微波传输特性的基础知识

微波传输特性的基础知识

“微波”通常是指波长在1m —1mm 的电磁波，对应的频率范围为：300MHz

—300GHz ，它介于无线电波和红外线之间，又可分为分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波。

微波与低频电磁波一样，具有电磁波的一切特性，但由于微波的波长较短、频率高因此又具有许多独特的性质，主要表现在：

1、 描述方法：由于电磁波的波长极短，与使用的元件和设备的尺寸可以相比拟，在低频段由于能量集中其传播性质用“路”的概念来描述，使用的元件称为集中参数元件（电阻、电容、电感等）；而微波的传播应利用“场”的概念来处理，使用的元件为分布参数元件（波导管、谐振腔等）。因此低频电路的电流、电压、电阻等不再适用，而是采用等效方法处理；微波测量则以功率、波长、阻抗取代了电流、电压、电阻等。

2 、产生方法：微波的周期在10-9—10-12s 与电子管内电子的渡越时间（约为

10

-9

s ）相近，因此微波的产生和放大不能再使用普通的电子器件，取而代之的是

结构和原理完全不同的微电子元件——速调管、磁控管、行波管及微波固态器件。 3、 光似性：由于微波介于无线电波和红外线之间，因此不仅具有无线电波的性质同时具有光波的性质：以光速直线传播、反射、折射、干涉、衍射等。 4、 能量强：由于微波的频率高，故可用频带宽、信息容量大，且能穿透大气层因此可广泛用于卫星通讯、卫星广播电视、宇宙通讯和射天天文学的研究。

由于微波的这些特性，使微波在通信、雷达、导航、遥感、天文、气象、工业、农业、医疗、以及医学等方面得到广泛应用。

一、 微波元件简介

1. 固态振荡器（固态信号源）

微波振荡器（信号源）是产生微波信号的装置，常见的有磁控管振荡器、速调管振荡器和固态振荡器几种。磁控管振荡器功率大体积大，常用来提供大功率信号；速调管振荡器结构简单、使用方便，但效率低一般只有0.5%—2.5%，输出功率小一般在，因此比较适合实验室使用。固态振荡器则是一种较新型的信号源，可分为微波晶体管振荡器、体效应管振荡器、雪崩二极管振荡器等。固态振荡器

振荡频率高最高振荡频率可达几百千兆；输出功率最大可达几十瓦以上，脉冲功率可达几千瓦；支流功率转换为微波功率较高，最高可达50%以上。这里主要介绍实验室常用的由体效应二极管振荡器。

1963年美国国际商业机器公司发现的J ⋅B ⋅Gun ，砷化镓和磷化铟等材料的薄层具有负阻特性，因而无需P-N 接即可产生微波振荡，它的工作原理与通常由P-N 节组成的半导体器件不同，它不是利用载流子在P —N 内运动特性，而是利用载流子在半导体内的体内体内运动特性，是靠砷化镓材料“体”内的一种物理效应（负阻效应）所以称为体效二极管或耿氏管（Gun 管）。

体效应二极管由截止式衰减器以及用来调制微波脉冲幅度的PIN 调制器组成。实验室常用的3cm 固态信号源的频率调节范围大约 8.6一9.6GHz 。

体效应振荡器是微波信号源的核心元件，

它是利用具有负阻特性的半导体材料砷化镓 制成的，由于砷化镓具有双能级结构，上、 下两个能级差为0.36Mev ；处于不同能级的 电子具有不同的有效质量和不同的迁移率， 其中上能级有效质量大迁移率小。当下导带 电子的能量增加到0.36Mev 时，下导带的电 子就会被激发到上导带上去，使它在某一区

域内呈现负阻特性，即出现起伏安特性曲线 图（1） U(V) 如图（1）所示：由此可知体效应管内能够产生一个震荡电流，使砷化镓的厚度足够地小，体效应管可以产生类似脉冲尖峰的振荡波形，振荡频率很高，即产生微波信号。

典型的耿氏二极管如图所示：由铜 螺纹（接到直流电源的负极上）、铜底座 （外加散热器）、陶瓷圆环（绝缘作用）、 金丝引线、砷化镓片子、顶帽（正极）组 成，若将耿氏二极管安装在谐振腔的适当

位置上，只要在它的两端加上直流电压，就可以在谐振腔内产生微波振荡，构成微

波负阻振荡器。

耿氏二极管的主要性能参数为：工作频率10GHz 左右，工作电压10V ，工作电流0.2—0.6A ，输出功率0.03——0.1W ，最大耐压能力14V 。 2． 隔离器

