微波技术在矩形波导中传输特性实验讲稿

第17页共17页微波技术实验微波技术是从20世纪初开始发展起来的一门新兴科学技术，1940年前处于实验室研究阶段，1940~1945年处于实际应用阶段，1945年以后形成了一系列以微波为基础的新兴科学，如微波波谱学，射电天文学，射电气象学等；1965年以后，向固体化、小形化方向发展，并逐步得到了实际应用。特别在天体物理、射电天文、宇宙通讯等领域，具有别的方法和技术无法取代的特殊功能。[实验目的]1、学习用物理学的理论探究微波的特点及微波发射和传输的原理，2、掌握观测速调管的工作特性，描绘工作特性曲线（振荡膜）和频率特性曲线；3、观测波导管的工作状态，用直接法，等指示度法，功率衰减法测量大、中、小驻波比，测量波导波长，测频率，并计算光速和群速，相速；4、观测体效应管的振荡特性，-曲线、-曲线、-曲线。[实验原理]一、微波基本知识1、微波及其特点微波是波长很短（频率很高）的电磁波。一般把波长1m~0.1mm，频率在300MHz~3000GHz范围内的电磁波称为微波。根据波长的差异还可以将微波分为分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波。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，本实验所产生的微波频率在8600MHz~1）似光性。由于微波波长短，其数量级可达到毫米（10-3m），与光波的数量级（10-6m）可相比拟，因此微波具有光的传播特性，在一般物体面前呈直线传播状态。利用这个特点可制成2）频率高，振荡周期短。微波的振荡周期10-9~10-13s，已经和电子管中电子的飞越时间（10-9s）可相比拟。作为一种高频率的电磁辐射，由于趋肤效应，辐射耗损相当严重。因此，一般的电子管、集中参数元件，一般的电流传输线已不能在微波器件中使用，而必须用分布参数元件，如波导管、谐振腔、测量线等来代替，其测量的量是驻波比、特性阻抗、频率等。3）能穿透电离层。微波可以畅通无阻地穿过地球周围的电离层，是进行卫星通讯，宇航通讯和射电天文研究的有效手段。4）量子特性。在微波波段，电磁波每个量子的能量范围约为10-6~10-3ev。许多原子和分子发射和吸收的电磁波能量正好处于微波波段内，人们正是利用这一特点研究分子和原子结构，发展了微波波谱学、量子电子学等新兴学科，并研制了量子放大器、分子钟和原子钟。2、常用的微波振荡器2.1反射式速调管振荡器反射式速调管振荡器由反射速调管、稳压电源和高频结构三部分组成，核心部分是反射速调管。反射速调管的结构如图1所示，它由阴极（灯丝）、反射极和栅极（谐振腔）三部分组成。灯丝（阴极）的作用是发射热电子；谐振腔相对阴极成正电位，用来加速电子，并激励微波振荡；反射极电压可在一定范围（0~-200V）调节，反射极的作用是与谐振腔形成反射空间，使电子群聚并反射到谐振腔，提供微波功率。实验室所用的速调管型号通常有K-27，K-25，K-108等，其中K-27的灯丝电压是6.3V。图1反射式速调管原理图要了解反射速调管产生微波的原理，必须理解速调管的下列工作过程。=1\*GB2⑴速度调制。穿越谐振腔栅网的电子速度要受到谐振腔高频交变电场的影响，这过程称为速度调制。从阴极飞出的电子被谐振腔（栅极）上的正电压加速，电子在谐振腔电场的作用下经栅网飞入谐振腔，在上下栅网间的腔中激起感应电流脉冲，电流脉冲中与谐振腔固有频率有频率相同的分量使谐振腔产生电磁振荡，在两个栅网间产生了一个微弱的高频交变电场（图2a），这个电场对穿越栅网的电子施加影响，使电子速度受到加速（图2b）、减速（图2d）、维持原速（图2c）的调制作用。图2速度调制=2\*GB2⑵电子群聚。经过速度调制的电子流进入反射空间后，受到反射极电场的作用返回谐振腔，速度大的电子在反射空间飞越校场的时间和距离后才返回栅网，而速度小的电子返回栅网的时间和距离都较短，选择适当的发射极电压，可使得速度不等的电子同时返回栅极，形成一团团的电子流。这种不同时刻，以不同速度进入制动空间的电子会聚成一群而反回栅网的现象，称为电子群聚。