CN113686453B - 一种射电波波长测量装置和射电波波长测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种射电波波长测量装置和射电波波长测量方法。其中，射电波波长测量装置包括第一波源、第二波源、探测器、圆形金属膜、距离调节器和信号处理器；探测器、圆形金属膜、第一波源和第二波源沿预设方向依次布设；第一波源和第二波源为相干波源；距离调节器用于调节第一波源与圆形金属膜之间的距离、第二波源与圆形金属膜之间的距离以及探测器与圆形金属膜之间的距离；探测器用于接收第一波源和第二波源的发射信号绕过圆形金属膜形成的泊松亮斑信号；信号处理器与探测器连接，信号处理器用于将泊松亮斑信号转换成直流电压信号。本公开技术方案采用上述射电波波长测量装置，能够使用泊松亮斑相干方法实现波长的测量。

Description

一种射电波波长测量装置和射电波波长测量方法

技术领域

本公开涉及波长测量领域，尤其涉及一种射电波波长测量装置和射电波波长测量方法。

背景技术

在实验教学中，测量可见光波长有迈克尔逊干涉仪、光栅和杨氏双缝等实验，而可见光的泊松亮斑实验一般局限于显示效果，难以定量测量波长。另外，微波实验中有驻波法测量波导中微波波长的实验，没有泊松亮斑的演示实验，更没法使用泊松亮斑来测量波长。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种射电波波长测量装置和射电波波长测量方法。

本公开提供了一种射电波波长测量装置，包括第一波源、第二波源、探测器、圆形金属膜、距离调节器和信号处理器；

所述探测器、所述圆形金属膜、所述第一波源和所述第二波源沿预设方向依次布设；

所述第一波源和所述第二波源为相干波源；所述距离调节器用于沿所述预设方向调节所述第一波源与所述圆形金属膜之间的距离、所述第二波源与所述圆形金属膜之间的距离以及所述探测器与所述圆形金属膜之间的距离；所述探测器用于接收所述第一波源和所述第二波源的发射信号绕过所述圆形金属膜形成的泊松亮斑信号；所述信号处理器与所述探测器连接，所述信号处理器至少用于将所述泊松亮斑信号转换成直流电压信号。

在一些实施例中，所述第一波源的中心、所述第二波源的中心、所述探测器的中心和所述圆形金属膜的圆心位于一条直线上，所述圆形金属膜所在平面与所述直线垂直。

在一些实施例中，所述第一波源为第一发射天线，所述第二波源为第二发射天线，所述探测器为探测天线。

在一些实施例中，所述第一发射天线、所述第二发射天线和所述探测天线均为半波振子天线。

在一些实施例中，所述第一发射天线、所述第二发射天线和所述探测天线的长度方向相同。

在一些实施例中，所述距离调节器包括标有刻度的导轨，所述导轨沿所述预设方向延伸，所述第一波源和所述第二波源能够沿所述导轨移动。

在一些实施例中，所述射电波波长测量装置还包括射频信号源、转接头、第一射频功放和第二射频功放；所述射频信号源的输出端与所述转接头的输入端连接，所述转接头的第一输出端与所述第一射频功放的输入端连接，所述转接头的第二输出端与所述第二射频功放的输入端连接，所述第一射频功放的输出端与所述第一发射天线连接，所述第二射频功放的输出端与所述第二发射天线连接。

在一些实施例中，所述信号处理器包括包络检波器、低频功放和演示模块；所述包络检波器的输入端与所述探测天线连接，所述包络检波器的输出端与所述低频功放的输入端连接，所述低频功放的输出端与所述演示模块的输入端连接；

所述包络检波器用于将所述泊松亮斑信号转换成直流电压信号；所述低频功放用于放大所述直流电压信号，所述演示模块用于演示放大后的所述直流电压信号。

本公开还提供了一种射电波波长测量方法，采用本公开提供的射电波波长测量装置进行波长测量，所述方法包括：

关闭第二波源且开启第一波源，并通过距离调节器调节所述第一波源与圆形金属膜之间的距离以及探测器与所述圆形金属膜之间的距离，以将信号处理器转换的第一直流电压调节至预设直流电压；

开启所述第二波源，并通过所述距离调节器增大或减小所述第二波源与所述圆形金属膜之间的距离；

实时记录所述信号处理器转换的第二直流电压以及对应的所述第二波源的位置；

根据所述第二直流电压以及对应的所述第二波源的位置，确定待测波长。

在一些实施例中，根据所述第二直流电压以及对应的所述第二波源的位置，确定待测波长，包括：

从所述第二直流电压中确定相邻两个极小值；确定所述相邻两个极小值对应的两个所述第二波源的位置；或者，从所述第二直流电压中确定相邻两个极大值；确定所述相邻两个极大值对应的两个所述第二波源的位置；