是一种不可逆的衰减器, 正向衰减较小，约0.1dB ，反向衰减很大，可达几十dB ，因此只允许微波单方向通过，对反方向传播微波呈电阻吸收。隔离器常用于振荡器与负载之间，起到隔离和单向传输作用。隔离器一般由铁氧体材料制成，铁氧体是一种磁性材料，由二价的金属锰、镁、镍]铜、等氧化物和氧化铁烧制而成，它既具有磁性材料的导磁性，又具有较高的电阻率，一般可达102—108Ω⋅cm ，由于其电阻率很高，电磁场能够渗入内部起作用而损耗很小因此得到广泛应用。

隔离器 衰减器

隔离器分为谐振式和场移式两种，谐振式功率较大，实验室常用场移式，它是在波导内的适当位置放置一片两端呈尖劈形（为了减少反射）铁氧体片，使其表面与波导窄面平行，表面附有吸收片（由石墨粉或镍铬合金制成）并外加恒定磁场制成。

在铁氧体内加上一个恒定磁场使铁氧体内的电子产生进动与此同时再加上与恒定磁场垂直的高频右旋或左旋极化磁场，由于这两种磁场与电子进动方向分别相同和相反，因此产生不同的磁导率μ+和μ-而且随恒定磁场的大小而变化，当铁氧体片的厚度、位置和磁场强度选取适当时，产生非互易性的场效应，既当电磁波在波导管中正向传播的波为右旋圆极化时铁氧体呈现磁导率μ+为一负值右

旋圆极化场被“排除”铁氧体外，吸收材料的表面电场为0，几乎无衰减。当电磁波反向传播时为左旋圆极化场被“吸入”铁氧体内，被吸收材料表面电场很大被吸收，反向衰减很大。 3．衰减器

衰减器是一种电阻性器件，用来衰减微波的功率和电平。

衰减器可分为固定式和可变式两种，也可以分成吸收式衰减器、旋转式极化衰减器以及过极限衰减器。实验室常用吸收式可变衰减器，它是在波导内加装可移动的衰减片，衰减片是在介质片上涂上电阻性薄膜的介质片（例在玻璃上喷涂镍铬），移动衰减片的位置或深度可以改变对电磁波的吸收程度，从而改变波导管内电磁波的强度，调节信号的强弱。 4．频率计（波长表）

是利用谐振腔来测量频率的元件，它通常选用同轴或圆柱波导为谐振腔制成的，又“吸收式”谐振频率计，它的腔体通过耦合元件耦合到一段直波导上，当它的腔体失谐时，腔体内电磁场极弱，此时不吸收能量，基本不影响波导内电磁波的传播，相应地接在终端的检波器的示数保持恒定大小的信

号输出。移动谐振腔一端活塞的位置，来改变谐振腔的长度，可以改变谐振腔的固有频率。当它的固有频率与微波的频率相同时，就会发生共振吸收，从电磁场中吸收能量，使其能量减少，出现共振吸收峰。读出此时测微计的示数，从附表中查出对应的频率，利用波长与频率的关系可以求出电磁波在自由空间的波长。

波长表（频率计） 负 载

5负载

微波传输中接入一些元件对电磁波产生特定的影响，可分为匹配负载和电抗元件（或负载）。

匹配负载通常做成波导管的形式，内装吸收片，它的材料是涂有金属碎沫（例如铂金）或碳膜的介质片，介质一般选用玻璃、瓷胶纸等，做成劈形可微波缓慢吸收，其形状及大小决定吸收程度，。匹配负载的吸收率较大几乎将进入其中的微波全部吸收，可认为无反射，驻波比ρ=1.06。

电抗元件包括膜片、调谐螺钉和短路活塞三种。膜片可分为：

1）电容性膜片——将其置于波导管中使电场加强，相当于跨接与双线的电容器，呈现电容特性性。

2）电感性膜片——将其置于波导管中由于膜片电流使膜片周围磁场集中，相当于跨接与双线的电感器，呈现电感特性。

3）调协窗——将电容性膜片和电感性膜片组合在一起，成为中间开孔的膜片，相当于接入一个L —C 振荡回路，

调谐螺钉是矩形波导管中央位置插入螺钉时，该处的电磁场将发生变化：当插入深度l 较浅（l 〈

1

441

等，形成串联谐振；当l λ时感抗大于容抗，呈现感抗性。

4

1

λ）时使电场增强，呈现容性；l =λ时电容和电感相

6．驻波测量线

测量线又称驻波测量仪，是用来测量波导中驻波分布规律的仪器，可分为测量

驻波测量线

电场和测量磁场两种。实验室常用第一种，它由一段沿纵向开有细长槽的直波导与一个可沿槽移动的带有微波晶体检波器的探针探头组成。探针经过槽插入传输线内，从中拾取微波功率以测量微波电场强度的幅值沿轴线的分布规律，探针的位置可由测量线上附的标尺或测微计读出。 7、晶体检波器

