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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I960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近年来，科技界出现一种倾向，力图用一种物理定律把其它物理量（如长度、电 压和温度等）转换成频率的测量以提高测量精确度1968 年国际计量大会决议： “定义时间单位‘秒'为铯—133 原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的 辐射的 9 192 613 770 周期的持续时间”，这根谱线就处于微波波段内1983 年国际计量大会对米的定义做出决议：“米是光在真空中在 1/299 792 458 秒的 时间间隔内行程的长度”新的米定义建立在“秒”和物理基本常数光速（299 792 458m/s）的基础上3）微波与物质的相互作用微波铁氧体是微波技术中常用的一种各向异性材料，它不仅具有较强的磁性，而 且具有很高的电阻率。

微波很容易通过铁氧体，在铁氧体中产生特殊的磁效应— —旋磁性在恒磁场和微波场的作用下，微波铁氧体的微波磁导率是一个张量 张量磁导率的特点是：①非对称性，这使微波在铁氧体中传播具有非互易性，成 为制作非互易微波铁氧体器件的基础；②张量元素都是复数，其实部具有频散特 征，其虚部具有共振特性，是研究铁氧体的微波特性和微观结构的基础等离子体是分别带有正负电荷的两种粒子所组成的电中性的粒子体系，其中至少 有一种带电粒子是可以自由运动的等离子态称为物质的第四态等离子体物理 与受控热核反应、空间研究、天体物理和气体激光等密切相关，且有重要应用， 利用微波与等离子体的相互作用，可以对等离子体的特性进行研究并促进应用 例如：①微波等离子诊断（利用微波在等子离子体中的传播特性，对等离子体的 参量进行测量）；②利用高功率微波加热等离子体（利用等离子体的高频损耗特 性进行微波加热）；③利用微波产生等离子体（高功率微波可以使气体放电产生 等离子体）4）穿透电离层——天体物理和射电天文研究以微波为主要观测手段的射电天文学的迅速发展，扩大了天文观察的视野，促进 了天体物理的研究，所谓六十年天文学的四大发现——类星体、中子星、微波背 景辐射和星际分了，全都是利用微波为主要观测手段发现的。

其中，微波背景辐 射被誉为“二十世纪天文学的一项重大成就”，荣获 1978 年诺贝尔物理奖5）介质的微波特性——微波电谱和磁谱，微波吸收材料，微波遥感 微波电谱和磁谱是指介质的介电常数和磁导率与外加微波场频率的相互关系，微 波电谱和磁谱不仅提供介质材料性能的重要判据，在基础研究中也具有特殊的意 义例如在电子对抗技术中采用的微波吸收材料，由微波遥感获得遥感信息等， 都与微波技术和微波电谱、磁谱有关3. 耿氏（Gunn ）二极管振荡器教学实验室常用的微波振荡器除了反射式速调管振荡器外，还有耿氏（或称体效 应）二极管振荡器，也称之为固态源耿氏二极管振荡器的核心是耿氏二极管耿氏二极管主要是基于n型砷化镓的导 带双谷——高能谷和低能谷结构1963年耿氏在实验中观察到在n型砷化镓样 品的两端加上直流电压，当电压较小时样品电流随电压增高而增大；当电压卩超 过某一临界值比后，随着电压的增高电流反而减小（这种随电场的增加电流下 降的现象称为负阻效应）；电压继续增大（芦＞%）则电流趋向饱和（如图1所 示）这说明n型砷化镓样品具有负阻特性图 1 耿氏管的电流-电压特性砷化镓的负阻特性可用半导体能带理论解释如图 2 所示，砷化镓是一种多能谷 材料，其中具有最低能量的主谷和能量较高的临近子谷具有不同的性质。

当电子 处于主谷时有效质量枕'较小，则迁移率戶较高；当电子处于子谷时有效质量燃* 较大，则迁移率B较低在常温且无外加电场时，大部分电子处于电子迁移率高 而有效质量低的主谷，随着外加电场的增大，电子平均漂移速度也增大；当外加电场大到足够使主谷的电子能量增加至 0.36eV 时，部分电子转移到子谷，在那 里迁移率低而有效质量较大，其结果是随着外加电压的增大，电子的平均漂移速 度反而减小图3所示为一耿氏管示意图在管两端加电压，当管内电场丑略大于坊（鸟为 负阻效应起始电场强度）时，由于管内局部电量的不均匀涨落（通常在阴极附近）， 在阴极端开始生成电荷的偶极畴；偶极畴的形成使畴内电场增大而使畴外电场下 降，从而进一步使畴内的电子转入高能谷，直至畴内电子全部进入高能谷，畴不 再长大此后，偶极畴在外电场作用下以饱和漂移速度向阳极移动直至消失而 后整个电场重新上升，再次重复相同的过程，周而复始地产生畴的建立、移动和 消失，构成电流的周期性振荡，形成一连串很窄的电流，这就是耿氏二极管的振 荡原理耿氏二极管的工作频率主要由偶极畴的渡越时间决定实际应用中，一般将耿氏 管装在金属谐振腔中做成振荡器，通过改变腔体内的机械调谐装置可在一定范围 内改变耿氏振荡器的工作频率。

