微波布拉格实验.doc

实验：微波干涉和布拉格衍射 实验目的 进一步熟悉迈可尔逊干涉原理。 了解微波的布拉格衍射。 测量微波布拉格衍射的波长。 实验仪器 微波分光计。 模拟晶体点阵架。 反射板。 微波简介 微波波长范围：1mm-1cm的电磁波（），不可见光。本仪器发出的微波波长为32.02cm。 1．微波的特性 微波是电磁波频谱中极为重要的一个波段，波长在1mm~1m之间，频率为3(108 ~ 3(1011Hz。其特点为： ①波长短。具有直线传播和良好的反射特性，在通讯、雷达、导航等方面得到广泛应用。 ②频率高。周期和电子在电子管内部的电极间渡越时间相近，必须采用电磁场和电磁波理论的方法来研究它。低频中以集中参数表示的元件，如电阻、电容、电感对微波已不适用，要改用分布参数表征的波导管、谐振腔等微波元件来代替。 ③穿透性，微波可以穿透地球周围的电离层而不被反射，不同于短波的反射特性，可广泛用于宇宙通讯、卫星通信等方面。 ④量子特性，在微波波段，单个量子的能量约为10-6~10-3eV，刚好处于原子或分子发射或吸收的波长范围内。为研究原子和分子结构提供了有力的手段。 2．微波的产生和测量 微波信号不能用类似无线电发生器的器件产生，产生微波需要采用微波谐振腔和微波电子管或微波晶体管。 1) 谐振腔通常为其内表面用良导体制成的一个闭合的腔体。为提高品质因数Q，要求表面光洁并镀银。谐振频率取决于腔体的形状和大小。 2) 体效应二极管为利用砷化镓、砷化铟、磷化铟等化合物制成的半导体固体振荡器。载流子在半导体的内部运动有两种能态，由于器件总有边界面，且晶体杂质浓度不均匀，当外加电场为某一值时，会出现不稳定性，即产生微波振荡。 3) 微波信号的检测，需要高频响应微波二极管。在微波范围内，二极管的结电容对整流后的信号滤波，从而在二极管两端得到一直流电压，可用微安表测量，其大小取决于微波信号的振幅。 仪器介绍 微波分光计：用来观察、测量微波反射、折射、干涉、衍射的仪器。主要由四部分组成： 1、发射部分：由固态振荡器产生的微波信号经过衰减器送至发射喇叭天线，向外发射单一波长的微波信号。（相当于单色光）。 2、接收部分：接受喇叭天线、晶体检波器、微安表组成。 3、分度盘：测量转角。平台可以放置元件。 4、附件：用来做布拉格衍射、微波波长测量、单缝、双缝衍射的零件。 实验仪器——微波分光计 微波分光计是仿光学分光计设计的，如图1。主要部分包括： 1）微波发生器M和发射喇叭D，发出单一波长(的微波束。 2）简立方模拟晶体C，晶格常量为4.00cm。即用厚4cm的聚苯乙烯泡沫板在表面嵌入16个金属球组成一方阵，相邻球间距离4cm，并将四块板叠成由64个金属球组成的简立方模拟晶体。 3）微波接收喇叭T和微安表(A，将接收到的微波信号转变为直流电流，并由微安表显示信号的强弱。 4）晶体支架B，用于安放模拟晶体，支架可绕中心轴旋转，周边有指示旋转角度的刻度。 5）刻度盘A，上面刻度用作指示入射波与反射波的方向，以确定角度 ( 值。为防止仪器底座对微波的干扰，将发射喇叭D和接收喇叭T以及模拟晶体高悬于支架之上。 微波发生器装置如图所示。（仅供参考：它是由一个微波振荡器和一个喇叭形天线4组成。微波振荡器由一个三厘米波段矩形截面的波导管作谐振腔3和一只体效应二极管2组成。谐振腔的一端通过一φ4~6mm的圆孔与一腔体可调的圆柱形稳频腔连通。接通电源后，体效应二极管在外加电场作用下产生电流振荡。若匹配恰当，在谐振腔内的振荡产生TE10波的驻波（横电波）。经过三公分波段的矩形波导，引出TE10波的行波。经发射喇叭变为TEM波（横电磁波）。 微波接收器装置如图所示。它是由检波二极管2、接收喇叭4和衰减器3组成。接收喇叭将TEM波转变为TE10波在波导中传播。衰减器的腔内有一舌形薄片，片上涂有吸收微波的薄膜，调节舌形薄片插入波导的深度，可以控制微波通过量。在波导管的宽边中以同轴结构将检波二极管置于波导内构成检波器。常用的检波二极管是2DV14C型的硅二极管。接收器的尾端装一调谐短路活塞1，作调谐用。调谐短路活塞要很好地与波导管壁接触，避免出现火花。 波导与喇叭内表面要反射微波，为了减少漫反射，加工要平整而光洁。各微波元件连接处也要求平整。内表面因要通过面电流，故要镀银。为防银氧化，再镀以金。 微波振荡器与检波器都可以看作一个同轴波导转换器。前者是把同轴线内的振荡转换为波导内的电磁振荡。后者是把波导内的电磁波转换到同轴线上。波导的阻抗与同轴结构的阻抗若不相同，在微波转换处会出现一个反射界面，引起微波的反射，使转换效率变低。若转换处阻抗近乎均匀过渡，则可防止电磁波的反射，从而提高微波的转换效率。 微波振荡器的匹配调节如下，图2中体效应二极管的插入深度是可调的。调节方法是在上下两个螺钉中先松开一个，调紧