晶体检波器的核心元件是采用半导体点接触的二极管（又称为微波二极管）， 其结构如图所示：形状一般为子弹状，外壳为高频铝磁管；晶体检波器就是在异端波导管中安上微波二极管，如图所示，将微波二极管插入波导管的宽边中心，以便检测波导管两宽边间的感应电压，为了得到较大的检波信号，通常在通过调节其后端短路活塞的位置使其与二极管的间距为

1λg ，使检波二极管位于电场

4

最大处。

微波二极管 检波器结构示意图

7．调配器

调配器是用来调节波导系统使其达到匹配状态的装置，可分为单螺调配器、三螺调配器和双T 接头调配器等几种。单螺调配器实质上是一段带有螺钉的矩形波导，螺钉的作用相当于并联在波导截处的短路支线，改变螺钉的深度及在波导管中的位置，就可将它调节到任意所需的阻抗：当插入深度l 〉

λ等效并联电感，当插入深度l 〈λ

4

4

时，它呈现一个

4

时它呈现一个等效并联电容，l 的值大约等于λ

时会发生串联型谐振，此时波导处于短路状态，实际应用中螺钉的插入深度不超

过谐振深度。若在波导中插入三个螺钉则构成三螺调配器，这两种调配器仅适用于功率不大的情况。

单螺调配器 双T 头调配器

此外还有连接元件、分支元件（E 面分支、H 面分支、双T 分支及魔T ）、定向耦合器、环行器。

二、电磁波在波导管中的传播特性

1、波导管中的电磁波波模

电磁波在自由空间传播时为横电磁波，在电磁波的微波段，为了避免导线的辐射损耗和趋附效应的影响，一般采用波导管作为传输线，电磁波在波导管中传输只能以横电波（TE 波）、横磁波（TM 波）以及两者的混合波的形式进行。矩形波导管是较常用的传输线，电磁波在波导管中的场结构可以电磁场理论推得。

设宽边为a 、窄边为b 的无限长波导管，电磁波以圆频率ω自波导开口端沿z . 由 Maxwll equstoins 可得时谐波在自由空间传播时可写为：

∇⨯∇⨯∇⨯

∇⨯

E =-i ωB

H =i ωE B =0 D =0

利用矢量分析可将上述方程变为：

∇

2

∇

B

2

E (x ) +k E =0

⋅E =0

i i

=-∇⨯E =-

w k

με∇⨯E

利用分离变量法并并将矩形波导管的边界条件

x =0, a 时 E y =E Z =0 ，

∂E x ∂x ∂E ∂y

y

=0

y =0, b 时 E y =E Z =0 ，

=0

n πb n πb ye

代入可得：

E X =A 1cos k x x sin k y ye

i (kz -ωt )

=iE x 0cos

m πa m πa

x sin ye

-i (kz -ωt )

E y =A 2sin k x x cos k y ye

i (kz -ωt )

=-iE

y 0

sin x cos n πb

ye

-i (kz -ωt )

=E Z 0sin E z =A 1sin k x x sin k y ye

根据磁感应强度B 与电场强度E 之间的关系

i (kz -ωt )

m πa

x sin

-i (kz -ωt )

i i B =-∇⨯E =-με∇⨯E 可求出B

w k

利用Maxwll equstoins 可知若 B y =E Z =0 则B 与电场强度E 均为0，因此

波导管中不存在横电磁波，只能以横电波（TE 波）、横磁波（TM 波）以及两者的混合波的形式存在。

其截止频率为： ωmn =

只有当ω＞ω

mn

πμε

(

m

n 22

) +() a b

时的波才能在波导管中传播，可见对应不同的m ， n 的取

值，电磁波可以以不同的频率传播，这些特定的形式称为波模。 2、矩形波导管中TE 10波结构特点

由上式可得，当a >b 时若 m =1， n =0 时有最低截止频率：既TE 10

大波长为：

λc , 10=2a

如果选择适当的尺寸波导管中只能通过TE 10波

ωμ0a ⎛πx ⎫j (ωt -βz )

E y =-j

H

x

π

sin ⎪e

⎝a ⎭

⎫

⎪e ⎭

=j

βa

H

z

⎛πx sin π⎝a

⎫

⎪e ⎭

y

j (ωt -βz )

