Versuch 75: Mikrowellen

Versuchsdurchführung

Ein 10Ghz-Klystron erzeugt Mikrowellen von \(\lambda =3cm\), die über einen Hornstrahler frei in den Raum abgestrahlt werden. Die Strahlung ist linear polarisiert. Die Richtung des E-Vektors im Raum ist durch Drehen des Hornstrahlers frei wählbar. Über das Netzgerät des Klystrons ist die Mikrowellenintensität modulierbar (wahlweise mit internem Piep-Ton oder extern mit einer beliebigen Tonfrequenz). Als Empfänger dient eine Hornantenne (baugleich mit dem Hornsender) oder ein kleiner 1,5cm Dipol. Die Anzeige erfolgt über eine Diode und einen Verstärker mit Zeigerinstrument bzw. einer akustischen Anzeige mittels Lautsprecher.

Folgende Experimente können vorgeführt werden:

a) Transmission

Es werden verschiedene Objekte im Strahlengang zwischen Sender und Empfänger platziert und jeweils die Stärke des empfangenen Signals demonstriert.

Dabei stehen folgende Objekte zur Verfügung:

 

b) Reflexion

Es werden Sender und Empfänger so positioniert, dass der reflektierte Anteil der Mikrowellen gemessen werden kann. Für die verschiedenen Objekte wird dann die Signalstärke demonstriert.

Dabei stehen folgende Objekte zur Verfügung:

 

c) Polarisation

Es wird gezeigt, dass die an der Hornantenne empfangene Intensität mit \(cos(\phi) \) variiert, wobei \(\phi\) die relative Verdrehung zwischen Sender-Horn und Empfänger-Horn ist.

 

d) Drehung der Polarisationsrichtung

Der Horn-Strahler wird so positioniert, dass der E-Vektor der Mikrowellen vertikal steht. Nun wird ein Stabgitter, dessen Stäbe um 45° gegen die Vertikale gedreht sind, in den Strahlengang gestellt. Es wird nur die Komponente senkrecht zu den Gitterstäben durchgelassen und das Empfänger-Horn zeigt maximale Intensität, wenn es um 45° in die Gegenrichtung gedreht wird.

 

e) Modulation

Durch einen Modulationseingang am Klystron-Netzgerät kann die Mikrowellenintensität moduliert werden. Musikübertragung über mehrere Meter Entfernung ist möglich.

 

f) Stehende Wellen/Messung der Wellenlänge

Der Hornstrahler wird so positioniert, dass die Mikrowellen senkrecht auf eine ebene Metallplatte fallen. Die Wellen werden reflektiert und es bilden sich stehende Wellen aus. Mit dem kleinen 1,5cm Dipol als Empfänger kann der Abstand zweier Intensitätsmaxima mithilfe des Geodreiecks auf der Metallplatte bestimmt werden.

Die Wellenlänge der Mikrowellen entspricht dann dem doppelten Abstand der Intensitätsmaxima der stehenden Welle.

 

g) Brechung mit einem Prisma aus Paraffin

Mithilfe eines 60° Prismas aus Paraffin wird die Brechung der EM-Wellen (Mikrowellen) an den Grenzflächen von optisch dünnerem und optisch dichterem Medium (Luft und Paraffin) demonstriert.

 

h) Totalreflexion mit 90° Prisma

Es wird gezeigt, dass an einem 90° Paraffinprisma eine Totalreflexion der Mikrowellen an der Grenzfläche stattfindet.

 

i) Fokussieren mit Linse aus Paraffin

Es wird gezeigt, dass Mikrowellen mithilfe einer Linse aus Paraffin fokussiert werden können. Dafür wird der Hornstrahler in einigen Metern Entfernung zum Empfänger positioniert.

Ohne Linse ist die Empfangene Intensität sehr gering. Bringt man nun allerding eine Paraffinlinse in den Strahlengang und positioniert den Empfängerdipol im Brennpunkt der Linse, so ist die empfangene Intensität sehr groß.

 

k) Beugung am Doppelspalt

Es wird ein Doppelspalt im Strahlengang des Hornstrahlers positioniert und mithilfe des 1,5cm Dipols die Intensitätsverteilung hinter dem Doppelspalt gezeigt.

 

l) Fresnel-Zonen-Linse

Zur Abstrahlung von Kugelwellen wird ein offener Hohlleiter ohne Horn benutzt. In die Mitte zwischen Sender und Empfänger wird eine Alu-Platte (ca. 70x70cm) mit einer zentralen Öffnung von ca. 15cm gestellt. Diese Öffnung wirkt als innerste Zone einer Fresnel-Linse, d.h. die Intensität wird auf den Detektor fokussiert. Verdoppelt man die Fläche der zentralen Öffnung durch Herausnehmen eines Ringes, so sinkt die durchgelassene Intensität (wegen destruktiver Interferenz).

 

m) Evaneszente Welle

Zwei 90° Prismen werden im Strahlengang des Hornstrahlers positioniert. Dabei kann der Abstand der beiden Prismen variiert werden.

Der Abstand der beiden Prismen wird zuerst auf ca. 2cm eingestellt. Dabei tritt analog zum einzelnen 90° Prisma Totalreflexion an der Grenzfläche auf:

Durch verkleinern des Prismen-Abstandes kann man eine zunehmende Intensität in der Achse des Hornstrahlers feststellen, da an der Grenzfläche vom dichteren zum dünneren Medium ein Teil der EM-Wellen aus dem dichteren Medium austritt (evaneszente Welle) und mit zunehmend kleinerem Prismen-Abstand in das zweite Prisma „tunnelt“. Somit steigt für sehr kleine Prismen-Abstände der transmittierte Anteil der Mikrowellen.