如图3所示：分别在时刻1，2，3通过栅网的电子，速度分别为V、V、V，且有V>V>V，但它们的行程S>S>S，很显然，它们有可能会聚成一群同时返回栅网。电子返回栅网的时间由腔压V和反射极电压，以及反射空间距离S决定。它们的关系是：（3）振荡持续条件。要使微波振荡能够持续，必须使谐振腔内已形成的微弱微波电磁场的能量得到适当的补充。这个补充的能源可来自群聚电子的动能。如果我们调节适当的，使电子返回栅网时正好处于栅网上方电场为正，下方电场为负的时刻，即t、t时刻，这时电子群通过栅网将受到电场阻力，速度降低，电子群的动能便可转换为微波电场能。而这个时刻是（n+）T（n=1，2，3,…）此条件亦可写成：=(n+)T（n=1，2，3,…）或T==n+(n=1,2,3,…)ƒ=是微波振荡的频率。从上式可以看到，改变可以得到若干个使微波振荡持续的条件，每个条件与一定的n值相对应，我们称之为微波振荡膜。在我们的实验中，改变可得到3个振荡膜。实验时调节，可得到不同的微波功率（相应的电流值）和不同的频率ƒ，-称工作特性曲线，-称频率特性曲线，如图4所示。图4反射速调管的功率和频率特性以上关于速调管的工作原理可归结为：阴极发射的电子流和腔压使谐振腔“热噪动”而建立了微弱的交变电场，此电场对电子流进行速度调制，通过反射电压所建立的抑制电场的作用使电子群聚，并反射到谐振腔，在一定条件下，使微波振荡得以加强和维持。2.2耿氏（Gunn）二极管振荡器教学实验室常用的微波振荡器除了反射速调管振荡器外，还有耿氏（或体效应管）二极管振荡器，也称之为固态源。此外，还有一类微波半导体器件是利用半导体的结型效应，有变容二极管，肖特基二极管，隧道二极管，齐纳二极管，雪崩渡越时间二极管，双极晶体管，单极晶体管（场效应管）等等。目前实验室使用较多的是体效应管。耿氏二极管振荡器的核心是耿氏二极管。耿氏二极管主要是基于型砷化镓的导带双谷——高能谷和低能谷结构。1）体效应管的负电阻特性。1963年，耿氏（Gunn）在实验中发现了砷化镓晶体的负电阻特性，如图5所示。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；当电压超过某一临界值后，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，则电流趋向饱和（如图所示）。这说明型砷化镓样品具有负阻特性。体效应的广义意义是不含任何界面的半导体，在各种外界因素（声、光、热、电、磁）作用下所表现的现象，后用来专指转移电子效应或耿氏效应。这种效应通常发生在如砷化镓，磷化铟等类导带结构中有多能谷的半导体中。图6是砷化镓的双能谷结构示意图。图5耿氏管的电流-电压特性图6砷化镓的能带结构能谷曲线可由薛定谔方程：，将的变化形式代入，可得：式中，相当于或，当为常数，与之间遵循抛物线的变化关系，不同晶体的-图各异。电子在两个能谷中的有效质量是：式中是能谷曲线斜率的变化率，从中可得《，导致主能谷中电子的迁移率大于。2）体效应管产生微波振荡的原理。图7是耿氏管产生微波振荡的原理示意图。在管两端加电压，当管内电场略大于（为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畴外电场下降，从而进一步使畴内的电子转入高能谷，甚至畴内电子全部进入高能谷，畴不再长大。此后，偶极畴在外电场的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图。（图8是畴的形成原理）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。图7耿氏管中畴的传播图8畴的形成3、微波的波导传输原理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，同轴线核微带线的使用受到一定的限制，而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了广泛地应用。