⎛πx =cos

⎝a

j (ωt -βz )

E x =E z =H

=0

由此可以得到在不同截面上的场结构：在xoy 平面内只有E y 分量且与y 无关，磁场则存在着

和z 分量，其强度分布和场线分布如图所示：

TE 10

波在xoy 平面内的场结构

同理可得yoz 平面内电场和磁场分量E y 和Hz 分量与y 无关，即沿y 轴方 向均匀分布，而沿z 轴方向为周期性变化，但横向场（E x ，H z ）与纵向场存在90位相，其结构分布如下图 。

TE 10

波在yoz 平面内的场结构

在xoz 平面内，电场线与该平面垂直，而磁场既有Hx 又有Hz 分量，合成的磁感应线如同椭圆形，结构分布如下图：

TE 10

综上所述可以得到TE 10

波在xoz 平面内的场结构

场结构分布，如下图所示：

波整

TE 10波的场结构透视图 TE 10波管壁电流分布

3、面电流（管壁电流）分布

利用边界关系 n ⨯H =α 可知波导管的管壁电流只是横过窄边，波导管的宽边上中线电场横向电流为0，没有管壁电流，因此在波导管窄边上的任何裂缝都会影响波导管中电磁场分布，而宽边上的裂缝则不会影响电磁场的分布，因此测量时要在宽边的中线处开口。 4、驻波波长

由于 k 2=k 2x +k 2y +k 2z 可知电磁波在波导管中传播的波矢量为：

k z =

将 k =

2πk

2

-k

2

x

-k

2

y

=k

2

⎛π⎫

- ⎪ ⎝a ⎭

2

λ0

和 k z =

2π

λg

代入得：

电磁波在波导管中传播的波长即波导波长为：

λg =

λ0

-(

实验目的

λ0

2a

)

2

实验十七 微波传输特性的测量

1． 学会使用基本的微波器件

2． 了解微波震荡源的基本工作原理和传输特性 3． 掌握频率、功率、驻波比等基本量的测量方法

实验原理

1、微波的传输特性

电磁波在波导管中传播时，由于反射它的内部同时存在着入射波和反射波，依据终端负载的不同波导管内的电磁波呈现三种状态：

(1)行波：当终端接“匹配负载”时，反射波不存在，微波呈现行波状态。 (2)纯驻波：当终端接“短路板”、开路或接纯阻抗元件时，终端发生全反射，

微波呈现纯驻波状态。

(3)混合波：一般情况下，终端发生部分反射，波导管中传播的既不是行波也

不是驻波，而是两者的混合波。

实验中在终端接不同负载，通过测量驻波比和反射系数来描述终端的反射情况，从而确定波导管中微波呈现的状态 2．基本参量

1) 截止波长：一定形状的波导管，不能通过所有波长的电磁波，当波导管的尺寸确定后就决定了波导管中通过电磁波（微波）的最大波长，称为截止波长，它表征微波在波导中传播的条件。对于TE 波截止波长为：λm =2a 其中a 示矩形波导宽边的长度，实验室用矩形波导管a =22. 86mm

2) 波导波长：自由空间的电磁波为横电磁波（TEM ），在真空中传播时满足：λ0=

c

f 其中c 表示电磁波在真空中传播的速度，λ0称为自由波长。当电磁波进入波导管

时两列电磁波叠加，电磁波的波形就会发生改变，因此波长也会发生改变。我们把电磁波（微波）在波导管中传播时的波长称为波导波长，用λg 表示，理论上可以证明波导波长满足：

λg =

λ0

1-(

λ0

2a

（1）

)

2

3) 驻波比：是描述波导反射程度的量，也是衡量波导元件质量的重要参量。当波导中存在反射时，电磁波以驻波形式存在，即存在着波腹（最大值E max ）和波节（最小值E min ）；驻波比S 定义为：

S=

E max E min

I max I min

= （2）

I max , I min 分别表示波导管中电磁波能量的最大和最小值。

驻波比S 是一个大于或等于1的数，它数值的大小表征传输线上驻波成分的强弱，S 越大驻波成分越大，行波成分越小；反之亦然。

（4） 反射系数：也是描述反射程度的物理量，当波导中存在反射时，场强E 为入射波和反射波E 的叠加；我们定义反射系数为：

ρ=

E 'E 0

（3）

其大小与驻波比的关系为：

ρ=

S -1S +1

（4）

当波导终端接匹配负载时，波导管处于匹配状态，此时S=1，ρ=0；当终端接“短路板”、开路或接理想导体时，波导管处于完全驻波状态，此时S=0，ρ=1 （5）阻抗：分为匹配阻抗和负载阻抗两种，其中匹配阻抗是指波导管处于匹配状态时的阻抗，是描述波导管特性的参量，用Z 0来表示。负载阻抗则是指波导管终端的阻抗用Z 来表示，两者之间满足：

