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=??B
t B E ??-=??，t
D 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 ，o
n E εσ=， ⑶
i 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 a
x a j H βωππβ-= 0=x E ， )(0)s i n (z t j y e a x a j
E βωππωμ--=， 0=z E ， ⑷ 其中：ω为电磁波的角频率，f πω2=，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 λ
λ
λ-= 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＝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，和的分布规律相同，
也就是说最大处也最大，为零处也为零，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
系数定义为
φj i r e E E Γ==Γ/。
驻波比ρ定义为：
min
max E E =ρ 其中：m ax 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。
不调谐探头由检波二极管、吸收环、盘形电阻、弹簧、接头和外壳组成，安放在滑架的探头插孔中。不调谐探头的输出为ＢＮＣ接头，检波二极管经过加工改造的同轴检波管，其内导体作为探针伸入到开槽波导中，因此，探针与检波晶体之间的长度最短，从而可以不经调谐，而达到电抗小、效率高，输出响应平坦。
滑架是用来安装开槽波导和不调谐探头的，其结构见图9。把不调谐探头放入滑架的探头插孔⑹中，拧紧锁紧螺钉⑽，即可把不调谐探头固紧。探针插入波导中的深度，用户可根据情况适当调整。出厂时，探针插入波导中的深度为1.5mm，约为波导窄边尺寸的15％,
图9驻波测量线结构外形图
⑴水平调整螺钉用于调整测量线高度
⑵百分表止挡螺钉细调百分表读数的起始点
⑶可移止挡粗调百分表读数
⑷刻度尺指示探针位置
⑸百分表插孔插百分表用
⑹探头插孔装不调谐探头
⑺探头座可沿开槽线移动
⑻游标与刻度尺配合，提高探针位置读数分辨率
⑼手柄旋转手柄，可使探头座沿开槽线移动
⑽探头座锁紧螺钉将不调谐探头固定于探头插孔中
⑾夹紧螺钉安装夹紧百分表用
⑿止挡固定螺钉将可移止挡⑶固定在所要求的位置上
⒀定位垫圈（图中未示出）用来控制探针插入波导中的深度。
在分析驻波测量线时，为了方便起见通常把探针等效成一导纳Y u与传输线并联。如
图10所示。其中G u为探针等效电导，反映探针吸取功率的大小，B u为探针等效电纳，表示探针在波导中产生反射的影响。当终端接任意阻抗时，由于G u的分流作用，驻波腹点的电场强度要比真实值小，而B u的存在将使驻波腹点和节点的位置发生偏移。当测量线终端短路时，如果探针放在驻波的波节点B上，由于此点处的输入导纳y in→∞故Y u”的影响很小，驻波节点的位置不会发生偏移。如果探针放在驻波的波腹点，由于此点上的输入导纳y in→0，故Y u对驻波腹点的影响就特别明显，探针呈容性电纳时将使驻波腹点向负载方向偏移。如图11所示。所以探针引入的不均匀性，将导致场的图形畸变，使测得的驻波波腹值下降而波节点略有增高，造成测量误差。欲使探针导纳影响变小，探针愈浅愈好，但这时在探针上的感应电动势也变小了。通常我们选用的原则是在指示仪表上有足够指示下，尽量减小探针深度，一般采用的深度应小于波导高度的10％～15％。
图10 探针等效电路
图11 探针电纳对驻波分布图形的影响
一、晶体检波特性校准
微波频率很高，通常用检波晶体(微波二极管)将微波信号转换成直流信号来检测的。
晶体二极管是一种非线性元件，亦即检波电流J同场强正之间不是线性关系，在一定范围内，大致有如下关系
αkE I =⑸
其中：k,α是和晶体二极管工作状态有关的参量。当微波场强较大时呈现直线律，当微波场强较小时(P 校准方法：将测量线终端短路，这时沿线各点驻波的振幅与到终端的距离的关系应当为 g l k E λπ2sin '=⑹ 上述关系中的也可以以任意一个驻波节点为参考点。将上两式联立，并取对数得到 g l g A K gI λπ2sin 11+=⑺ 用双对数纸作出1gI —1gl |sin(2π／λg )|曲线，若呈现为近似一条直线，则直线的斜率即是α,若不是直线，也可以方便地由检波输出电流的大小来确定电场的相对关系。 二、电压驻波比测量 驻波测量是微波测量中最基本和最重要的内容之一，通过驻波测量可以测出阻抗、波长、相位和Q 值等其他参量。在测量时，通常测量电压驻波系数，即波导中电场最大值与最小值之比，即 min max E E =ρ⑻ 测量驻波比的方法与仪器种类很多，本实验着重熟悉用驻波测量线测驻波系数的几种方法。 l ．小驻波比(1．05<ρ<1．5) 这时，驻波的最大值和最小值相差不大，且不尖锐，不易测准，为了提高测量准确度，可移动探针到几个波腹点和波节点记录数据，然后取平均值再进行计算。 若驻波腹点和节点处电表读数分别为I max ，I min ，则电压驻波系数为 n nE n nE I I I I I I E E E E E E m in 2m in 1m in m ax 2 m ax 1m ax m in 2m in 1m in m ax 2m ax 1m ax ++++++=++++++= αρ⑼ 2．中驻波比(1．5< <6) 此时，只须测一个驻波波腹和一个驻波波节，即直接读出I max I min 。 m in m ax m in m ax I I E E αρ==⑽ 3．大驻波比(ρ≥5) 此时，波腹振幅与波节振幅的区别很大，因此在测量最大点和最小点电平时，使晶体工作在不同的检波律，故可采用等指示度法， 也就是通过测量驻波图形中波节点附近场的 分布规律的间接方法(见图12)。 