将所述两个所述第二波源的位置之间的长度确定为所述待测波长。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本公开实施例提供的技术方案，设计一射电波波长测量装置，包括第一波源、第二波源、探测器、圆形金属膜、距离调节器和信号处理器；探测器、圆形金属膜、第一波源和第二波源沿预设方向依次布设；第一波源和第二波源为相干波源；距离调节器用于沿预设方向调节第一波源与圆形金属膜之间的距离、第二波源与圆形金属膜之间的距离以及探测器与圆形金属膜之间的距离；探测器用于接收第一波源和第二波源的发射信号绕过圆形金属膜形成的泊松亮斑信号；信号处理器与探测器连接，信号处理器至少用于将泊松亮斑信号转换成直流电压信号。如此，采用上述射电波波长测量装置，能够使得第一波源和第二波源的发射信号经过圆形金属膜发生衍射，在探测器处形成泊松亮斑信号，而第一波源和第二波源为相干波源，因此探测器探测到的泊松亮斑信号为第一波源在探测器处衍射的泊松亮斑与第二波源在探测器处衍射的泊松亮斑相干叠加之后的信号；由此，通过调节第二波源与圆形金属膜之间的距离，第二波源在探测器处衍射的泊松亮斑会发生变化，从而相干叠加之后形成的泊松亮斑信号会产生强弱变化，相应的，直流电压信号的大小随着第二波源的移动也会出现极大值和极小值的变化，且相邻两个极大值之间的距离以及相邻两个极小值之间的距离均等于待测波长，从而能够根据直流电压信号和第二波源移动的位置确定待测波长。因此，本公开实施采用上述射电波波长测量装置，能够使用泊松亮斑相干方法实现射电波的波长测量，而且完美诠释了光的衍射和干涉特性，有助于学生学习掌握波动光学知识，对实验教学的创新和改革起到推动作用。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的一种射电波波长测量装置的结构示意图；

图2为本公开实施例提供的另一种射电波波长测量装置的结构示意图；

图3为本公开实施例提供的一种射电波波长测量方法的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本公开实施例提供的一种射电波波长测量装置的结构示意图。该射电波波长测量装置适用于测量射电波(射频电磁波)波长的情况，可应用于实验教学。如图1所示，本公开实施例提供的射电波波长测量装置包括第一波源1、第二波源2、探测器3、圆形金属膜4、距离调节器5和信号处理器6；

其中，探测器3、圆形金属膜4、第一波源1和第二波源2沿预设方向X依次布设；

第一波源1和第二波源2为相干波源；距离调节器5用于沿预设方向X调节第一波源1与圆形金属膜4之间的距离、第二波源2与圆形金属膜4之间的距离以及探测器3与圆形金属膜4之间的距离(图中仅示出了距离调节器5承载第一波源1和第二波源2的部分，距离调节器5可包括多个独立的距离调节单元，可分别调节第一波源1、第二波源2、探测器3和圆形金属膜4沿预设方向X(包括正反两个方向)移动)；探测器3用于接收第一波源1和第二波源2的发射信号绕过圆形金属膜4形成的泊松亮斑信号；信号处理器6与探测器3连接，信号处理器6至少用于将泊松亮斑信号转换成直流电压信号。

上述技术方案中，第一波源1的中心、第二波源2的中心、探测器3的中心和圆形金属膜4的圆心位于一条直线上，圆形金属膜4所在平面与该直线垂直，即圆形金属膜4所在平面与预设方向X垂直。如此设置，可提高测量的精度以及测量结果的准确性。

本公开实施例中，第一波源1和第二波源2可以为射电波光源；相应的，探测器3为接收天线。此时，第一波源1和第二波源2发出的射电波经圆形金属膜4衍射后，在探测器3处可形成肉眼可见的泊松亮斑。本公开实施例以第一波源1、第二波源2和探测器3均为天线为例进行说明。

在一些实施例中，第一波源为第一发射天线，第二波源为第二发射天线，探测器为探测天线。本公开实施例对第一发射天线、第二发射天线和探测天线的类型不作限定，只要第一发射天线和第二发射天线可以发射相干射电波，探测天线能够接收到上述泊松亮斑信号即可。