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、微带线中传输的基本波型是TEM波（横电磁波）；而波导中传输的却是TE波（横电波）或TM波（横磁波）。选择合适的坐标系并将麦克斯韦方程组用于波导管，就可求得波导管中的电磁场各分量，实际应用中通常是将波导管设计成只能传输单一波型。矩形波导中的波由于具有可单模传输、频带宽、低损耗、漠视简单稳定、易于激励和耦合等优点，成为应用最广泛的一种波型。矩形波导管中的TE波波导管是一种空心金属管，其截面有圆形和矩形两种。用的最多的是矩形波导管。考虑一个横截面为矩形的均匀、无损耗的矩形波导管，如图9所示。我们以矩形波导管的宽边为X轴，窄边为Y轴，纵长为Z轴建立坐标系，并阐述一般的横电波是怎样变成TE波的。图9矩形波导管TE波是横电波（TransverseelectricWave），电场有横向分量，无纵向分量，磁场却有纵向和横向分量。根据电磁场有关理论，TE波的分量方程：式中，是决定幅值的常数与坐标无关，，、为任意正整数，选择一定的、，便可决定不同的波形。当我们选择=22.86mm，=10.16mm时，便可使，，这时的TE波便称为TE波。它的方程为：令，（即），得：E波的电场结构从可知，只与、有关，TE波的沿横截面的分布如图6所示。图10E波的电场结构沿方向有一个半波分布，沿方向无变化，这也是10的另一个意思。X=处，与的关系为：当时，，如图10所示。TE波的磁场结构如图11所示。图11TE波的磁场结构3）TE波电磁场结构形成的物理过程如图12所示，矩形波导中的TE波可以看成是一支电场在（边）方向上的TEM波，以某一角度射入波导窄壁，在两壁之间来回反射、曲折前进形成的。入射波和反射波的迭加干涉，在一定的边界条件下形成TE波。图12TE波电磁场结构形成的物理过程在C处平行于（1）置一块理想导体平面板（2），合成磁场在C处仍满足边界条件，不会产生场扰动。又因为电场只有分量，磁场只有、分量，所以平行于平面插入两快相距为的金属板，同样不会扰动场型，这就构成了的矩型波导，其中的合成电磁场便是TE波。图中只是某一瞬间的干涉图，随着时间的推移，场将保持完整的结构沿方向传播。TE波的传输特性。=1\*GB3①空间波长和波导波长如图13所示，实线和虚线分别表示相距为的波阵面，AC=是空间波长，是自由空间两个相差2的相平面之间的距离。与的关系是，波导中介质是空气，所以即为光速，空间波长与自由空间中的波长相同。但是，我们应当考虑合成波在波导管中的传播。当入射波相平面到达c时，合成波相平面相差为2的点已到达B，AB是合成波相差为2的空间距离，AB称为波导波长。图13空间波长和波导波长与的关系是：。证明：∵（）又∵AB=AC/∴。②截止波长对于已知宽边的波导管，平面电磁波必须以一定的角度入射方能构成TE波。根据与的关系（）可知：当变化时，也变化，增大，变小，反射波与入射波靠近，当时，，电磁波就不能在波导中传播了，称这一极限传播的波长为截止波长，用表示，即。能够在波导中传播的波长必须小于。5）波导管的工作状态。在实际情形中，波导不是无限长，而是与其他元件联结。因此，在波导中同时存在沿Z轴方向的入射合成波和从终端反射回来的反射合成波，电场是由入射合成波和反射合成波迭加而成的。我们只分析的迭加情况，而且只考虑处，某一时刻的情形。则有：反射波和入射波可分别写成：参考面上的迭加电场为：选择波导终端为起点，在距终端为的迭加电场为：定义反射系数：。式中是终端反射系数，表示在终端反射波与入射波的位相差。引入后，迭加场可写成：当2-2n时，驻波电场达到最大值（波腹）：，当2-(2n+1)时，是波节位置：。定义驻波比为波导中驻波电场的最大值与最小值之比（又称驻波系数）：。由上式可解得：。由于终端情况不同，波导管中电磁场的分布情况也不同，可以把波导管的工作状态归结为三种工作状态：行波状态。终端接匹配负载，这时，所以，。驻波状态。终端接短路片，又称全反射片，这时，由||=1得→∞。行驻波状态。，。以上三种工作状态的电场分布曲线分别如图14(a)、(b)、(c)所示。图14电场分布曲线4、波导型微波元件工程上的微波元件有波导型、同轴型、微带型等不同类型，我们主要介绍几种常用的波导型微波元件。