我们测量驻波节点的值、节点两旁等指示 度的值及它们之间的距离 )sin()( cos *2/2g g W W k λπλπρα= ⑾ 图 12 节点附近场的分布 I 为驻波节点相邻两旁的等指示值，W 为等指示度之间的距离。 当k=2时(若α=2) )(sin 1 12g W λπρ+=⑿ 称为“二倍最小值”法。 当驻波比很大(ρ≥10)时，W 很小，有 W g πλρ=⒀ 必须指出：W 与入g 的测量精度对测量结果影响很大，因此必须用高精度的探针位置指示装置(如百分表)进行读数。 图13 实验装置示意图 1—微波信号源 2—隔离器 3—衰减器 4—频率计 5—测量线 6—检波晶体 7—选频放大器 8——喇叭天线 9——匹配负载 10—短路片 11—失配负载 1.3 实验要求及数据处理 1．开启微波信号源（DH1121C 或WY19B ），选择好频率，工作方式选择“方波”。 2．将测量线探针插入适当深度，用选频放大器测量微波的大小，选择较小的微波输 出功率并进行驻波测量线的调谐。 3．用直读频率计测量微波频率，并计算微波波导波长。 4．作短路负载时的I-／曲线，通过此曲线求出实测波导波长并与理论值进行比较。 5．根据短路负载的1gI —1gl |sin(2π／λg )|曲线，求出α。 6．测量不同负载的驻波比(匹配负载、喇叭天线、开路及失配负载)。 7．(选做)微波辐射的观察。 在测量线与晶体检波器中间连接两个相对放置的喇叭天线，并拉开一段距离，将检波晶体的输出接到电流表上，用电流表测量微波的大小。 min I I k 最小点读数测量读数= 将金属板放人两个喇叭天线之间，观察终端和测量线的输出有何变化。再将金属栅框竖着和横着分别代替金属板，观察输出又有何变化。 移动晶体检波器，使两个喇叭天线呈垂直放置，然后分别将金属板和竖放及横放的金属栅框按图14(b)中所示的位置放置，再记录下你所观察到的现象。 请用你所学过的知识解释上述现象。 用晶体检波器测量微波时，为获得最高的检波效率，它都装有一可调短路活塞，调节 其位置，可使检波管处于微波的波腹。改变其位置时，也应随之改变晶体检波器短路活塞 位置，使检波管一直处于微波波腹的位置。 图14 微波传输特性的观察 (a)栅网对微波的阻挡；(b)栅网对微波的反射；(c)金属板；(d)竖直栅框；(e)水平栅框 1.4 思考题 1．开口波导的ρ≠∞，为什么? 2．驻波节点的位置在实验中精确测准不容易，如何比较准确的测量? 3．如何比较准确地测出波导波长? 4．在对测量线调谐后，进行驻波比的测量时，能否改变微波的输出功率或衰减大小? 二、用谐振腔微扰法测量微波介质特性 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。 2.1 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 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Q L 由下式确定： 2 10f f f Q L -=⒁ 式中：f 0为腔的谐振频率，f 1，f 2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15 反射式谐振腔谐振曲线 图16 微找法TE 10n 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 ， ⒂ 其中：ε，和ε，，分别表示ε的实部和虚部。 选择TE 10n ，(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16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V 0，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 00)1(2V V f f f S s -'-=-ε 0 41V V Q S L ε''=?⒃ 式中：f 0,fs 分别为谐振腔放人样品前后的谐振频率，Δ (1／Q L )为样品放人前后谐振腔 的有载品质因数的倒数的变化，即 11)1(L LS L Q Q Q -=?⒄ Q L0，Q LS 分别为放人样品前后的谐振腔有载品质因数。 2.2 实验装置 微波信号源最好要用扫源，也可用其他带有窄带扫频的信号源（推荐品种：DH1121C 型三厘米固态信号源，WY-19A 型速调管信号源） 晶体检波器接头最好是满足平方律检波的，这时检波电流表示相对功率(I ∝P)。 检波指示器用来测量反射式谐振腔的输出功率，量程0～100μA 。（推荐品种：DH2510型） 微波的频率用波长表测量刻度，通过查表确定微波信号的频率。 用晶体检波器测量微波信号时，为获得最高的检波效率，它都装有一可调短路活塞，调节其位置， 可使检波管处于微波的波腹。改变微波频率时，也应改变晶体检波器短路活塞位置，使检波管一直处于微波波腹的位置。 图17 试验装置示意图 1—微波信号源2—隔离器3—衰减器4—波长表5—测量线6—测量线晶体 7—选频放大器8—环形器9—反射式谐振腔10—隔离器11—晶体检波器 2.3 实验内容 1．按图接好各部件。注意：反射式谐振腔前必须加上带耦合孔的耦合片，接入隔离器 及环形器时要注意其方向。 2．开启微波信号源，选择“等幅”方式，预热30分钟。 3．测量谐振腔的长度，根据公式计算它的谐振频率，一定要保证n为奇数。 4．将检波晶体的输出接到电流表上，用电流表测量微波的大小，在计算的谐振频率 附近微调微波频率，使谐振腔共振，用直读频率计测量共振频率。 5．测量空腔的有载品质因数，注意：f1，f2与f0的差别很小，约0．003GHz。 6．加载样品，重新寻找其谐振频率，测量其品质因数。 7．测量介质棒及谐振腔的体积。 8．计算介质棒的介电常数和介电损耗角正切。 