxwell 方程组，方程组⑵描述了介质的性质对场的影响。
对于空气和导体的界面，由上述关系可以得到边界条件(左侧均为空气中场量)0=t E ，on E εσ=， ⑶i H t = ，0=n H 。
方程组⑶表明，在导体附近电场必须垂直于导体表面，而磁场则应平行于导体表面。
二、矩形波导中波的传播在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，而必须改用微波传输线。
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多种形式的传输线，本实验用的是矩形波导管，波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线。
根据电磁场的普遍规律——Maxwell 方程组或由它导出的波动方程以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有两大类波能够在矩形波导中传播：①横电波又称为磁波，简写为TE 波或H 波，磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。
②横磁波又称为电波，简写为TM 波或E 波，电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。
在实际应用中，一般让波导中存在一种波型，而且只传输一种波型，我们实验用的TE 10波就是矩形波导中常用的一种波型。
1．TE 10型波在一个均匀、无限长和无耗的矩形波导中，从电磁场基本方程组⑴和⑵出发，可以解得沿z 方向传播的TE 10型波的各个场分量为)()sin(z t j x e a x a j H βωππβ-=， 0=y H ， )()cos(z t j z e ax a j H βωππβ-= 0=x E ， )(0)s i n (z t j y e a x a jE βωππωμ--=， 0=z E ， ⑷ 其中：ω为电磁波的角频率，f πω2=，f 是微波频率；a 为波导截面宽边的长度；β为微波沿传输方向的相位常数β=2π/λg ；λg 为波导波长，2)2(1a g λλλ-= 图2和式⑷均表明，TE 10波具有如下特点：①存在一个临界波长λ＝2α，只有波长λ<λC 的电磁波才能在波导管中传播②波导波长λg >自由空间波长λ。
③电场只存在横向分量，电力线从一个导体壁出发，终止在另一个导体壁上，并且始终平行于波导的窄边。
④磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线。
⑤电磁场在波导的纵方向(z)上形成行波。
在z 方向上，Ey 和Hx 的分布规律相同，也就是说Ey 最大处Hx 也最大，Ey 为零处Hx 也为零，场的这种结构是行波的特点。
图 2 TE 10波的电磁场结构（a ）,（b ）,(c) 及波导壁电流分布(d)2．波导管的工作状态如果波导终端负载是匹配的，传播到终端的电磁波的所有能量全部被吸收，这时波导中呈现的是行波。
当波导终端不匹配时，就有一部分波被反射，波导中的任何不均匀性也会产生反射，形成所谓混合波。
为描述电磁波，引入反射系数与驻波比的概念，反射系数Γ定义为φj i r e E E Γ==Γ/。
驻波比ρ定义为：minmax E E =ρ 其中：max E 和m in E 分别为波腹和波节 图 3（a ）行波,（b ）混合波,(c)驻波 点电场E 的大小。
不难看出：对于行波，ρ=1；对于驻波，ρ=∞；而当1<ρ<∞,是混合波。
图3为行波、混合波和驻波的振幅分布波示意图。
常用微波元件及设备简介1．波导管：本实验所使用的波导管型号为BJ —100，其内腔尺寸为α＝22.86mm ，b ＝10．16mm 。
其主模频率范围为8．20～12．50GHz ，截止频率为6．557GHz 。
2．隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性(见图4)。
隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。
3．衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成(见图5)，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。
衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。
图 4 隔离器结构示意图 图5 衰减其结构示意图4．谐振式频率计（波长表）：图6 a 谐振式频率计结构原理图一 图6 b 谐振式频率计结构原理图二1. 谐振腔腔体 1. 螺旋测微机构2. 耦合孔 2. 可调短路活塞3. 矩形波导 3. 圆柱谐振腔4. 可调短路活塞 4. 耦合孔5. 计数器 5. 矩形波导6. 刻度7. 刻度套筒电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。
当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。
(图6a) 或从刻度套筒直接读出输入微波的频率(图6b)。
两种结构方式都是以活塞在腔体中位移距离来确定电磁波的频率的，不同的是，图6a读取刻度的方法测试精度较高，通常可做到5×10－4，价格较低。
而见图6b直读频率刻度，由于在频率刻度套筒加工受到限制，频率读取精度较低，一般只能做到3×10－3左右且价格较高。
5．驻波测量线：驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。
在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。
由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。
6．晶体检波器：从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调节其短路活塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率。
7．匹配负载：波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。
8．环行器：它是使微波能量按一定顺序传输的铁氧体器件。
主要结构为波导Y形接头，在接头中心放一铁氧体圆柱(或三角形铁氧体块)，在接头外面有“U”形永磁铁，它提供恒定磁场H0。
当能量从1-端口输入时，只能从2端口输出，3端口隔离，同样，当能量从2端口输入时只有3端口输出，1端口无输出，以此类推即得能量传输方向为1→2→3→1的单向环行(见图7)。
图7 Y行环形器图8 单螺调配器示意图9．单螺调配器：插入矩形波导中的一个深度可以调节的螺钉，并沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝作纵向移动，通过调节探针的位置使负载与传输线达到匹配状态(见图8)。
调匹配过程的实质，就是使调配器产生一个反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射而达到匹配。
10．微波源：提供所需微波信号，频率范围在8．6～9．6GHz内可调，工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。
11．选频放大器：用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，经整流平滑后由输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。
12．特斯拉计(高斯计)：是测量磁场强度的一种仪器，用它可以测量电磁铁的电流与磁场强度的对应关系。
一、微波测量系统及驻波比的测量由于微波的波长很短，传输线上的电压、电流既是时间的函数，又是位置的函数，使得电磁场的能量分布于整个微波电路而形成“分布参数”，导致微波的传输与普通无线电波完全不同。
此外微波系统的测量参量是功率、波长和驻波参量，这也是和低频电路不同的。
1.1 实验目的1．了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用。
2．掌握驻波测量线的正确使用和用驻波测量线校准晶体检波器特性的方法。
3．掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法。
1.2 实验原理探测微波传输系统中电磁场分布情况，测量驻波比、阻抗、调匹配等，是微波测量的重要工作，测量所用基本仪器是驻波测量线(见图9)。
测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。
开槽波导中的场由不调谐探头取样，探头的移动靠滑架上的传动装置，探头的输出送到显示装置，就可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息。
测量线外形如图9A:图9A: DH364A00型3cm测量线外形测量线波导是一段精密加工的开槽直波导,此槽位于波导宽边的正中央，平行于波导轴线，不切割高频电流，因此对波导内的电磁场分布影响很小，此外，槽端还有阶梯匹配段，两端法兰具有尺寸精确的定位和连接孔，从而保证开槽波导有很低的剩余驻波系数。
