近代物理实验 微波基础实验 (7-1).pptxVIP

近代物理实验（4） 2014年3月25日 电子信息与光学工程学院 光电子技术科学 于晓源 1110641 7-1 微波基础实验 实验7-1 微波基础实验 1.实验基本原理 2.实验内容 3.拟定的实验方案 4.实验预习中的一些问题 5.实验预习参考文献 1.实验基本原理 （一）微波元器件简介 (1)波导管：一种空心圆形或矩形金属管，由于波导管无辐射损耗、无外界干扰、结构简单、击穿强度高等特点，所以其在微波波段得到了广泛应用。 传输线中某一种确定的电磁场分布称为波型，通常用TEM，TE或TM表示。实际应用中是将波导管设计成只能传输某种单一的波型，现在使用的标准矩形波导管中只能传输TE10波，这种波具有可单传、带宽、低耗、简单稳定、易于激励、易于耦合等优点，是应用最广泛的波型。 在波导中，常用自由空间波长λ0，截止波长λc，波导波长λg，相移系数β，反射系数Γ，驻波系数S等特性参数来描述电磁波在波导中的传输特征。 在实际应用中，传输线不可能无限长，所以波导管中的电磁波是由入射波与反射波叠加而成的，其状态决定于负载的情况： 1终端接匹配负载，微波功率全部被负载吸收，无反射波，在波导中呈行波状态，在这种情况下，Γ=0，S=1. 2终端被短路、开路或接纯电抗性负载，形成全反射波导中为纯驻波，在这种情况下，Γ=1，S=∞. 3终端接一般性负载，即既有电阻又有电抗的负载，这就会形成部分反射，波导中的电磁波为行波状态，在这种情况下，0Γ1,1S∞. (2)微波信号源： 微波信号源是提供微波信号的必备仪器，一般实验室中常用的是反射速调管振荡器。 但是近来一些新型的微波固态信号源（体效应振荡器）被广泛应用，其具有体积小、重量轻、能耗低、工作可靠等优点，在本次实验中所选用的微波信号源就是固态信号源（体效应振荡器）。 体效应振荡器是一个负阻振荡器，其由体效应管、谐振腔和阻抗变换器组成。体效应管利用砷化镓一类III- V族化合物半导体单晶材料制成，当两电极间加上足够高的直流电压时，会发生微波振荡现象。谐振腔提供必要的电抗，以便对体效应管的振荡进行调谐并构成调谐回路。阻抗变换器是将负载阻抗变换到适当值，以便与体效应管阻抗匹配，并使谐振腔产生射频谐振电压。 (3)微波谐振腔： 微波谐振腔是一段封闭的金属导体空腔，具有储能、选频等特性，常用的谐振腔有矩形和圆形两种。矩形谐振腔又分为通过式谐振腔和反射式谐振腔。通过式谐振腔由两个耦合孔，一个孔输入微波以激励谐振腔，另一个孔输出微波能量，其输出功率与输入功率之比称为传输系数。 反射式谐振腔即把一段标准矩形波导管的一端加上带有耦合孔的金属板，另一端加上封闭的金属板，它只开一个孔，该孔既是能量输入口，又是能量输出口，其输入端的反射功率之比与入射功率之比称为反射式谐振腔的相对反射系数。 （4）隔离器： 隔离器是一种不可逆衰减器，当微波信号正向通过它时，衰减量很小，大约为0.5dB-1dB。当微波信号反向通过它时衰减量很大，可以达到20dB-40dB，这两个方向的衰减量之比称为隔离度。 一般把隔离器紧接在振荡器之后，利用隔离器的单向性在信号源与负载之间起到隔离作用，以减小因负载端的变化而造成的对信号源频率和输出功率的影响。实际操作中要特别注意隔离器的方向性，不要接反方向。 （5）衰减器： 衰减器是用来降低微波系统中的功率电平，在实验中应用较多的是可变吸收式衰减器，它依靠把部分进入的微波功率通过吸收片吸收，并以热量的形式发散掉，从而得到衰减的。 衰减器衰减量的增减可通过调整吸收片在器件内的位置来实现，吸收片越移近波导宽壁的正中间，衰减量越大。这种衰减器衰减量一般在30dB-40dB范围内改变。 （6）频率计（波长计） 频率计是用来测量信号频率的一种微波元件，它由传输波导和谐振腔构成。 根据其结构上的特点，其在测量系统中的连接方式可以划分为 “通过式”与“吸收式”两种。对于“通过式”频率计当信号频率与谐振腔一致时，传输到负载端的能量最大。对于“吸收式”频率计，当信号频率与谐振腔一致时，谐振腔吸收一部分能量使得传输到负载端的功率减小。现在实验室中最为常用的频率计为“吸收式”频率计。 （7）晶体检波器和测量放大器： 晶体检波器是把检波二极管跨接在矩形波导宽壁中心线上，使波导中的最大电场沿二极管轴向加在其PN结上。用波导终端的短路活塞调配器进行调配，使输出的检波电流达到极大值，用以指示微波相对功率的大小。 当微波功率很低时，晶体检波器的输出很微弱，这种情况下希望把检波器输出的电流加以放大。通常使用1000Hz的方波调制信号源使晶体检波器输出1000H