微波顺磁共振的发展及其应用
程亚超
摘 要 微波顺磁共振是指在微波波段的电子自旋共振，与射频段的电子自旋共振一样，只是用微波磁场取代射频场，因而磁共振灵敏度和分辨率都较高,可以获得自旋共振的超精细结构谱线。
关键词 微波 顺磁共振 电子自旋共振 微波磁场 射频场
电磁波的发展应用已经人尽皆知，但微波传输技术应用不是谁都清楚，本文主要讲述微波传输技术特别是微波顺磁共振的的应用技术，并对此作一个详细的介绍、分析、总结。
1.电磁波简介
1.1 电磁波传输技术
（1）电磁波的分类
微波是电磁波的一部分，通常是指波长范围为1mm至1m，即频率范围为300GHz至300MHz的电磁波
波段 超长波 长波 中波 短波 【1】
。电磁波波段的分类及应用见表1：
频率范围 应用范围 1.海岸——潜艇通信；2.海上导航。 1.大气层内中等距离通信；2.地下岩层通信；3.海上导航。 1.远距离短波通信；2.短波广播。 1.电离层散射通信（30-60MHz）；2.流星余迹通信（30-100MHz）；3.人造电离层通信（30-144MHz）；4.对大气层内、外空间飞行体（飞机、导弹、卫星）的通信；电视、雷达、导航、移动通信。 波长范围 100000-10000m 3-30kHz 10000-1000m 1000-100m 100-10m 30-300kHz 300kHz-3MHz 1.广播；2.海上导航。 3-30MHz 超短波 10-1m 30-300MHz 分米波 1-0.1m 1.对流层工散射通信（700-1000MHz）；2.小容量300-3000MHz （8-12路）微波接力通信（352-420MHz）；3.中容量（120路）微波接力通信（1700-2400MHz）。 3-30GHz 30-300GHz 1.大容量（2500路、6000路）微波接力通信（3600-4200MHz，5850-8500MHz）；2.数字通信；3.卫星通信；4.波导通信。 穿入大气层时的通信 厘米波 毫米波 10-1cm 10-1mm 表1
（2）电磁波的传输
电磁波除了在无限空间或半无限空间遵循某种规律传播外，还可以沿着某种装置传输，这种装置起着引导电磁波传输的作用，这种电磁波称为导行电磁波。该装置称为导
波装置。导波装置可以由某种形状的金属材料所构成，也可以由某种材料的介质材料所构成，还可以由某种形状的介质和金属制成。在不同的导波装置上可以传输不同模式的电磁波。所谓不同模式的电磁波就是在垂直于电磁波传输方向的横截面上具有不同的场分布，每一种场分布称为一种模式。不同模式的电磁波是由求解满足特定边界条件的亥姆霍兹方程所决定的。根据这些分析，我们可以得到在各种导波装置中各种模式电磁波传输的规律，由此可以对导波装置提出合理的设计要求，以便使导波装置更好地传输电磁波[2]。
电磁波的传输主要有以下五个方面：
① 沿均匀导波装置传输电磁波的基本特性
在导波装置中的电磁场的表达式是满足导波装置特点的边界条件的麦克斯韦方程组的解。对于均匀导波装置来说，通常有两种分析方法，这就是纵向场法和赫兹矢量法。
由麦克斯韦方程组导出电场E和磁场H所满足的矢量亥姆霍兹方程。根据导波装置横截面的形状和尺寸沿电磁波传输方向（即导波装置轴向方向）不变的特点，从E和H所满足的矢量亥姆霍兹方程中分离出只含电场和只含磁场纵向分量的标量亥姆霍兹方程。应用导波装置的边界条件求出电场和磁场的纵向分量，再根据麦克斯韦方程组给出的电场和磁场纵向分量与电场和磁场横向分量的关系求出电磁场全部的分量。这就是求解导波装置中电磁场的纵向场法。
由麦克斯韦方程组引出赫兹电矢量和赫兹磁矢量，建立起关于这两个赫兹矢量的矢量亥姆霍兹方程。根据导波装置横截面的形状选取合适的坐标系和具有合适方程的赫兹矢量，把关于赫兹矢量的矢量亥姆霍兹方程简化为标量亥姆霍兹方程。解此方程就可求出赫兹矢量通过赫兹矢量就可确定导波装置中的电磁场各分量的表达式。这就是求解导波装置中电磁场的赫兹矢量法。
② 矩形波导及其传输特性
在微波波段，为了减小传输损耗并防止电磁波能量向外泄露，往往采用空芯的金属管作为传输电磁波能量的导波装置。这种空芯金属导波装置通常称为波导，电磁波能量在波导管内部空间被引导向+z方向传输。
在金属波导中不能够传输TEM波，这是因为它不能满足金属波导的边界条件。若TEM波在波导中存在，则磁力线应在波导平面内，而且是一闭合曲线。根据麦克斯韦方程，在此闭合曲线磁场的线积分应等于与闭合曲线交链的轴向电流，此轴向电流可以是传导电流或位移电流。我们知道在空芯波导内不可能存在轴向传导电流，而根据TEM波的定义，TEM波不存在纵向电场，因此也不可能存在纵向位移电流。因此可以得出在波导横截面内不可能存在闭合的磁力线的结论，故可以断定在波导中部可能存在TEM波。
