实验七-微波技术汇总

实验七-微波技术汇总实验七 微波的传输特性和基本测量

微波通常是指波长为1mm至1m ,即频率范围为300GH z至300MHz 的 电磁波。其下端与无线电通讯的短波段相连接，上端与远红外光相邻近。根 据波长差异还可以将微波分为米波，分米波，厘米波和毫米波。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。下面对微波的特点作简要介 绍。

1. 微波波长很短，比建筑物、飞机、船舶等地球上一般物体的几何尺寸 小得多，微波的衍射效应可以忽略，故，微波与几何光学中光的传输很接近， 具有直线传播性质，利用该特点可制成方向性极强的天线、雷达等。

2 .微波频率很高，其电磁振荡周期为10-9 — 10-12秒，与电子管中电子在 电极间渡越所经历的时间可以相比拟。因此，普通的电子管已不能用作微波 振荡器、放大器和检波器，必须采用微波电子管（速调管、磁控管、行波管 等）来代替。其次，微波传输线、微波元器件和微波测量设备的线度与微波 波长有相近的数量级，因此，分立的电阻器、电容器、电感器等全不同的微 波元器件。

3.微波段在研究方法上不象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处在微波波段， 利用这一特点研究原子、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，以及研究低嘈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 宙通讯、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。

由此可见，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。微波实验是近代物理实验的重要实 验之一。

微波技术的应用十分广泛，深入到国防军事（雷达、导弹、导航），国民 经济（移动通讯、卫星通信、微波遥感、工业干燥、酒老化），科学研究（射 电天文学、微波波谱学、量子电子学、微波气象学），医疗卫生（肿瘤微波热 疗、微波手术刀），以及家庭生活（微波炉）等各个领域。

一.实验目的

1. 熟悉常用微波器件的结构、原理和使用方法；

2. 了解微波振荡源的基本工作特性和微波的传输特性； 3. 掌握频率、功率、波导波长以及驻波比等基本量的测量。

二•实验原理

2.1微波振荡源

微波信号源是提供微波信号的必备仪器。微波源可分为两大类：一类是电 子管，另一类是固体电子器件。前者使用反射速调管、行波管和磁控管等； 后者则使用体效应管、雪崩管和微波晶体管等。一般实验室中常用的是反射 速调管振荡器，但近来一些新型的微波固态信号源（如体效应振荡器等）已 被广泛应用。由于固态源具有体积小、重量轻、耗电省以及便于集成等优点， 相当多的场合已经取代了速调管微波源。本实验所用的就是固态源。这里主 要介绍耿氏二极管振荡器或称体效应微波信号源。

耿氏二极管振荡器，也称之为固态源。耿氏二极管振荡器的核心是耿氏 二极管，如图4-1所示。1963年耿氏在实验中观察到，在n型砷化傢样品的 两端加上直流电压，当电压较小时样品电流随电压增高而增大；当电压V超 过某一临界值Vth后，随着电压的增高电流反而减小。这种随电场的增加电流 下降的现象称为负阻效应；电压继续增大（V>V b）则电流趋向饱和，如图4-2 所示。这说明n型砷化镓样品具有负阻特性。

图4-1体效应二极管的剖面 图4-2

耿氏二极管电流-电压特性 砷化镓的负阻特性可用半导体能带理论解释，如图4-3所示。砷化镓是一 种多能谷材料，n型砷化镓的导带是双谷 咼能谷和低能谷结构，两个能谷 间能量差为0.36eV，小于其禁带宽度1.43eV，但大于热运动动能kT。其中具 有最低能量的主谷和能量较高的临近子谷具有不同的性质。当电子处于主谷 时有效质量m*较小，则迁移率卩较高；当电子处于子谷时有效质量m*较大，

则迁移率 卩较低。在常温下且无外加电场时，大部分电子处于电子迁移率高 效质量低的主谷。随着外加电场增大，电子平均漂移速度也增大。当外 场大到足够使主谷的电子能量增加至0.36eV时，部分电子转移到子谷， 里迁移率低而有效质量较大。结果是随着外加电压的增大，卩即电子的平 移速度反而减小，出现单调下降的微分负阻特性，直到V=V b时，低谷中 子全部转移到高能谷。电子转移效应是体效应的物理基础，所以体效应

图4-4为耿氏管示意图。在管两端加电压，当管内电场大于Er（Er负

始电场强度）时，由于管内局部电量的不均匀涨落（通常在阴极附近）

端开始生成电荷的偶极畴。偶极畴的形成使畴内电场增大而使畴外

下降，从而进一步使畴内的电子转入高能谷，直至畴内电子全部进入高能谷， 畴不再长大。此后，偶极畴在外电场作用下以饱和漂移速度向阳极移动直至 消失。而后整个电场重新上升，再次重复相同的过程，周而复始地产生畴的 建立、移动和消失，构成电流的周期性振荡，形成一连串很窄的电流，这就 是耿氏二极管的振荡原理。