2.4 思考题 1．如何判断谐振腔是否谐振? 2．本实验中，谐振腔谐振时，为什么"必须是奇数? 3．若用传输式谐振腔如何测量介质的介电常数，可否画出实验装置。 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.微波电路的计算机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： J ER E I B 3 Di Er 图3同轴线 图1微带线 图2带状线 图4波导 DIELECTRIC ER 图5共面波导 2.1.2按照工艺分类 微波混合集成电路：采用分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微波混合集成电路示例 HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Wuhan 430074, Hubei, P. R. China 中国·武汉 Tel(027) HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Wuhan 430074, Hubei, P. R. China 中国·武汉 Tel(027) 大连海事大学毕业论文 二0一一年六月 微波谐振腔特性参数的计算和仿真 专业班级：通信工程3班 姓名：张振北 指导教师：傅世强 信息科学技术学院 摘要 微波谐振腔其内部的电磁场分布在空间三个坐标方向上都将受到限制,均成驻波分布.微波谐振腔在微波电路中起着与低频LC振荡回路相同的作用,是一种具有储能和选频特性的谐振器件.这次主要研究矩形谐振腔和圆柱体谐振腔的特性参数的计算和仿真.计算时用VC++中的MFC编写一个小界面计算工具，当输入变量参数时，类似计算器形式直接输出计算结果，仿真所用软件为HFSS，对矩形谐振腔和圆柱谐振腔进行仿真，输入变量得出仿真结果并与上述结算结果进行比较。本文首先介绍了微波谐振腔的发展及前景和理论基础知识和MFC,Hfss等软件.然后分别进行了: 1.对金属谐振腔中特性参数的特性及计算方式进行深入探讨，学习其基本特 性与基本分析方法。 2.矩形谐振腔和圆柱谐振腔特性参数的计算在小界面计算方式方式下表示， 并举例输入变量得出计算结果。 3.用Hfss微波技术仿真软件对矩形谐振腔和圆柱谐振腔仿真,与之前的结 果进行比较。 4.在小界面计算工具在输入不同尺寸，内部填充不同材料，以及用铜，铁， 铝等材料作为谐振腔表面材料等多种情况下计算，得出不同结果，并用仿 真软件对矩形及圆柱谐振腔仿真，两组数据比较并得出结果。 本文主要研究金属谐振腔中矩形谐振腔及圆柱谐振腔特性参数的特性及计算方法，对其特性参数的特点，计算方式进行深入研究，然后运用编程软件对其编程，得到一个便捷的计算工具，并对矩形及圆柱谐振腔仿真，计算结果与仿真结果比较来判别计算工具的实用性与便捷性。 关键词：金属谐振腔，特性参数，MFC，小界面，Hfss，仿真 1、我们常用的PCB介质是FR4材料的，相对空气的介电常数是4.2-4.7。这个介电常数是会随温度变化的，在0-7 0度的温度范围内，其最大变化范围可以达到20%。介电常数的变化会导致线路延时10%的变化，温度越高，延时越大。介电常数还会随信号频率变化，频率越高介电常数越小。100M以下可以用4.5计算板间电容以及延时。 2、一般的FR4材料的PCB板中内层信号的传输速度为180ps/inch(1inch=1000mil=2.54cm)。表层一般要视情况而定，一般介于140与170之间。 3、实际的电容可以简单等效为L、R、C串联，电容有一个谐振点，在高频时(超过这个谐振点)会呈现感性，电容的容值和工艺不同则这个谐振点不同，而且不同厂家生产的也会有很大差异。这个谐振点主要取决于等效串联电感。现在的比如一个100nF的贴片电容等效串联电感大概在0.5nH左右，ESR(等效串联电阻)值为0.1欧，那么在24M 左右时滤波效果最好，对交流阻抗为0.1欧。而一个1nF的贴片电容等效电感也为0.5nH(不同容值差异不太大)，E SR为0.01欧，会在200M左右有最好的滤波效果。为达好较好的滤波效果，我们使用不同容值的电容搭配组合。但是，由于等效串联电感与电容的作用，会在24M与200M之间有一个谐振点，在这个谐振点上有最大阻抗，比单个电容的阻抗还要大。这是我们不希望得到的结果。（在24M到200M这一段，小电容呈容性，大电容已经呈感性。两个电容并联已经相当于LC并联。两个电容的ESR值之和为这个LC回路的串阻。LC并联的话如果串阻为0，那么在谐振点上会有一个无穷大的阻抗，在这个点上有最差的滤波效果。这个串阻反倒会抑制这种并联谐振现象，从而降低LC谐振器在谐振点的阻抗）。为减轻这个影响，可以酌情使用ESR大些的电容。ESR相当于谐振网络里的串阻，可以降低Q值，从而使频率特性平坦一些。增大ESR会使整体阻抗趋于一致。低于24M的频段和高于200M的频段上，阻抗会增加，而在24M与200M频段内，阻抗会降低。所以也要综合考虑板子开关噪声的频带。国外的一些设计有的板子在大小电容并联的时候在小电容(680pF)上串几欧的电阻，很可能是出于这种考虑。(从上面的参数看，1nF的电容Q值是100nF电容Q值的10倍。由于手头没有来自厂商的具体等效串感和ESR的值，所以上面例子的参数是根据以往看到的资料推测的。但是偏差应该不会太大。以往多处看到的资料都是1nF和100nF的瓷片电容的谐振频率分别为100M和10M，考虑贴片电容的L要小得多，而又没有找到可靠的值，为讲着方便就按0.5nH计算。如果大家有具体可靠的值的话，还希望能发上来^_^) 介电常数（Dk, ε，Er）决定了电信号在该介质中传播的速度。电信号传播的速度与介电常数平方根成反比。介电常数越低，信号传送速度越快。我们作个形象的比喻，就好想你在海滩上跑步，水深淹没了你的脚踝，水的粘度就是介电常数，水越粘，代表介电常数越高，你跑的也越慢。 