驻波测量线驻波测量线又叫驻波测量仪，是用来测量波导中驻波分布规律的仪器。它是由一段沿纵向开有细长槽的直波导与一个可沿槽移动的带有微波晶体检波器的探针探头组成。探针经过槽插入传输线内，从中拾取微波功率以测量微波电场强度的幅值沿线的分布，探针的位置可由测量线上所附标尺或测微计读取。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直波导内加装可移动的衰减计（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。可变衰减器的外部有反映衰减片位置的刻度，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以及去藕的作用。图15衰减器示意图图16隔离器示意图图17单螺调配器隔离器这是一种铁氧体非互易性器件，通常是将微波铁氧体（有的还要附加吸收片）置于一段之波导内的恰当位置，并外加恒定磁场而成。隔离器只允许微波沿一个方向传输，对相反方向传输的微波呈电阻性吸收。在隔离器正方向（或需要传输的方向上），它的衰减量（或插入损耗）很小，约0.1dB左右，反方向的衰减量则很大，达几十dB，两个方向的衰减量之比为隔离度。若在微波源后面加隔离器，它对输出功率的衰减量很小，但对于负载反射回来的反射波度衰减量很大。这样，可以避免因负载变化使微波源的频率及输出功率发生变化，即在微波源和负载间起到隔离作用。调配器调配器是用来使它后面的微波部件调成匹配。匹配就是使微波能完全进入而一点也不能反射回来。常用的调配器是单螺调配器、三螺调配器和双T调配器。单螺调配器的结构如图17所示。在波导宽边中央开一条纵向小槽，插入一个小螺钉，改变螺钉的插入深度及沿槽的位置，就相当于可调至任何所需的电坑。当插入深度时，它表现为一个等效并联电容；当插入深度时，它呈现一个等效并联电感，大约在时发生串联型谐振，波导成为短路。实际应用上，螺钉的插入深度不要超过谐振位置。频率（波长）计教学实验中用的较多的是“吸收式”谐振频率计。谐振式频率计包含一个装有调谐柱塞的圆柱形空腔，腔外有的数字读出器。空腔通过细孔耦合到一段直波导上。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，也基本上不影响波导中波的传输，相应地系统终端输出端的信号检测器上所指示的为以恒定大小的信号输出。测量频率时，调解频率计上的调谐机构，将腔体调至谐振，此时波导中的电磁场就有部分功率进入腔内，使得到达终端信号检测器的微波功率明显减少。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。[实验仪器]高压速调管电源、3cm固态信号源、示波器、选频放大器、微安表[实验内容及过程]1、观察和调试在教师指导下，熟悉实验仪器的名称、型号、基本原理，掌握实验仪器的使用注意事项和正确的开关机顺序。按正确顺序开启信号源，在示波器中观察速调管产生微波振荡的三个膜。速调管电源的使用要求逐一过关，不允许误操作。2、波导波长的测量1）终端接短路片，使测量线中处于纯驻波状态。移动测量线，相邻波节点（或波腹点）的距离的2倍便是波导波长。为了准确测量，实验中采取两项措施：一是不在波腹点附近测量，因为波腹比较平缓，很难确定准确的位置；二是在波节点左右等距离测两点代替直接测波节点（图18）。因此，每一个波节点都有一左一右两个相距波节点的数据。从右到左移动测量线的探针，可得3个波节点，6个数据，记录在表1中。利用：（-，，，计算。要求每人独立操作两次，求。表1次数dddddd123图18=1\*GB3①测频率。然后作以下计算：求空间波长。由，可得。=2\*GB3②计算光速。，并与*10cm/s比较相对误差。=3\*GB3③计算群速相速。，。3、驻波比的测量直接法测驻波比的实验在DH808实验系统中进行，并分别使终端接开口波导和单螺调配器（穿伸mm），从右到左移动测量线，在选频放大器的电流表上可测得和的值，记录在表2，表3中，并利用公式：