示例性的，第一发射天线、第二发射天线和探测天线均为半波振子天线。由于半波振子天线的尺寸较小，因此在第一发射天线和第二发射天线的发射信号在圆形金属膜4处发生衍射时，可以相对减小圆形金属膜4的尺寸，可选的，圆形金属膜4的直径为待测波长量级。

另外，为了使探测天线接收到的信号强度最强，需要对天线方位进行校准，即使得探测天线接收信号的偏振方向与第一发射天线和第二发射天线发射信号的偏振方向相同。示例性的，半波振子天线具有偏振特性，通过设置第一发射天线、第二发射天线和探测天线的长度方向相同，例如第一发射天线、第二发射天线和探测天线均竖直设置，即可保证第一发射天线、第二发射天线和探测天线的偏振方向相同，从而使得探测天线接收到的信号强度最强。

在一些实施例中，距离调节器5包括标有刻度的导轨，导轨沿预设方向X延伸，第一波源1和第二波源2能够沿导轨移动，从而通过沿导轨移动第一波源1或第二波源2，来调节第一波源1或第二波源2与圆形金属膜4之间的距离，同时，通过刻度来标定第二波源2移动过程中的各个点的位置，从而计算出第二波源2移动的距离。另外，距离调节器5包括没有刻度的导轨，该没有刻度的导轨同样沿预设方向X延伸，探测器3能够沿该没有刻度的导轨移动，从而实现对探测器3与圆形金属膜4之间的距离的调节。

图2为本公开实施例提供的另一种射电波波长测量装置的结构示意图。如图2所示，在一些实施例中，射电波波长测量装置还包括射频信号源7、转接头(图中未示出)、第一射频功放8和第二射频功放9；射频信号源7的输出端与转接头的输入端连接，转接头的第一输出端与第一射频功放8的输入端连接，转接头的第二输出端与第二射频功放9的输入端连接，第一射频功放8的输出端与第一发射天线1连接，第二射频功放9的输出端与第二发射天线2连接。该技术方案中，射频信号源7用于输出射电波信号；转接头用于将射电波信号分成两路射电波信号，从而为第一波源1和第二波源2提供相干射电波信号；第一射频功放8和第二射频功放9分别对两路射电波信号进行放大。

在一些实施例中，信号处理器包括包络检波器61、低频功放62和演示模块63；包络检波器61的输入端与探测天线3连接，包络检波器61的输出端与低频功放62的输入端连接，低频功放62的输出端与演示模块63的输入端连接；包络检波器61用于将泊松亮斑信号转换成直流电压信号；低频功放62用于放大直流电压信号，演示模块63用于演示放大后的直流电压信号。其中，演示模块63可以为单片机或其他具有显示功能的设备。

对应于上述射电波波长测量装置，本公开实施例还提供了一种射电波波长测量方法。该射电波波长测量方法采用本公开提供的射电波波长测量装置进行波长测量，如图3所示，方法包括：

S110、关闭第二波源且开启第一波源，并通过距离调节器调节第一波源与圆形金属膜之间的距离以及探测器与圆形金属膜之间的距离，以将信号处理器转换的第一直流电压调节至预设直流电压。

本公开实施例以第一波源、第二波源和探测器均为半波振子天线为例，对射电波波长测量方法进行说明。

本公开技术方案，先关闭第二波源且开启第一波源，是为了第一波源经圆形金属膜衍射的泊松亮斑与第二波源经圆形金属膜衍射的泊松亮斑在探测器处进行干涉时，提供可靠的干涉背景。考虑到第一直流电压过小时，如果开启第二波源，在第二波源移动过程中有可能在某一连续的范围内，第二直流电压为0，影响了第二直流电压的极小值对应的第二波源位置的确定，从而影响波长测量；而第一直流电压过大时，如果开启第二波源，在第二波源移动过程中可能会因为干涉背景太强而导致第二直流电压的极大值和极小值变化均不明显，同样影响了第二直流电压的极小值对应的第二波源位置的确定，从而影响波长测量。因此，预设直流电压应取适中电压，保证第一直流电压的极小值和极大值的变化明显，便于确定极小值对应的第二波源位置。可选的，预设直流电压为第一直流电压的最大值的1/3至1/2。由于第一波源与圆形金属膜之间的距离以及探测器与圆形金属膜之间的距离影响第一直流电压的大小，例如，第一波源距离圆形金属膜过近，或者探测器距离圆形金属膜过近时，探测器可能探测不到第一波源的信号，此时第一直流电压为0；第一波源和探测器距离圆形金属膜较近时，探测器探测到的信号较弱，此时第一直流电压较小；第一波源和探测器距离圆形金属膜较远时，探测器探测到的信号较强，此时第一直流电压较大。因此，可通过调节第一波源与圆形金属膜之间的距离以及探测器与圆形金属膜之间的距离，将第一直流电压调节至预设直流电压。

