实验七 微波技术解读

66 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300GHZ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。 67

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型砷化镓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>Vb)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——高能谷和低能谷结构，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 68

有效质量m*较小，则迁移率μ较高；当电子处于子谷时有效质量m*较大，则迁移率μ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而有效质量低的主谷。随着外加电场增大，电子平均漂移速度也增大。当外加电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，在那里迁移率低而有效质量较大。结果是随着外加电压的增大，μ即电子的平均漂移速度反而减小，出现单调下降的微分负阻特性，直到V=Vb时，低谷中的电子全部转移到高能谷。电子转移效应是体效应的物理基础，所以体效应管也称为电子转移器件。

图4-3砷化镓的能带结构 图4-4耿氏管中的畴的形成、 传播和消失过程 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负阻效应起始电场强度)时，由于管内局部电量的不均匀涨落（通常在阴极附近），在阴极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电场下降，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 69

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TE10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)。TE波和TM波均可有无穷多个波型，常写成TEmn和TMmn

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TEmn的最低模，即TE10波(H10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TE10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TE10波 矩形波导是一个横截面为矩形ab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TE10波在波导中传输时， 70

在波导内壁表面厚为410m(趋肤深度)的表面内将感应产生管壁电流。 图4-5 矩形波导管 根据麦克斯韦方程可得矩形波导中TE10波的各电磁场分量为： Ex= E z= 0 （4－1） )zt(j0ye)axsin(EE （4－2）

)zt(j02ze)axcos(EajH （4－3）

)zt(j0xe)axsin(EH （4－4）

Hy = 0 （4－5）

图4-6 TE10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 ≠ 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； 71

（3） 电磁场沿z方向为行波状态。在该方向，电磁场分量Ey与Hx的分布规律相同，与Hz的位相则差л /2。 矩型波导管中的TE10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TE10波： 自由空间波长 /cf （4－6） 截止(临界)波长 2Ca （4－7）

波导波长 21(/)gc （4－8）

驻波比 minmaxEE （4－9） 相移常量 g2 （4－10） 反射系数 入反EE （4－11） 为描述反射大小，定义反射波电压与入射波电压之比为电压反射系数Γ，简称反射系数。反射波与入射波会在长线上相干产生驻波。长线上电压的最大值与最小值之比称为电压驻波比ρ，简称驻波比。长线是指纵向长度大于0.1的传输线。 由此可见：微波在波导中传输时，存在着一个截止波长λc=2a，是波导中能通过的电磁波波长的上限。它是波导传输线重要的传输特性参数。波导中只能传输λ＝λc的电磁波。所以矩形波导实际上是一个高通滤波器，这样，才能实现单模传输。 λg 是相位波长或称波导波长, 定义为均匀波导中某频率和某模式的行波，沿纵轴

场分量的相位差为2的相邻点之间的距离，即在波导中Z方向相邻的两个同位相点之间的距离。它大于自由空间波长λ。 实际应用中，传输线并非是无限长。此时传输线中的电磁波由入射波与反射波迭加而成，传输线中的工作状态主要决定于负载的情况。 （1）波导终端接匹配负载时，微波功率全部被负载吸收，无反射波，波导呈行驻波状态。此时|Γ| = 0，ρ =1。此时长线上各点的电源平均值保持常数，