7 6 1 2 3 4谐振腔
永久磁场
（三）微波电子自旋共振实验
实验目的 1.研究了解电子自旋共振现象； 2.测量DPPH中的朗得g因子； 3.了解和掌握微波元件在实验中的应用； 4.测定波导波长
四、常用微波元件
（一）微波信号源：电子管源、固态源
电子管源：反射式速调管、行波管、磁控管
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2. TE10 波（主波）的电磁场结构
0 a x j ( t z ) sin( )e Ey j a
Ex Ez 0
x j ( t z ) H x j sin( )e a x j ( t z ) H z cos( )e a
TD-SCDMA
带宽：1.6MHz 频段：1880MHz---2400MHz CDMA2000 带宽：1.25MHz 频段：1920MHz---2150MHz WCDMA 带宽：5MHz 频段：1940MHz---2145MHz
二、微波基本特点
微波与无线电波相比，它的波长小得多， 相应的频率也高得多。这种数量的变化引起 了电磁波性质的变化，使得微波具有一系列 不同于普通无线电波的特点。现将微波与无 线电波的主要不同点简述如下：
铁磁共振（FMR）观察的对象是铁磁介质 中的未偶电子。由磁学知识可知，物质的铁 磁性主要来源于原子或离子在未满壳层中存 在的非成对电子自旋磁矩。由于电子自旋磁 矩之间存在着强耦合作用，使铁磁介质中存 在着许多自发磁化的小区域，这样的小区域 称为磁畴。
微波铁磁共振实验装置
微波铁磁共振实验装置
信号源
微波测量技术
山东师范大学物理实验中心
一、微波基础知识
按照国际电工委员会（IEC）的定义，微波 （Microwaves）是：
“波长足够短，以致在发射和接收中能实际 应用波导和谐振腔技术的电磁波”
微波是指：波长为１m至0.１mm,频率在 300MHz-3000GHz之间的电磁波或无线电波。
106 电波 103 100 10-3 10-6 10-9 10-12 X射线
λ(m)
广播 电视 微波 红外可见光 紫外
无 线 电 波 光 波
波长处于光波和无线电波之间
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微波频段的划分： 分米波, 厘米波，毫米波和亚毫米波
常用波段代号
波段代号 频率范围 （GHz） 标称波长 (cm) L S C X 8-12 3 Ku K W
1-2 2-4
矩形波导管示意图
E y H E b E n H
H x a
z
电磁波在波导中的传播
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1.导行波的概念 由波导传输线所引导的，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：
横电磁波（TEM波） 横电波(TE波) 横磁波(TM波)
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TEM波传输线
平行双线 波导传输线
同轴线
带状线
微带线
矩形波导 表面波传输线
圆形波导
脊形波导
椭圆波导
介质波导
镜像线
单线波导
波导管——是由金属空心管所形成的无内导体的一种传输 线，具有损耗小、功率容量大等优点。有圆柱形波导管和矩 形波导管。在实际应用中，波导截面的尺寸也不是任意的。 3cm矩形波导管尺寸 a=22.86mm b=10.16mm 其主模频率范围： 8.20—12.50GHz 截止频率： 6.557GHz
4. 分析方法的独特性 由于微波波长较短，频率高。微波的传输 系统，微波元器件以及它们的工作原理和分 析方法都与直流、低频电路系统，低频元器 件以及它们的工作原理和分析方法截然不同。
在低频电路（直流）： 工作波长已远远超出实际电路的几何尺寸 （例如：对应于50Hz的电磁波其波长值为 6000KM）。我们可以认为有关物理量在传输 系统中是均匀分布的。因此，我们只需考虑 各物理量随时间的变化，而不考虑其空间分 布。 在低频电路基本参数：电压、电流和频 率；其他参数，如波长、功率、阻抗、品质 因数等均可由这三个今本参数导出。
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在讨论 Hz 分布时，必须注意到，在 z＝0的截面上， H沿x方向是呈余弦变化， 即 x j ( t z )
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在高频电路（微波）： 工作波长与微波器件的几何尺寸十分接 近，电路是一种分布参数电路，电压、电流 不仅失去了原有的意义，且根本无法直接测 量，所以不能在作为基本参数。为此，微波 系统的研究方法必须从三维空间场的理论着 手，才能认识和讨论有关问题。 在高频领域，测量基本参数：频率（或波 长）、驻波比（或反射系数）、功率；其他 参数如阻抗、衰减系数、品质因数等原则上 可以由三个基本参数导出。
低频 电 路
高频 电 场 麦克斯韦方程组 分布参数
基尔霍夫定律
集总参数
低频电路系统 物理量：电压、电阻、电流、电容、电感 传输线：各种形式的导体电路系统 分析方法：集总参数、电路、基尔霍夫定律 微波系统 物理量：功率、驻波比、阻抗、模式 传输线：波导管、同轴线、微带线、大气等 分析方法：分布参数、电场、麦克斯韦方程组
22 10
4-8
5
1218
2
1827
1.25
80100
0.3
•C~K 为早期的微波通信频段，80’s 后较少 •W(3mm) 实际上是卫星通信的主流频段 广播电视、通信频率相对较低： KHz~ 3GHz 在实验中使用厘米波中的X波段， 其标称波长为3.2cm，中心频率为9375MHz。
国际上对各微波频段用途的规定
a b
横截面
纵截面
a
顶视图
y
z x
0 a x j ( t z ) sin( )e Ey j a
Ex Ez 0
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TE10 波中磁场H只有Hx 及Hz 分量。其磁力 线分布在x-z平面内。 由于，Ey 和 Hx 决定着电磁波沿z方向 传播的能量，就必然要求 Ey 与 Hx 同相， 即沿z方向在 Ey 最大处，Hx 也最大。 在x方向上 Hx 是呈正弦分布（与 Ey 同 相）。所以H在横截面和纵剖面的分布情况也 与 Ey 相同。
说明电场强度只与x有关，且按正弦规律变化。 在x＝0及x＝a处（波导中的两个窄边上）Ey=0 在x=a/2处（波导宽边中央） Ey= Eymax 。 由于，能量是沿z方向传播的。因此Ey将沿 z方向呈行波状态，并在x=a/2的纵剖面内,Ey 沿z轴也是按正弦分布。
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TE10 波电场结构分布图
频率、驻波比、功率在微波基本测量实验中对其进行测量
三、微波技术系列实验
实验目的
本系列实验是为了让学生了解微波的基本 概念，了解微波的应用，掌握若干微波元器 件的原理和用法，学习若干种微波测量方 法，为从事与微波有关的工作打下基础。
微波技术系列实验
微波传输特性与基本测量实验 微波光学特性测量实验 微波铁磁共振实验 微波电子自旋共振实验 微波法测电容率与介电损耗角
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1.