基于上述技术方案，在本公开一具体实施例中，将第一波源、第二波源和探测器设置在距离调节器上，如导轨上，校准第一波源、第二波源和探测器的天线方位，使得第一波源、第二波源和探测器的天线长度方向相同。关闭第二波源且开启第一波源，启动射频信号源，通过距离调节器调节第一波源与圆形金属膜之间的距离，使得第一波源与圆形金属膜之间的距离为2至3个待测波长，通过距离调节器调节探测器与圆形金属膜之间的距离，使得探测器与圆形金属膜之间的距离为4至6个待测波长。如此，可将第一直流电压调节至预设直流电压。

S120、开启第二波源，并通过距离调节器增大或减小第二波源与圆形金属膜之间的距离。

在调节好上述干涉背景之后，开启第二波源。在一些实施例中，将距离第一波源大于2个待测波长的位置作为第二波源的初始位置，通过距离调节器向远离第一波源的方向移动第二波源。本公开实施例开启第二波源后，第二波源的发射信号经过圆形金属膜发生衍射后，也在探测器处形成泊松亮斑。由于第二波源和第一波源所发射的射电波信号是同相位的相干信号，因此探测器探测到的泊松亮斑信号为第一波源在探测器处衍射的泊松亮斑与第二波源在探测器处衍射的泊松亮斑相干叠加之后的信号。通过调节第二波源与圆形金属膜之间的距离，第二波源在探测器处衍射的泊松亮斑会发生变化，从而相干叠加之后形成的泊松亮斑信号会产生强弱变化，相应的，泊松亮斑信号对应的第二直流电压的大小随着第二波源的移动也会发生变化，在第二波源移动一个待测波长的距离时，第二直流电压会出现极大值和极小值，且相邻两个极大值之间的距离以及相邻两个极小值之间的距离均等于待测波长。

S130、实时记录信号处理器转换的第二直流电压以及对应的第二波源的位置。

在一些实施例中，距离调节器包括标有刻度的导轨，导轨沿预设方向延伸，第一波源和第二波源能够沿导轨移动；信号处理器可包括包络检波器、低频功放和演示模块。在移动第二波源的过程中，实验员可通过演示模块记录显示的第二直流电压，同时通过导轨上的刻度记录第二波源的位置。

在一些实施例中，信号处理器还可包括控制单元，距离调节器还可包括步进电机，控制单元与演示模块和步进电机连接，控制单元驱动步进电机，由步进电机牵引第二波源移动，控制单元根据步进数对应的长度确定第二波源的位置，同时记录演示模块显示的第二直流电压。

S140、根据第二直流电压以及对应的第二波源的位置，确定待测波长。

在一些实施例中，根据第二直流电压以及对应的第二波源的位置，确定待测波长，包括：从第二直流电压中确定相邻两个极小值；确定相邻两个极小值对应的两个第二波源的位置；或者，从第二直流电压中确定相邻两个极大值；确定相邻两个极大值对应的两个第二波源的位置；将两个第二波源的位置之间的长度确定为待测波长。

由于第二直流电压在极大值附近变化比较平缓，会给极大值对应的第二波源位置的确定带来较大误差，因此本公开实施例优选使用极小值来测量波长，以减小测量误差。在一些实施例中，可以确定多组相邻两个极小值，分别确定多组相邻两个极小值对应的两个第二波源的位置，进而得到多个待测波长，通过对多个待测波长取平均值，得到最终波长测量结果。

基于本公开技术方案，在一些验证性实验中，射频信号源发射出的射电波的频率为915MHz(波长为32.78cm)，分别在圆形金属膜的直径为29cm、30cm、31cm和40cm的情况下进行波长测量，最终波长测量误差均在2.6％以内，符合误差标准(5％)。因此，采用本公开实施例提供的射电波波长测量装置及方法可实现准确的波长测量。