苦- 一 舌图 2 砷化镓的能带结构图3 耿氏管中畴的形成、传播和消失过程4．晶体检波器微波检波系统采用半导体点接触二极管（又称微波二极管），外壳为高频铝瓷管形状象子弹（也有别的形状的），结构如图4 （a）所示晶体检波器就是一段 波导和装在其中的微波二极管，结构如图4（b）所示将微波二极管（检波晶体） 插入波导宽壁中，使它对波导两宽壁间的感应电压（与该处电场强度成正比）进 行检波为了获得大的检波信号输出，调节后部的短路活塞位置，使它与晶体间 的距离约等于壶2,使晶体处于电场最大（驻波波腹）处有的晶体检波器， 前方装有三螺钉调配器，以便使它后面与输入波导相匹配，提高检波效率51L1半导悻—微建输丸苗波烷出 绝境崔留图 4 检波晶体结构（a）及晶体检波器结构 （b）示意图由于检波晶体上的电压圧与微波中的电场丑成正比，检流电流通 与应的关系为式中疋是一比例常数，起是大于1小于2的一个数，当应较小时，用対2,这是晶 体的平方律区域；当遲较大时，“丹1,这是晶体的线性律区域在平方律区域, 晶体的检波电流与晶体接受的微波功率成正比二、实验原理1. 微波的反射微波遵从反射定律，如图5所示，一束微波从发射喇叭A发出以入射角 射 向金属板MN,则在反射方向的位置上，置一接收喇叭B，只有当B处在反射角Z '=Z时，接受到的功率最大，即反射角等于入射角。

图 5 微波的反射2. 微波的单缝衍射微波的衍射原理与光波完全相同，当一束微波入射到一宽度与波长可比拟的狭缝 时，它就要发生衍射现象，如图 6所示图 6 微波的单缝衍射设微波波长为X,狭缝宽度为说，当衍射角少符合:asm址兄■M,2,3,… 2时在狭缝背面出现衍射波的强度极小，而当asin ^?= ±（2七 +1）£时，则在缝后面出现衍射波的强度极大（主极大发生在诃处）3. 微波的双缝干涉微波遵守光波的干涉规律，如图 7所示，图 7 微波的双缝干涉当一束微波（波长为久）垂直入射到金属板的二条狭缝上，则每条狭缝就是次波 源由两缝发出的次波是相干波，因此金属板的背面空间中，将产生干涉现象， 设缝宽为尬，两缝间距离为占，则由光的干涉原理可知，当（a + b） sin ±kA疋=0,1,2,3,… 4时，干涉加强（主极大发生在 处）当{a +i）sin ±（2七 +1） —疋=0,1,2,3,…时，干涉减弱4. 微波的偏振性微波在自由空间传播是横电磁波，它的电场强度矢量遲与磁场强度矢量H和波 的传播方向永远成正交的关系，它们的振动面的方向总是保持不变总、H E遵守乌莫夫-坡印矢量关系（见图8）,即为ExH=S 5如果总在垂直于传播方向的平面内，沿着一条固定的直线变化，这样的横电磁波 叫线极化波，在光学中也叫偏振波。

电磁场沿某一方向的能量有较八氐的关系， 这就是光学中的马吕斯定律式中几为偏振光强度，⑴是 与对间的夹角5. 微波的迈克尔逊干涉用微波源做波源的迈克尔逊干涉仪与光学中的迈克尔逊干涉完全相似，其装置如图9所示，发射喇叭发出的微波，被45°放置的分光玻璃板MM （也称半透射板） 分成两束，一束由MM反射到固定反射板A；另一束透过MM到达可移动反射板B. 由于A、B为全反射金属板，两列波被反射再次回到半透射板A束透射，B束反 射，会聚于接受喇叭，于是接受喇叭收到两束同频率、振动方向一致的二束波 如果这二束波的位相差为次的偶数倍，则干涉加强；当位相差为汀的奇数倍则干 涉减弱图8丑、日、&遵守乌莫夫-坡印矢量关系 微波的迈克尔逊干涉仪假设入射的微波波长为見，经A和B反射后到达接受喇叭的波长度为"，当& =力入 疋=0,±1, ±2, ±3,…时，将有接受喇叭后面的指示器有极大示数当5 = (2A;+ 1)^。