介电常数并不是非常容易测量或定义，它不仅与介质的本身特性有关，还与测试方法，测试频率，测试前以及测试中的材料状态有关。介电常数也会随温度的变化而变化,有些特别的材料在开发中就考虑到温度的因素.湿度也是影响介电常数的一个重要因素,因为水的介电常数是70,很少的水分,会引起显著的变化. 以下是一些典型材料的介电常数(在1Mhz下)： 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. 微波电路的计算机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：采用分离元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微波混合集成电路示例 图7 微波集成电路（MIC）示例 9微波基础知识及测 介电常数 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=??B 《微波技术基础》课程复习知识要点 (2007版) 第一章 “微波技术基础引论”知识要点 廖承恩主编的《微波技术与基础》是国内较为经典的优秀教材之一，引论部分较为详细的介绍了微波的工作波段、特点及其应用，大部分应用背景取材于微波通讯占主导地位的上世纪80’s / 90’s 年代。在科技迅猛发展的今天，建议同学们关注本网站相关联接给出的最新发展动态，真正做到学以致用，拓展自己的知识面，特别是看看微波在现代无线和移动通信、射频电路设计（含RFID ）、卫星定位、宇航技术、探测技术等方面的应用，不要局限于本书的描述。(Microwaves have widespread use in classical communication technologies, from long-distance broadcasts to short-distance signals within a computer chip. Like all forms of light, microwaves, even those guided by the wires of an integrated circuit, consist of discrete photons ….. NATURE| Vol 449|20 September 2007)1 本章的理论核心是在对导行波的分类的基础上推导了导行系统传播满足的微波的波段分类、特点与应用（TE 、TM 、TEM ）和基本求解方法，给出了导行系统、导行波、导波场满足的方程；（Halmholtz Eq 、横纵关系）、本征值---纵向场法、非本征值---标量位函数法（TEM ）。{重点了解概念、回答实际问题，比如考虑一下如按如下的份类，RFID 涉及那些应用？全球定位系统GPS 呢？提高微波工作频率的好处及实现方法？} 1．微波的定义 把波长从1米到1毫米范围内的电磁波称为微波。微波波段对应的频率范围为: 3×108Hz ～3×1011Hz 。在整个电磁波谱中，微波处于普通无线电波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和宽1000倍。一般情况下，微波又可划分为分米波、厘米波和毫米波三个波段。 2．微波具有如下四个主要特点：1) 似光性、2) 频率高、3) 能穿透电离层、4) 量子特性。 3．微波技术的主要应用：1) 在雷达上的应用、2) 在通讯方面的应用、3) 在科学研究方面的应用、 4) 在生物医学方面的应用、5) 微波能的应用。 4．微波技术是研究微波信号的产生、传输、变换、发射、接收和测量的一门学科，它的基本理论是经典的电磁场理论，研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。一种是“场”的分析方法，即从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下解电磁波动方程，求得场量的时空变化规律，分析电磁波沿线的各种传输特性；另一种是“路”的分析方法，即将传输线作为分布参数电路处理，用克希霍夫定律建立传输线方程，求得线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输特性。 需要重点记忆的公式：表1-2（要求会用）； 理解纵横f λ31081051010(m)(Hz)3103231063109-13101210-43101510-73101810-10无线电波 光波宇宙射 线视频射频 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 γεμγ γ th 0 = 其中Ω== 3770 0εμZ 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 n n d Z d Z Z γηγηηth th 11--++= 其中，()()n n n n n εεμμη''-'''-'= j j 是第n 层的特征阻抗， ()()n n n n n c εεμμω γ''-'''-'=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。 理想导体平面的输入阻抗为0，最外层的输入阻抗可以通过迭代法得出，从而由前述公式得到反射率。 图1 一种基于测量线的波导测量装置 图2 传输线模型 由此可见，无论是单层涂覆还是多层涂覆，测出各层材料的复介电常数εr 和复磁导率μr ，及其余频率的关系是设计隐身涂层的关键。 大学 课程设计任务书 序进行装订上交（大张图纸不必装订） 2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。 