似光性，似声性—方向性好
微波具有直线传播、显著反射、 折射的特性，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，这为雷 达定位、导航等领域提供了广阔的 应用。
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(B) 横电波（TE波） TE波即是横电波或称为 “磁波 ” （H波），其特征 是 Ez =0 ,而 Hz ≠0 。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 Hz =0 ，而 Ez ≠0 。 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 传输波 TEmn ，又能传输波 TMmn （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)。

微波炉中磁控管工作频率为 2.45 GHz； C 波段通讯卫星的工作频率：下行频率为 3.700 ~ 4.200 GHz ， 上行频率为 5.925 ~ 6.425 GHz。 Ku 波段通讯卫星的工作频率：下行频率为 11.7 ~ 12.2 GHz ，上 行频率为 14.0 ~ 14.5 GHz。 40 ~ 60 GHz 为保密通信频段； 26.5 ~ 40 GHz 和 75 ~110 GHz 为雷达、制导系统频段等等。
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Ez 0
H z 0
(A) 横电磁波（TEM波） TEM波的特征是： Ez =0 Hz =0 即：电场E和磁场H均无纵向分量，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管 中传播，只能在平行双线或同轴线中传播。
Hy 0
其中

2
g 1 c
g
c 2a
c f
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TE10 波中电场E只有Ey 分量。其电力线将与xz平面处处正交。 如图所示。在x-y平面内
0 a x j (t z ) sin( )e Ey j a
微波基本参数的测量方法与低频电路大不相同 频率（波长）、驻波比、阻抗和功率等微波参 数的测量方法有其独特之处。 频率（波长）的测量根据谐振腔的选频原理来进 行（即通常所称的“吸收式波长计”）。 驻波比的测量是通过检测电场强度的相对值来实 现。 功率的测量是利用微波的热效应（热电偶、热敏 电阻等），通过热电换能器进行间接的量测。