微波是指频率为300MHz~300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米~1米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。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”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。
微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。
一、实验目的
1、了解与学习微波产生的基本原理以及传播和接收等基本特性。
2、研究微波的偏振与双缝干射特性
二、实验仪器
微波信号源由直流稳压电源和体效应固态源组成。接通电源，电压输入至固态源，固态源开始振荡，具有单一波长的微波信号便从波导口输出。
微波实验仪由可变衰减器、发射喇叭天线、晶体检波器和直流微安表组成。
其中，固态源、可变衰减器和发射喇叭天线安装在固定臂上，接收喇叭天线、晶体检波器和直流微安表安装在活动臂上，活动臂转过的角度可在分度转台上读出，同时，分度转台也可相对于固定臂转动。
可变衰减器用来改变微波信号强度的大小。发射喇叭天线将微波定向发射出系谱
去，微波信号是偏振的，其中电矢量E 的偏振方向与喇叭天线口的轴线和宽边相
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垂直。接收喇叭天线将接收到的微波信号汇集至波导段中的晶体检波器处，喇叭及检波器可绕喇叭口轴线旋转，旋转角度由轴承环上的刻度读出。晶体检波器兼有检偏和转换功能，微波信号中与接收喇叭口轴线和宽边相垂直的电振动分量被转换为直流电信号，通过直流微安表指示。微安表指针指示的电流的大小与接收喇叭天线接收到的微波信号强度大小成正比。
三、实验原理
1、微波的偏振
电磁波是横波，它的电场强度矢量E 和波的传播方向垂直。如果E 始终在垂直于传播方向的平面内某一确定方向变化，这样的横电磁波叫线极化波，在光学中也叫偏振光。如一线极化电磁波以能量强度0I 发射，而由于接收器的方向性较强（只能吸收某一方向的线极化电磁波，相当于一光学偏振片，如图1。发射的微波电场强度矢量E 如在1P 方向，经
图1
接收方向为2P 的接收器后（发射器与接收器类似起偏器和检偏器），其强度α20cos I I =，其中α为P 1和P 2的夹角。这就是光学中的马吕斯（Malus ）定律，图 4 光学中的马吕斯定律
在微波测量中同样适用（实验中由于喇叭口的影响会有一定的误差，因此当有消光现象出现时便可验证马吕律）。
在微波实验仪上形成微波的偏振，通过定量测量及研究分析并与光的偏振特性相比较，可使我们能够更好地认识微波，更精确地描述微波的偏振特性。
2、微波的双缝干涉
微波是电磁波，具有波的干涉特性。如图所示，当一束平面波垂直入射到一金属板的两条狭缝上时，则每一条狭缝就是微波波源，由两缝发出的次波是相干
图2
波，因此，在金属板的背后面空间，将产生干涉现象。
干涉强度极大的微波束的方向θ与双缝间距)(b a +及微波波长λ满足如下关系：
λθk b a =+sin )(， k =0,±1,±2,…,±n
其中0=k 为中央极大，其它分别为1±级，2±级，……，n ±级极大。若测读出次极大微波束的方向θ，则可由θλk b a =+求出双缝间距)(b a +。
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3、微波的布拉格颜射
任何的真实晶体，其具有的自然外形及各向异性的性质，均与晶体中离子、原子或分子在空间按一定几何规律排列分布密切相关。
晶体内的离子、原子或分子均成点阵分布，两相邻结点即相邻晶面的距离d 为晶体的晶格常数。真实晶体的晶格常数约为810-厘米的数量级，而x 射线的波长约为88105.2~105.0--⨯⨯厘米，与晶体的晶格常数属于同一数量级。因此，晶体对入射的x 射线起着衍射光栅的作用。通常是利用x 射线在晶体点阵上的衍射现象来研究晶体点阵的间距和相互位置的排列，以达到对晶体结构的了解。 微波 a
b θ +1级极大
0级极大
-1级极大
布拉格衍射是用X 射线研究微观晶体结构的一种方法。因为X 射线的波长与晶体的晶格常数同数量级，所以一般采用X 射线研究微观晶体的结构。而在此用微波模拟X 射线，照射到放大的晶体模型上，
产生的衍射现象与X 射线对晶体的布拉格衍射现象与计算结果都基本相似。所以通过此实验对加深理解微观晶体的布拉格衍射实验方法是十分直观的。
固体物质一般分晶体与非晶体两大类，晶体又分单晶与多晶。组成晶体的原子或分子按一定规律在空间周期性排列，而多晶体是由许多单晶体的晶粒组成。其中最简单的晶体结构如图3所示，在直角坐标中沿X 、Y 、Z 三个方向，原子在空间依序重复排列，形成简单的立方点阵。组成晶体的原子可以看作处在晶体的晶面上，而晶体的晶面有许多不同的取向。
图6 布拉格衍射
图4
如图3左方为最简立方点阵，右方表示的就是一般最重要也是最常用的三种晶面。这三种晶面分别为（100）面、（110）面、（111）面，圆括号中的三个数字称为晶面指数。一般而言，晶面指数为()123n n n 的晶面族，其相邻的两个晶面间距d=100）面的间距d 等于晶格常数α；相邻的两个（110）面的晶面间距d=111）面的晶面间距d=，
图3 晶体结构模型竹子化石
实际上还有许许多多更复杂的取法形成其他取向的晶面族。
因微波的波长可在几厘米，所以可用一些铝制的小球模拟微观原子，制作晶体模型。具体方法是将金
属小球用细线串联在空间有规律地排列，形成如同晶体的简单立方点阵。各小球间距d 设置为4cm （与微波波长同数量级）左右。当如同光波的微波入射到该模拟晶体结构的三维空间点阵时，因为每一个晶面相当于一个镜面，入射微波遵守反射定律，反射角等于入射角，如图4所示。而从间距为d 的相邻两个晶面反射的两束波的程差为αsin 2d ，其中α为入射波与晶面的夹角。显然，只是当满足
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2sin ,d ακλ= 1,2,3κ= （1） 时，出现干涉极大。方程（1）称为晶体衍射的布拉格公式。
如果改用通常使用的入射角β表示，则（1）式为
2cos ,d βκλ= 1,2,3κ= （2） 要进行x 射线的晶体结构分析实验是非常不容易的，但我们可以采用微波来
代替x 射线，进行微波对模拟晶体的结构分析实验，以理解布拉格衍射分析晶体结构的规律。其中，微波的波长约为3厘米，而模拟晶体的晶格常数约为4厘米，满足产生布拉格衍射的条件。将一束微波以不同的掠射角θ照射到模拟晶体上，观测出射波强度最大的掠射角θ，依据λθ=sin 2d 可求得模拟晶体的晶格常数θλsin 2=d 。
四、实验内容与要求
1．微波偏振
调整实验仪，使发射喇叭轴承环指针在00.0处，使活动臂与固定臂在同一直A B d
difθ θ
O C
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