指导教师签名：日期： 前言 (1) 一、背景知识 (2) 1、滤波器的发展 (2) 2、微波滤波器的应用 (2) 3、交叉耦合滤波器提出与发展 (3) 二、交叉耦合带通滤波器设计原理 (4) 1、交叉耦合滤波器的设计思路 (4) 2、新型耦合开环结构 (5) 3、交叉耦合滤波器的设计 (6) 三、仿真步骤 (9) 1、建立新工程 (9) 2、设置求解类型 (9) 3. 设置模型单位 (10) 4、建立滤波器模型 (10) 5、创建端口 (19) 6、创建Air (20) 7、设置边界条件 (20) 8、为该问题设置求解频率及扫频范围 (22) 9、优化仿真 (23) 10、保存工程 (24) 11、后处理操作 (25) 四、设计总结 (25) 参考文献 (27) 前言 微波滤波器是微波系统中重要元件之一，它用来分离或者组合各种不同频率信号的重要元件。在微波中继通信、卫信通信、雷达技术、电子对抗及微波测量中，具有广泛的应用。? 众所周知，滤波器的设计在低频电路中是用集总参数元件（电感L和电容C）构成的谐振回路来实现。但当频率高达300Mhz以上时，低频下的集总参数的LC谐振回路已不再适用了。这一方面由于当回路的线性尺寸和电磁波的波长可以比拟时，辐射相当显着，谐振回路的品质因数大大下降，因而必须采用分布参数的微波滤波器。?任何一个微波系统都是由各种各样的微波器件、有源电路和传输线等组成的。微波元件种类很多。按传输线类型可分为波导式、同轴式和微带式等；按功能可分为连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、相移元件、分路元件、波型变换元件、滤波元件等；按变换性质可分为互易元件、非互易元件和非线性元件等。 本文正是根据微波滤波器的特性设计一种微带交叉耦合带通滤波器，要求其小型化、频段规则性高、边缘陡峭，可用于小型化天线系统。 摘要： 交叉耦合滤波器具有高选择性、低插入损耗、宽阻带、高的带外截止特性等，已被广泛应用于现代微波通信系统中，本文拟采用高品质谐振腔交叉耦合的形式实现该带通滤波器，结构简单紧凑，通带陡度较高，适合小型化设计，性能较高的天线或雷达双工器等电路使用。 关键词： 交叉耦合滤波器、微带线、设计、HFSS 一、背景知识 1、滤波器的发展 凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各 无机材料的介电常数及磁导率的测定 一、实验目的 1. 掌握无机材料介电常数及磁导率的测试原理及测试方法。 2. 学会使用Agilent4991A 射频阻抗分析仪的各种功能及操作方法。 3. 分析影响介电常数和磁导率的的因素。 二、实验原理 1.介电性能 介电材料（又称电介质）是一类具有电极化能力的功能材料，它是以正负电荷重心不重合的电极化方式来传递和储存电的作用。极化指在外加电场作用下，构成电介质材料的内部微观粒子，如原子，离子和分子这些微观粒子的正负电荷中心发生分离，并沿着外部电场的方向在一定的范围内做短距离移动，从而形成偶极子的过程。极化现象和频率密切相关，在特定的的频率范围主要有四种极化机制：电子极化 (electronic polarization ，1015Hz)，离子极化 (ionic polarization ，1012～1013Hz)，转向极化 (orientation polarization ，1011～1012Hz)和空间电荷极化 (space charge polarization ，103Hz)。这些极化的基本形式又分为位移极化和松弛极化，位移极化是弹性的，不需要消耗时间，也无能量消耗，如电子位移极化和离子位移极化。而松弛极化与质点的热运动密切相关，极化的建立需要消耗一定的时间，也通常伴随有能量的消耗，如电子松弛极化和离子松弛极化。 相对介电常数（ε），简称为介电常数，是表征电介质材料介电性能的最重要的基本参数，它反映了电介质材料在电场作用下的极化程度。ε的数值等于以该材料为介质所作的电容器的电容量与以真空为介质所作的同样形状的电容器的电容量之比值。表达式如下： A Cd C C ?==001εε （1） 式中C 为含有电介质材料的电容器的电容量；C 0为相同情况下真空电容器的电容量；A 为电极极板面积；d 为电极间距离；ε0为真空介电常数，等于8.85×10-12 F/m 。 另外一个表征材料的介电性能的重要参数是介电损耗，一般用损耗角的正切（tanδ）表示。它是指材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应 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 EDI SACS5.2 pressCAD PARADIGM EPOS3.0 地球物理数据处理应用软件 Excess Plus5.8模具设计 ATLAS.ti5.0 StruCAD*3D应力分析有限元软件 PAM STAMP 2G v2005(世界首屈一指的冲压模拟软件) JmatPro4.1 材料性能模拟软件 Space-E v4.6 KD-RTI和KD-FRMC软件 E-Prime2.0 心理软件 GENESIS2000V9.0a5 SpeedCAD for electric motor desing Crystal Report 11开发版 Crystal Report 11开发版 Crystal Reports 10 Advanced Developer(水晶报表10高级开发版) Green Hills 3.0/3.5/3.6/4.0.7/4.2.3 GreenHills Multi for ARM v4.2.3 GreenHils Multi For MIPS V4.2.3 Metrowerks CodeWarrior 6.0/8.1 Metrowerks CodeWarrior HC05/HC08 WindRiver Diab 4.3/4.4/5.0/5.2 北京灵图VRMAP3.0软件 中视典VR-Platform7.0企业版 FLAC3D/FLAC2D SPSS 14/SPSS 15/SPSS 16统计软件 MAGMA压注模流分析软件 SURPAC5.2矿山工程软件 surpac vision LandMark 地震处理解释系统软件 流体计算软件FLUENT 6.3 Fluid Plan气动/液压设计工程软件 热力学计算软件THERMCAL 电子散热软件icepak4.3 Flomerics flotherm 7.0(电子电器设备空气流和热传导分析的专用CFD软件) Fluent Icepak v4.3（专用的热控分析CFD软件） 质的研究软件QSR NVivo 7.0 流体动力仿真软件HyPneu 汽车仿真软件Avl advisor2004 Avl Cruise4.0汽车性能仿真软件 韩国铸造分析软件AnyCasting9.2 anyPRE 前处理模块 anyPOST 后处理模块 anySOLVER 求解器模块 anyDBASE 数据库模块 微波加热技术常见问题解答 问题1：微波是什么？ 