实验七 微波技术

1、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10-910-12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

2、。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

3、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

4、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

5、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

6、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，则迁移率较高；当电子处于子谷时有效质量m*较大，则迁移率较低。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，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

7、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

8、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

9、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。

10、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 =(0.40.5)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

11、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=22.86 mm、窄边 =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，在波导内壁表面厚为(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 （41） （42） （43） （44）Hy = 0 （45）图4-6 TE10波的电磁结构相应的电磁场结构如图4-6

12、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；（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 /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（46）截止(临界)波长（47）波导波长 （48）驻波比 （49）相移常量 （4

13、10）反射系数 （411）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，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，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c=，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c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。g 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

14、大于自由空间波长。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| = 0， =1。此时长线上各点的电源平均值保持常数，传输纯行波。（2）波导终端短路（接理想导体板）、开路或接纯电抗性负载时，形成全反射，波导中呈纯驻波状态。此时 | = 1， = ，传输纯驻波。（3）波导终端接一般性负载（有电阻又有电抗）时，形成部分反射，波导中呈行驻波状态，此时0<<1，1 < < 。此时，由于长线上既有行波，也有驻波，传输的是混波

15、。从能量角度讲，匹配状态相应于负载吸收全部微波功率。全反射状态相应于负载对微波功率全部反射；混波状态相应于负载部分吸收和部分反射微波功率的中间态。 4. 微波谐振腔谐振腔是一段封闭的金属导体空腔，具有储能，选频等特性。常用的谐振腔分矩形和圆柱形两种，下面介绍矩形谐振腔。矩形谐振腔是一段长度L为g/2的整数倍的矩形波导管。两端用金属片封闭而成，其输入输出的能量通过金属片上的小孔耦合。矩形谐振腔中可能存在无穷多个TE或TM振荡模式。通常用TEmnp和TMmnp表示。式中下标m、n、p为整数。p不能为零。对TE模m，n不能同时为零；对TM模m，n均不能为零。矩形谐振腔的谐振频率为 （412）2.3

16、常用的微波元件图4-7 常用微波元件示意图微波元件是微波系统的组成部分，它们对微波信号或能量进行定向传输、衰减、分配、储存、隔离、滤波、相位控制、波形转换、阻抗变换和调配以及其他特殊功能。工程上的微波元件有波导型、微带型等不同类型，这里主要介绍几种常用的波导型微波元件，如图4-7所示。1. 隔离器。这是一种铁氧体非互易性器件。通常是微波铁氧体（有的还要附加吸收片）置于一段直波导内的恰当位置，外加恒定磁场而成。它具有单向导通的特性，即隔离器在正向时只允许微波沿一个方向几乎无衰减的通过，对相反方向传输的微波功率呈电阻性吸收，因受到很大的衰减而难以通过。其隔离系数定义为反向传输衰减和正向传输衰减之比

17、的对数值的10倍，用分贝(dB)来表示。隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用，即允许信号源的功率传向负载，负载引起的反射不能传向信号源。2. 衰减器。这是一种电阻性器件。分为固定式和可变式两类，在实验中应用较多的可变衰减器是通过在宽壁开槽的直波导内，插入槽内的可移动的吸收片（通常是镀有电阻性材料的玻璃片）而成。可变衰减器分为平移式、插入式和旋转式等几种。通过改变衰减片在波导内的位置、面积大小或取向可以连续地改变衰减量的大小。可变衰减器外部的衰减片位置刻度，通过厂家所附衰减曲线图或表格可查出相应的衰减量。衰减器起调节系统中微波功率及去藕的作用。3. 匹配负载。接在传输系统终端的单臂

18、微波元件，用于传输系统终端建立纯行波状态。通常做成波导段的形式，内置吸收片。吸收片做成特殊的劈形,实现与波导间的慢过渡匹配，进入匹配负载的入射微波功率几乎全部被吸收。通常要求驻波比<1.06，相当于没有反射。4. 晶体检波器。用于检测微波信号。它的典型机构是在一段直波导上加装微波检波二极管、短路活塞和调配螺钉而成。其核心部分是跨接于矩形波导宽壁中心线上的点接触微波两极管。晶体检波二极管置于平行微波电场方向，当有微波输入时，在晶体中感应出微波信号。短路活塞和调配螺钉保证检波器有较高的灵敏度和较好的匹配特性。当微波信号是连续波，整流后的输出为直流；当微波信号为方波调制，输出为低频信号。输出信