综上，本公开实施例提供的技术方案，能够使得第一波源和第二波源的发射信号经过圆形金属膜发生衍射，在探测器处形成泊松亮斑信号，而第一波源和第二波源为相干波源，因此探测器探测到的泊松亮斑信号为第一波源在探测器处衍射的泊松亮斑与第二波源在探测器处衍射的泊松亮斑相干叠加之后的信号；由此，通过调节第二波源与圆形金属膜之间的距离，第二波源在探测器处衍射的泊松亮斑会发生变化，从而相干叠加之后形成的泊松亮斑信号会产生强弱变化，相应的，直流电压信号的大小随着第二波源的移动也会出现极大值和极小值的变化，且相邻两个极大值之间的距离以及相邻两个极小值之间的距离均等于待测波长，从而能够根据直流电压信号和第二波源移动的位置确定待测波长。因此，本公开实施采用上述射电波波长测量装置，能够使用泊松亮斑相干方法实现射电波的波长测量，而且完美诠释了光的衍射和干涉特性，有助于学生学习掌握波动光学知识，对实验教学的创新和改革起到推动作用。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种射电波波长测量装置，其特征在于，包括第一波源、第二波源、探测器、圆形金属膜、距离调节器和信号处理器；

所述探测器、所述圆形金属膜、所述第一波源和所述第二波源沿预设方向依次布设；

所述第一波源和所述第二波源为相干波源；所述距离调节器用于沿所述预设方向调节所述第一波源与所述圆形金属膜之间的距离、所述第二波源与所述圆形金属膜之间的距离以及所述探测器与所述圆形金属膜之间的距离；所述探测器用于接收所述第一波源和所述第二波源的发射信号绕过所述圆形金属膜形成的泊松亮斑信号；所述信号处理器与所述探测器连接，所述信号处理器至少用于将所述泊松亮斑信号转换成直流电压信号；

其中，所述直流电压信号的大小随着所述第二波源的移动出现极大值和极小值的变化，根据所述直流电压信号和所述第二波源移动的位置确定待测波长。

2.根据权利要求1所述的射电波波长测量装置，其特征在于，所述第一波源的中心、所述第二波源的中心、所述探测器的中心和所述圆形金属膜的圆心位于一条直线上，所述圆形金属膜所在平面与所述直线垂直。

3.根据权利要求1所述的射电波波长测量装置，其特征在于，所述第一波源为第一发射天线，所述第二波源为第二发射天线，所述探测器为探测天线。

4.根据权利要求3所述的射电波波长测量装置，其特征在于，所述第一发射天线、所述第二发射天线和所述探测天线均为半波振子天线。

5.根据权利要求4所述的射电波波长测量装置，其特征在于，所述第一发射天线、所述第二发射天线和所述探测天线的长度方向相同。

6.根据权利要求1至5任一项所述的射电波波长测量装置，其特征在于，所述距离调节器包括标有刻度的导轨，所述导轨沿所述预设方向延伸，所述第一波源和所述第二波源能够沿所述导轨移动。

7.根据权利要求3所述的射电波波长测量装置，其特征在于，所述射电波波长测量装置还包括射频信号源、转接头、第一射频功放和第二射频功放；所述射频信号源的输出端与所述转接头的输入端连接，所述转接头的第一输出端与所述第一射频功放的输入端连接，所述转接头的第二输出端与所述第二射频功放的输入端连接，所述第一射频功放的输出端与所述第一发射天线连接，所述第二射频功放的输出端与所述第二发射天线连接。

8.根据权利要求3所述的射电波波长测量装置，其特征在于，所述信号处理器包括包络检波器、低频功放和演示模块；所述包络检波器的输入端与所述探测天线连接，所述包络检波器的输出端与所述低频功放的输入端连接，所述低频功放的输出端与所述演示模块的输入端连接；

所述包络检波器用于将所述泊松亮斑信号转换成直流电压信号；所述低频功放用于放大所述直流电压信号，所述演示模块用于演示放大后的所述直流电压信号。

9.一种射电波波长测量方法，其特征在于，采用如权利要求1至8任一项所述的射电波波长测量装置进行波长测量，所述方法包括：

关闭第二波源且开启第一波源，并通过距离调节器调节所述第一波源与圆形金属膜之间的距离以及探测器与所述圆形金属膜之间的距离，以将信号处理器转换的第一直流电压调节至预设直流电压；

开启所述第二波源，并通过所述距离调节器增大或减小所述第二波源与所述圆形金属膜之间的距离；

实时记录所述信号处理器转换的第二直流电压以及对应的所述第二波源的位置；

根据所述第二直流电压以及对应的所述第二波源的位置，确定待测波长；

其中，所述直流电压信号的大小随着所述第二波源的移动出现极大值和极小值的变化，根据所述直流电压信号和所述第二波源移动的位置确定所述待测波长。

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