i ∆ϕ

Z 1+ρe

Z 0

=1-ρe

i ∆ϕ

（5）

实验装置

微波传输系统包括：固态信号源、隔离器、可变衰减器、波长表、选频放大器、

测量线、 功率计、检波器、调配器等。 测量内容

1．测量体效应管的伏安特性曲线：

1） 接通电源预热。

2） 将微波信号源选折方式置“教学”状态，改变加在体效应管两端的电压U ，测出流过它的电流I 。

3） 分别以U 、I 为横坐标和纵坐标作出 检波器示数 4） 体效应管的伏安特性曲线。 2、微波频率测量

微波的频率是描述微波信号的一个很 重要的物理量，可利用数字式频率计和吸

收式频率计来测量，用吸收式频率计测量

频率的原理是：调节频率计使频率计空腔 波长表的谐振点曲线 频率计刻度

的固有频率与微波频率相同时就会发 生共振吸收，此时微波信号最小检，波器 示数的变化如图所示。具体测量方法为：

1） 按下列方框图连接测量系统，将 2） 波导开关扳向调配器一侧。

图七

2）信号源选择方式置“方波”，调节功率旋纽使检波指示器指到一半以上，频率

示数适中（例如可取9.370GH

Z

）

3）调节波长表的调节旋钮，直到检波指示器的示数出现极小值，记下此时波长表

的示数。

4）查表读出频率值；重复测量。

4． 测波导管的终端接不同负载时对波导中微波传输的影响 微波测量系统方框图（二）

上述方框图组装传输系统，在测量线的末端接入不同的元件分别测量。 （1）终端接“短路板” （2）终端开路或接匹配负载

（3）终端接一般负载 （4）终端接匹配负载 要求：

（1） 移动测量线上探针的位置，观察选频放大器示数的变化情况，说明所

观察到的现象产生的原因。

（2） 画出驻波分布图形。

（3） 测量驻波比：测出上述（3）、（4）两种情况的驻波比，测量方法为： （a ） 小驻波和中驻波利用公式（2）测量

A

（b ） 大驻波则利用公式：S=1020计算 A 的测量方法为：

调节测量线探头的位置调到波节点，将衰减器置0，调节选频放大器的衰减和量程使其示数超过

23

量程，并记下此示数；再把测量线调节到波腹点（先调节衰

A

减器以确保示数不超过量程），调节衰减器使放大器的示数恢复上述示数；读出此时衰减器刻度盘的示数，从附表中查出对应的A 值，利用公式：S=1020求出S 。

（4）利用（4）式计算反射系数 4．测量驻波波长

1） 在测量线的末端接上短路板时测量

2） 调节测量线上探针的位置，找出两个相邻波节点，在每个波节的左右各测

'、x 2'。 出两个等值点的位置X 如图所示测出x 1、x 2和x 1

3） 利用等斜点法求出驻波波长，

由图可以看出 x A =

12

(x 1+x 2) 、 x B =

1

2

'-x 1') -x A ) =(x 2-x 1) +(x 2

'+x 2') (x 1

驻波波长λg 满足： λg =2(x B

4） 重复测量取平均值。

5） 计算驻波波长的理论值

c

将利用λ0=求出λ0同时将波导管的宽边长度a 带入

f λ能量

x 1

x 2

' x 2' 驻波最小点的测量 坐标L 5． 测量微波的功率

1） 按上方方框图（一）组装测量系统，将波导开光扳向功率计一侧。 2） 调节功率计的零点、衰减分贝数、量程。

3） 调节信号源的功率输出旋钮改变输出功率，测出在不同输出功率下对应的

输出频率值。

4） 分别以功率和频率为横坐标和纵坐标做出图线。 6、调匹配

利用逐渐趋近法调节单罗调配器，使微波达到匹配状态。 7、测量微波的阻抗特性（选作）

在波导管的终端接上可变阻抗，调节可变阻抗一端的调节旋钮，测出不同位置时Z 与Z 的比值，并分析产生的原因。 （三）、思考题

1 什么是吸收式谐振腔频论计？在测量过程中根据什么来判断谐振腔频率计的

频率等于微波的频率？

2 固态信号源的基本原理是什么？有什么特点？

3 微波在传输的过程中有几种状态？各种状态都是如何形成的？

4单螺调配器的原理是什么？什么是匹配状态？如何判断是否达到匹配状态？