19、号由与两极管相连的同轴线中心导体引出，接到相应的指示器，如选频放大器。测量时反复调节波导终端的短路活塞的位置以及输入前端三个螺钉的穿伸度，使检波电流达到最大值，得到较高的测量灵敏度。点接触两极管的功率承受能力极差，使用中要特别注意不要使信号过大，否则会因过载而损坏两极管。定量检测中要注意校正检波电流与加在其上的电压的依赖关系。当检波电流小于10A时，电流于电压的平方近似成比例，即一般的按平方率检波。而当检波电流大于10A时，则由平方率变为近似线性关系。5. 频率（波长）计。实验中用的较多的是“吸收式”谐振频率计。谐振式频率计由传输波导与圆柱形谐振腔和直读显示机构构成。空腔通过隙孔耦合到一段直波

20、导管上。谐振式频率计的腔体通过耦合元件与待测微波信号的传输波导相连接，形成波导的分支。当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时它不吸收微波功率，也基本不影响波导中的传输，相应地系统终端输出端的信号监测器上所指示的为一恒定大小的信号输出。测量频率时，调节频率计上的调谐机构（转动频率计），当频率计调谐到与信号频率谐振时，谐振腔吸收能量，则到达终端信号检测器的微波功率突然减少，由指示器可看出传输功率有一个明显的跌落。只要读出对应系统输出为最小值时调谐机构上的读数，就得到所测量的微波频率。6. 驻波测量线。用来测量微波传输线中合成电场（沿轴线）的分布，一般包括开槽线、探针耦合指示机构及位置移动

21、装置三部分。如图8，当测量线接入测试系统时，其波导中建立起驻波电磁场。驻波电场在波导宽边正中央最大，沿轴向成周期函数分布。在矩形波导的宽边中央的轴向开一条狭槽，伸入一根金属探针，则探针与传输波导1电力线平行耦合，得到大小正比于该处场强的感应电动势，经过晶体管检波器变成电流信号输出，指示器的读数可以间接表示场强的大小。当探针沿波导移动时，输出信号显示出波导中电场沿传播方向的变化，从而可以求出驻波比和波导波长及负载阻抗等。61、传输波导2、探针3、同轴腔4、微波二极管5、调谐活塞6、检波滑座24351图8 波导测量线工作原理示意图探针在主波导中的穿伸度通过螺丝可上下调节。活塞位置由顶部螺丝上下调节

22、，整个探针架置于探头座上，可通过转动旋纽沿槽移动，探针的位置可由测量线上所附标尺或测微计读取。7. 双T调配器。由一个双T波导和两只调节活塞构成，如图9。在E臂、H臂内装有短路活塞，改变活塞位置，可使系统获得匹配。这种匹配器频带宽，驻波匹配范围宽,可用在高功率传输系统。当端口2(或3)接任意有损耗的待匹配负载时，适当调节两活塞的位置，总可使端口3(或2)呈现匹配而不存在死区，调节方便。图9 双T调配器8. 短路活塞。是接在传输系统终端的单臂微波元件。其功能与匹配负载刚好相反，它接在终端对入射微波功率几乎全部反射而不吸收，从而在传输系统中形成纯驻波状态。它是一个可移动金属短路面的矩形波导，短路面

23、位置通过螺旋来调节并可直接读数。在实验中它可接在样品谐振腔后，用来调整谐振腔的工作状态。9. 选频放大器。对微波二极管的检波电流进行放大，是一个高增益、低燥声、具有选频特性的放大器。在信号源内用1kHz方波对微波信号进行调幅后输出，选频放大器则对此1KHz方波进行有效放大。使用中注意合理选择增益和频带范围，保证其稳定工作。指示用的表头有两种刻度：一种是均匀分格读数,可直读信号的大小，上标值为线性指示，下为相应的对数（dB）指示；另一种是驻波比刻度，它的满刻度作为驻波电压的波腹读数，把测量线调到波节时的读数即为驻波比。上为驻波比13，下为3.210。10. 功率计。微波小功率计是一种热电偶功率计

24、，由功率探头和指示器两部分组成。探头用鉍-锑热电堆膜片组成，既用作热电换能器，又作为吸收微波功率的匹配负载。热电偶的温差电动势由同轴线引出，经放大和定标后转换为功率读数示值。这种功率计的缺点是测量误差较大，主要来自失配误差。此外，探头的抗过载能力差，使用不当易于烧毁。功率计的探头部分有同轴波导转换接头，在测量时与波导系统连接。连接时注意：一是波导矩形截面相互对齐；二是波导拆卸面(短路面)之间保持密合和良好的电接触，紧固穿孔螺丝时松紧恰当。使用时要防止撞击和损伤波导及拆卸面，及不要接触或擦伤波导管的镀银内壁。测量功率时，必须先开机预热功率计，校正零点。测量时要注意恰当选择探头的衰减倍率，量程选择