问题2：微波是怎样产生的？ 问题3：微波应用的频率有那些？ 问题4：微波加热的原理是什么？ 问题5：微波杀菌的机理是什么？ 问题6：微波的穿透能力如何？ 问题7：什么叫微波的选择性加热？ 问题8：微波加热为什么称之为内部加热方式？ 问题9：各种物质对微波的吸收能力如何？ 问题10：微波的脱水效率如何？ 问题1：微波是什么？答：微波与无线电波、红外线、可见光一样都是电磁波，微波是指频率为300MHz-300KMHz的电磁波，即波长在1米到1毫米之间的电磁波。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”。 问题2：微波是怎样产生的？答：微波能通常由直流或50MHz交流电通过一特殊的器件来获得。可以产生微波的器件有许多种，但主要分为两大类：半导体器件和电真空器件。电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电子管。在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管，多腔速调管，微波三、四极管，行波管等。在目前微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。 问题3：微波应用的频率有那些？答：因为微波应用极为广泛，特别是通信领域，为了避免相互间的干扰，国际无线电管理委员会对频率的划分作了具体规定。分给工业、科学和医学用的频率有 433 兆赫、915兆赫、2450兆赫、5800兆赫、22125兆赫，与通信频率分开使用。目前国内用于工业加热的常用频率为915兆赫和2450兆赫。微波频率与功率的选择可根据被加热材料的形状、材质、含水率的不同而定。问题4：微波加热的原理是什么？答：介质材料由极性分子和非极性分子组成，在电磁场作用下，这些极性分子从原来的随机分布状态转向依照电场的极性排列取向。而在高频电磁场作用下，这些取向按交变电磁的频率不断变化，这一过程造成分子的运动和相互摩擦从而产生热量。此时交变电场的场能转化为介质内的热能，使介质温度不断升高，这就是对微波加热最通俗的解释。 问题5：微波杀菌的机理是什么？答：微波灭菌的机理在于，细菌、成虫与任何生物细胞一样，是由水、蛋白质、核酸、碳水化合物、脂肪和无机物等复杂化合物构成的一种凝聚态介质。其中水是生物细胞的主要成分，含量在75～85％，因为细菌的各种生理活动都必须有水参与才能进行，而细菌的生长繁殖过程，对各种营养物的吸收是通过细胞膜质的扩散、渗透和吸附作用来完成的。在一定强度微波场的作用下，物料中的虫类和菌体也会因分子极化驰豫，同时吸收微波能升温。由于它们是凝聚态物质，分子间的作用力加剧了微波能向热能的能态转化。从而使体内蛋白质同时受到无极性热运动和极性转动两方面的作用，使其空间结构变化或破坏，而使蛋白质变性。蛋白质变性 Sir-20说明书普通材料的介电值和术语集 1 常见物质的相对介电常数值和电磁波传播速度(RIS-K2说明书) ------------------《探地雷达方法与应用》（李大心） 2007第二期勘察科学与技术 电磁波在部分常见介质中的传播参数 （The propagation parameters of the electromagnetic wave in the medium） 地球表面大部分无水的物质(如干燥的土壤和岩石等)的介电常数，实部一般介于1.7-6之间，水的介电常数一般为81，虚部很小，一般可以忽略不计。岩石和土壤的介电常数与其含水量几乎呈线形关系增长，且与水的介电常数特性相同。所以天然材料的电学特性的变化，一般都是由于含水量的变化所致。对于岩石和土壤含水量和介电常数的关系国内外进行了详细研究(P.Hoekstra, 1974; J.E.Hipp,1 974;J .L.Davis,1 976;G A.Poe,1 971;J .R.Wang,1 977;E .G.巧okue tal ,1 977)。在实验室内大量测量了不同粒度的土壤一水混合物介电常数，考虑到束缚水和游离水，提出了经验土壤介电常数混合模型(J.R.Wang, 1985)。实验室内用开路探头技术和自由空间天线技术测量干燥岩石的介电常数(F.TUlaby, 1990)。国内肖金凯等人(1984, 1988)测量了大量的岩石和土壤的介电常数，王湘云、郭华东(1999)研究了三大岩类中所含的矿物对其介电常数的影响。研究表明，土壤中 含水量的变化影响介电常数的实部，水溶液中含盐量的变化影响土壤的导电性，即介电常数的虚部。水与某些铁锰化合物具有高的介电常数，绝大多数矿物的介电常数较低，约为4--12个相对单位，由于主要造岩矿物与水的相对介电常数存在较大差异，所以，具有较大孔隙度岩石的介电常数主要取决于它的含水量，泥岩由于含有大量的弱束缚水，所以其相对介电常数可高达50--60,岩石含泥质较多时，它们的介电常数与泥质含量有明显的关系，很多火成岩的孔隙度只有千分之几，其相对介电常数主要取决于造岩矿物，一般变化范围为6--12，水的介电常数与其矿化度的关系较弱，与此相应，岩石孔隙中所含水的矿化度同样对其介电常数不应有大的影响，水的矿化度的增大只导致岩石介电常数的少许增加。 