耿氏二极管的工作频率主要由偶极畴的渡越时间决定。实际应用中，一 般将耿氏管装在金属谐振腔中做成振荡器，通过改变腔体内的机械调谐装置 可在一定范围内改变耿氏振荡器的工作频率。为提高体效应管振荡器的频率 稳定性，降低燥声，扩展调谐范围和提高效率，必须把体效应管与特定的谐 振电路 结合起来。一个好的选择是用体效应管作为有源元件做成TEio模波导谐振腔 振荡器。其调谐方式有调谐杆机械和变容两种。GaAs材料制成的体效应管对 温度而有

加电

在那

均漂

的电

管也 称为电子转移器件

图4-3砷化镓的能带结构 应起

阴极 阻效

，在

电场

图4-4耿氏管中的畴的形成、

传播和消失过程 很敏感，可用恒温、补偿、锁定等计术或用温度系数低的殷钢制造谐振 腔等措施来提高频率的稳定性。

2.2微波传输线

1•概述。常用的微波传输线有同轴传输线、波导传输线、微带传输线等。 由于辐射损耗、介质损耗、承受功率和击穿电压等的影响，同轴线和微带线 的使用受到一定的限制，波导传输线由于无辐射损耗和外界干扰，结构简单， 击穿强度高等特点，在微波段得到广泛应用。

传输线中某一确定的电磁场分布称为波型，通常用TEM、TE或TM表 示。同轴线是由内导体和一根环绕它的同心管形外导体组成，其间充有绝缘 介质。它传输的电磁场仅分布在横解面上而无纵向分量的横电磁波（TEM 波）。 横截面上，磁力线为环绕内导体的闭合同心圆，电力线与磁力线垂直、沿圆 环的径向。

波导是空心金属管的总称，按截面形状不同分为矩形波导和圆形波导两 大类。为减少内壁损耗，内壁要有较好的光洁度，并镀银以提高电导率。由于 空心波导中无任何导体，故不能传输TEM波，但能传输TE和TM横电磁波。 TE波的特性是电场为纯横向，具有纵向磁分量。所以又称为（纵向）磁波（H 波）。TM波与TE波相反，其磁场是纯横向，因具有纵向电场分量，所以又称

为（纵向）电波（E波）0TE波和TM波均可有无穷多个波型，常写成TEmn和TM mn 波。下标m,n为包括零在内的正整数。为实现单一波型（单模）传输，常把波导 尺寸设计成标准化的宽边为a，窄边为b的矩型波导。只要满足b =（0.4 — 0.5）a 的关系，波导就只传输TE mn的最低模，即TE io波（H io波），此时m=1, n=0。 下面将看到：m和n分别代表电磁波沿宽边和窄边交变的次数（半波长数）。当m或n为零时，表明电磁场在相应方向保持恒定。实际应用中通常是将波导 管设计成只能传输单一波型矩形波导中的TEio波。由于其可单模传输、频带 宽、低损耗、模式简单稳定、易于激励和耦合等优点，应用最广泛。

2.矩形波导中的TE 10波 矩形波导是一个横截面为矩形a b的均匀、无耗波导管，如图4-5所示。

实验室常用的波导管，宽边a =22.86 mm、窄边 b =10.16mm。设矩形波导管内

壁为理想导体，且波导管沿z轴方向为无限长。当TEio波在波导中传输时， 在波导内壁表面厚为10 4 m（趋肤深度）的表面内将感应产生管壁电流。

根据麦克斯韦方程可得矩形波导中TE 10波的各电磁场分量为：

Ex E z= 0

Ey E0 sin( X、J( t z) )e a

Hz X j ( t z)

E0 cos( )e

a J 2

a

Hx ——E X 、 J( t z)

0S1 n( )e

a

Hy = 0 (4 - 1)

(4- 2)

(4- 3)

(4 —

4)

(4— 5) 图4-5矩形波导管

㈣

]■ 1

1 1

(C)

—■ ------- 磁力鲨

---- ——电北饋

•就址血出耒

X逍人贱曲

图4-6 TE io波的电磁结构

相应的电磁场结构如图4-6所示，它具有以下特性：

(1) Ez = 0，Hz工0,电场在z方向无分量，为横电波；

(2) 电磁场沿x方向为一个驻立半波，沿y方向为均匀分布；

(3) 电磁场沿z方向为行波状态。在该方向，电磁场分量Ey 与H x的分布规律相同，与H z的位相则差孔/2。

矩型波导管中的TE io电磁波的场结构及其感生的管壁电流分布，对于设

计波导管元件和波导中电磁波的激励与耦合装置,具有重要的意义.

3.传输线的特性参量与工作状态

在波导中常用相移常数、波导波长、驻波系数等特性参量来描述波导中

的传输特征。对于矩形波导中的TE i o波：

自由空间波长 c/ f

截止(临界)波长 C 2a

波导波长

E max

Emin 驻波比

相移常量 (4 - 8)

(4 - 9)

(4- 10)

反射系数 (4 —

11)