③圆柱形波导及其传输特性
圆柱形波导（简称圆波导）是横截面为圆形的空芯金属波导管，它的求解方法和原理与矩形波导内场量分布的方法一样，但圆柱形波导比较方便。
④同轴线及其传输特性
同轴线的导波装置是双导体结构，传输电磁波的主模式是TEM波。从场的观点看，同轴线的边界条件既能支持TEM波传输，也能支持TE波或TM波传输，究竟哪些波能在同轴线中传输，则取决于同轴线的尺寸和电磁波的频率。
同轴线是一种宽频带的导波装置。当工作波长大于10cm时，矩形波导和圆柱形波导就显得尺寸过大而笨重，而相应的同轴线却不大。同轴线的特点之一是可以从直流一直工作到毫米波波段，因此无论在微波整机系统、微波测量系统或微波元件中，同轴线都得到广泛的应用。
⑤谐振腔
空腔谐振腔（简称谐振腔）是微波系统中的一个最基本的元件，在微波电路中起着储存电磁波的能量和选择电磁波频率的作用。谐振腔的结构形式很多，即可用传输线构
成，也可用非传输线的特殊腔体构成。无论是何种结构的谐振腔，要获得对其完整的理论描述，必须从电磁场方向出发，解其满足特定边界条件的电磁场方程，所以电磁场理论是分析谐振腔的基本理论。
一个横截面尺寸为a*b的矩形金属波导，当在长度为L的两端用金属导体封闭时，就可构成一个矩形空腔谐振器。电场和磁场能量被储存在腔体内，功率损耗由腔体的金属壁与腔体内填充介质引起。谐振腔与外界的孔藕合可由腔体壁上的小孔或腔内的探针（或耦合环）来完成。圆柱形谐振腔是由一段长度为L的两端短路的圆波导构成的。实用的圆柱形谐振腔常用作微波波长计，其顶端做成可调短路活塞，通过调节其长度可对不同频率调谐。谐振腔通过小孔或耦合环与外界耦合。
（3）微波的特性
不同范围的电磁波既有其相同的特性，又有各自不同的特点，微波既是电磁波的一种，下面对微波的特点作简要介绍。
① 微波的波长很短，其波长比之建筑物、飞机、船舶等的几何尺寸要小得多。因此微波与几何光学中光传输的特点很接近，具有直线传播的性质。利用这个特点可制成方向性极强的天线、雷达等。
② 微波的频率很高，其电磁振荡周期短到跟电子管中电子在电极间渡越所经历的时间可以相比拟，因此普通的电子管已经不能用作微波振荡器、放大器和检波器，必须采用原理上完全不相同的微波电子管（速调管、磁控管、行波管）来代替。另外，微波传输线、微波元器件和微波测量设备的线度与波长有相近的数量级，因此分立的电阻器、电容器、电感器等已不适用于微波段，必须采用原理上完全不同的微波元器件。
③ 微波段在研究方法上不像低频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 许多原子、分子能级间跃迁辐射或吸收的电磁波的波长正好处在微波波段，人们利用这一特点去研究原子、原子核和分子的结构，发展了微波波谱学、量子无线电物理等尖端学科，以及研究低噪声的量子放大器和极为准确的原子、分子频率标准。
⑤ 某些波段的微波能畅通无阻地穿过地球上空的电离层，因此微波为宇宙通信、导航、定位以及射电天文学的研究和发展提供了广阔的前景。
（4）微波顺磁共振
由以上微波的特性可知，在微波波段，不论处理问题时所用的概念、方法，还是微波系统的原理结构，都与普通无线电不同。也正是因为微波具有这些特点，采用微波磁场代替射频场，这样磁共振的灵敏度和分辨率都较高，从而获得自旋共振的超精细结构谱线[3]。
1.2 微波顺磁共振实验的微波元件
微波ESR谱仪由产生恒定磁场的电磁铁及电源，产生交变磁场的微波源和微波电路，带有待测样品的谐振腔以及ESR信号的检测和显示系统等组成，下面对微波源、魔T、可调矩
[4]
形谐振腔和单螺调配器等做简单介绍。
（1）微波源
微波源可采用反射速调管微波源或固体微波源。考虑到目前实验室所用的反射速调管微波源输出的微波频率不够稳定，当其输入到Q值很高的谐振腔时，将会使谐振腔内的振动模式紊乱，即出现失谐。为了克服这一现象，通常采用正弦波（在ESR实验中，一般用200kHz）对微波进行调制的办法，使其成为调频微波，只要谐振腔的固有频率f0被包含在调频微波的范围内，就可以克服由于微波频率不稳定而产生失谐的现象。而固体微波源具有寿命长、价格低以及直流电源结构简单的优点，同时能输出频率较稳定的微波。当用其做微波源时，ESR