表1 常见介质的电性参数值 媒质电导率 / （S/m） 介电常 数（相对 值） 电磁波速度/ （m/ns） 空气0 1 0.3 水10-4～3х10-281 0.033 花岗岩（干）10-8 5 0.15 灰岩（干）10-97 0.11 灰岩（湿） 2.5х10-28～10 0.11～0.095 粘土（湿）10-1～1 8～12 0.11～0.087 混凝土10-9～10-86～15 0.12～0.077 钢筋∞∞ 第9章 微波介质电特性测量 1 概述 不导电的物质或导电性能不好的物质称为电介质，简称介质。微波设备中用了许多类型的介质材料，介质材料的电性能直接关系到电子设备及器件的质量好坏。 1.1 复数介电常数 复数介电常数* ε可表示为： )(00*εεεεεε''-'==j r 式中，r ε为复数相对介电常数（通常称为复介电常数）； 0ε为自由空间的介电常数，0ε=0.885 4×10-11F/M 。 )1()1(/0*δεεεεεεεεεjtg j j r -'=' ' '-'=''-'== 式中，ε'为相对介电常数（通常称为介电常数）；ε''为表示材料中发生的损耗；δ为介质 的电损耗角。 通常认为ε'和δtg 是表示介质材料电性能的重要参数；ε'表示在外电场作用下，介质材料贮存能量的本领；δtg 表示介质材料在外电场作用下，周期内热功损耗与贮存功率之比，是衡量介质材料损耗大小的参量。 1.2 微波复介电常数测量方法分类 微波频段测量介质材料电性能的方法很多，概括起来可分为五大类，如表9-1所示。 表9-1 微波介质材料测量方法分类 2 传输线法 传输线法是将介质样品放在矩形波导或同轴线内（或开路传输线外），由直接测量波导段（或同轴线段）样品前面的驻波参量或反射参量来确定介质电特性。传输线法目前已在300MHz 到40GHz 的宽广频段上使用。它可以测量固体、液体和气体。但实际中测量固体较多，所以，这里主要介绍固体介质测量的几种典型方法。 2.1 端短路法 端短路法是将介质制成长方形（或环形）样品，填充在短路波导(或同轴线)末端，由测量介质样品段的驻波参量确定介质电特性的方法。 2.1.1 测试原理 万方数据 材料复介电常数测量的方法 作者：杜婵 作者单位：华中师范大学物理科学与技术学院,湖北武汉,430079 刊名： 科技风 英文刊名：TECHNOLOGY WIND 年，卷(期)：2008(5) 本文读者也读过(9条) 1.魏玮介电常数的实地测量方法研究[学位论文]2006 2.黄铭.彭金辉.张世敏.张利波.夏洪应.杨晶晶材料介电常数的测量方法及应用[会议论文]-2005 3.曹玉婷.张安祺.尹秋艳.Cao Yuting.Zhang Anqi.Yin Qiuyan基于Matlab的介电常数测量[期刊论文]-舰船电子工程2008,28(4) 4.马国田.梁昌洪.MA Guotian.LIANG Changhong分层媒质复介电常数测量的一种方法[期刊论文]-微波学报2000,16(2) 5.王秀丽.陈彦.贾明全.刘丽娜.郑伟.四郎.Wang Xiuli.Chen Yan.Jia Mingquan.Liu Lina.Zheng Wei.Si Lang 介电常数的实地测量装置的研制[期刊论文]-电子测量技术2010(9) 6.陈维.姚熹.魏晓勇.CHEN Wei.YAO Xi.WEI Xiao-yong同轴传输反射法测量高损耗材料微波介电常数[期刊论文]-功能材料2005,36(9) 7.桂勇锋毫米波段低损耗平面和非平面材料复介电常数测量研究[学位论文]2009 8.李钰.李云宝.童明强电介质介电常数的测量及其不确定度的评定[会议论文]-2009 9.吴昌英.丁君.韦高.许家栋.WU Chang-ying.DING Jun.WEI Gao.XU Jia-dong一种微波介质谐振器介电常数测量方法[期刊论文]-测控技术2008,27(6) 本文链接：https://www.doczj.com/doc/c14210707.html,/Periodical_kjf200805017.aspx 《微波技术基础》课程学习知识要点 第一章学习知识要点 1．微波的定义—把波长从1米到0.1毫米范围内的电磁波称为微波。微波波段对应的频率范围为: 3×108Hz～3×1012Hz。在整个电磁波谱中，微波处于普通无线电波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和宽10000倍。一般情况下，微波又可划分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段。 2．微波具有如下四个主要特点：1) 似光性、2) 频率高、3) 能穿透电离层、4) 量子特性。 3．微波技术的主要应用：1) 在雷达上的应用、2) 在通讯方面的应用、3) 在科学研究方面的应用、4) 在生物医学方面的应用、5) 微波能的应用。 4．微波技术是研究微波信号的产生、传输、变换、发射、接收和测量的一门学科，它的基本理论是经典的电磁场理论，研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。一种是“场”的分析方法，即从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下解电磁波动方程，求得场量的时空变化规律，分析电磁波沿线的各种传输特性；另一种是“路”的分析方法，即将传输线作为分布参数电路处理，用克希霍夫定律建立传输线方程，求得线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输特性。 第二章学习知识要点 1. 传输线可用来传输电磁信号能量和构成各种微波元器件。微波传输线是一种分布参数电路，线上的电压和电流是时间和空间位置的二元函数，它们沿线的变化规律可由传输线方程来描述。传输线方程是传输线理论中的基本方程。 