25、要逐步由大到小，以免烧坏探头。小量程时应经常校正零点。2.4 微波的基本测量1. 波导波长和驻波比的测量。驻波比定义为波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场之比，即 （413）其中Emax或Emin分别表示波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场强度。实验中常用驻波测量线测定波导波长和驻波比。用驻波测量线测量时，要注意探针在开槽波导管内有适当的穿伸度，一般取波导窄边宽度的5% 10 %。实验前注意驻波测量线的调谐，一般是将测量线终端短接，形成纯驻波场，移动探针置于波腹点，调节测量线，使得波腹点位置的检波电流最大，反复进行多次。(1) 波导波长的测量。波导波长在数值上为相邻两个驻波极值点（波腹或波

26、节）距离的两倍。由于场强在极大值点附近变化缓慢，峰顶位置不宜确定，实际采用测定驻波极小点位置来求出波导波长。考虑到驻波极小点附近变化平缓，测量值不够准确，测量时通常不直接测量驻波极小点位置，而是通过平均值法间接测量。亦即测极小点附近两点（此两点在指示器上的输出幅度相等）的坐标，然后取这两点坐标的平均值，即得极小点坐标，如图4-10所示。两个相邻极小点的半个波导波长g为 （414）即 （415）其中（x1，x1）（x2，x2）分别为极小值点两旁输出幅度相等的两点坐标。图10 驻波极小点的确定图11 二倍极小功率法(2) 驻波比的测量。由于终端负载不同，驻波比也有大中小之分。因此，首先应根据驻波极

27、值点所对应的检波电流，粗略估计驻波比的大小。实验中微波信号比较弱，可认为检波晶体（微波二极管）符合平方律检波，即I V2 。否则需进行修正。由公式 （416）求出的粗略值后，再按照驻波比的三种情况，进一步精确测定值。大驻波比（>6）的测量：大驻比情况下，检波电流Imax与Imin相差太大。波节点上检波电流极微，波腹点上二极管检波特性远离平方律，可采用“二倍极小功率法”。如图4-11所示。利用驻波测量线测量极小点两旁功率为其二倍的点坐标，进而求出d，则 (>> 1) （417）中驻波比（1.5 6）的测量：中驻波比情况可直接根据式(4-16)计算。小驻波比（1.005 1.5）

28、的测量：小驻波比情况下，驻波极大值点与极小值点的检波电流相差细微，因此采用测量多个向邻波腹与波节点的检波电流值，进而取平均的方法。 （418）2. 微波功率的测量。微波功率是表征微波信号强弱的一个物理量，通常采用替代或比较的方法进行测量，即将微波功率借助于能量转换器转换成易于测量的低频或直流物理量，来实现微波功率的测量。实验室中通常采用吸收式微瓦功率计（如GX2A）。在功率计探头表面，用两种不同金属喷镀在薄膜基体上形成电热堆，放在同轴线的电场中间，它既是终端吸收的负载，又是热电转换元件。在未输入微波功率时，热电堆节点之间没有温差，因而没有输出；当输入微波功率时，热电元件吸收微波功率使热电堆的热

29、节点温度升高，这就与冷节点产生温差而引起温差电动势（微弱的直流势），且该元件产生的直流电势是与微波功率成正比例的。三实验装置实验装置如图4-12所示，其中微波振荡源为反射速调管震荡器或固态源。整个微波测量线路由3cm波段波组元件组成，主要为隔离器、衰减器、频率计、晶体检波器、选频放大器、微瓦功率计和驻波测量线等。图4-12 实验装置示意图四. 实验内容与步骤熟悉有关仪器的基本原理，掌握有关仪器的使用、注意事项及正确的开关机顺序。（一）微波测量系统的调试。1微波信号源（如图13）开机后，工作状态的指示灯在最右边位置，此工作状态下没有微波功率输出。由于本实验中指示器为选频放大器，故信号源“重复频率

30、”量程置于“×10”，园盘刻度置于“100”处（在信号源的左中、下角）（调好将不再变动）。信号源面板有“衰减”和“频率”显示值。输出功率由“衰减”调节旋钮调节，顺时针输出减小，逆时针输出变大。2“调谐”旋钮调节使信号源的工作频率发生改变，顺时针频率升高，逆时针频率降低。图13 YM1123标准信号发生器控制面板3通过信号源工作状态 键，置工作状态在“”方波状态。此时信号源输出的是1KHz方波调制下的（10GHz）微波功率。注意：为防止在拆装微波元器件时，微波功率从波导中辐射，请将工作状态通过 选择在最右边位置“外整步”后再拆装。4选频放大器输入阻抗置于“200K”，“正常5dB”开关置于“正常”状态，（5dB为使输入信号减小5dB）。右上部“通带”放在“40Hz”（带宽越窄，通带Q值越高，增益越高）。5此时整个系统已工作。依次调节E-H调配器、E面和H面罗盘，改变信号源功率