2. 均匀无耗传输线方程为 () ()()()d U z dz U z d I z dz I z 22222 20 -=-=ββ 其解为 ()()() U z A e A e I z Z A e A e j z j z j z j z =+=---120121ββββ 对于均匀无耗传输线,已知终端电压U 2和电流I 2，则: 对于均匀无耗传输线,已知始端电压U 1和电流I 1，则: 其参量为 Z L C 00 0=，βπλ=2p ，v v p r =0 ε，λλεp r =0 3. 终端接的不同性质的负载，均匀无耗传输线有三种工作状态： (1) 当Z Z L =0时，传输线工作于行波状态。线上只有入射波存在，电压电流振幅不变，相位沿传播方向滞后；沿线的阻抗均等于特性阻抗；电磁能量全部被负载吸收。 (2) 当Z L =0、∞和±jX 时，传输线工作于驻波状态。线上入射波和反射波的振幅相等，驻波的波腹为入射波的两倍，波节为零；电压波腹点的阻抗为无限大，电压波节点的阻抗为零，沿线其余各点的阻抗均为纯电抗；电压（电流）波腹点和电压（电流）波节点每隔λ4交替出现，每隔2λ重复出现；没有电磁能量的传输，只有电磁能量的交换。 (3) 当Z R jX L L L =+时，传输线工作于行驻波状态。行驻波的波腹小于两倍入射波，波节不为零；电压波腹点的阻抗为最大的纯电阻R Z max =ρ0，电压波节点的阻抗为最小的纯电阻R Z min =0ρ； ()()?????-=-= sin cos sin cos 011011Z z jU z I z I z Z jI z U z U ββββ()()?????+=+= sin cos sin cos 022022Z z jU z I z I z Z jI z U z U ββββ微波电路及设计的基础知识
微波介质陶瓷的介电特性数值计算
《计算材料学》课程设计
指导老师：江建军
教授
电子科学与技术系 2004 年 6 月
电子 0102B3 组
1
微波介质陶瓷的介电特性数值计算
万文涛 洪毅 黄文佳 陈婷 杨伟伟 王旭曦 袁大双 黄钏 饶伟 贺策林 李树平 （华中科技大学电子科学与技术系，武汉 430074）
摘要：对于微波介质陶瓷,建立数学模型,
讨论了介电常数与组分，温度，频率的关系。对于组分，重
点讨论运用蒙特卡罗有限元法计算出波介质陶瓷的宏观介电常数 ε m ，结果显示由二维模型和三维模型计 算得出的介电常数 ε m 大小位于串并联模型之间,而且由二维模型计算得出的介电常数 ε m 比由三维模型得 出的结果小，因为实际的一个由两相构成的微波介质陶瓷的相都是以三维形式分布的,所以由三维模型计 算出的介电常数 ε m 比用二维计算的结果要精确；对于频率，介电常数随它的变化不明显；由于温度的变 化灰引起结构以及组成物质的相的变化，只讨论了BaTiO3一类MWDC和温度的变化关系。
关键词：微波介质陶瓷；蒙特卡罗有限元法；介电常数；二相化合物
Dielectric Properties Culculated of MicroWave Dielectric Ceremoes(MWDC) ( Department of Electronics Science & Technology,Huazhong university,Wuhan 430074,China)
Abstract: As to the MicroWave Dielectric Ceremoes, the mathematics model is established,and the relations between dielectric constant and many factors is discussed,such as component,temperature and frequency.In the aspect of component, great importance is taken to using monte carlo and finite element method to culculate the macro dielectric constant of MWDC 。 The results are displayed in curves ,which use two-dimension and three-dimension models and are manifested between the results of serial model and parallel
model.Furthermore,the values which are simulated in two-dimension model are smaller than the ones in three-dimension,for the two-phase MWDC are distributed in three dimensions actually.So it’s preciser to use the three-dimemsion model.In the frequency of microwave,the dielectric constant doesn’t vary obviously.Besides, the changes of temperature can lead to the varieties of the construction and phases of materials,so we only discuss the changes with temperature of BaTiO3。 Keywords:MWDC,Monte Carlo method,finite element method,two-phased materies
电子 0102B3 组
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