实验十五微波技术实验.docx

实验十五微波技术实验【实验目的】1. 学习微波基础知识和掌握微波基本测量技术；2. 学习用微波作为观测手段来研究物理现象的基本原理和实验方法。即包含“学微波”和“用微波”两个方面。本实验重点要求掌握体效应振荡器的使用 方法，了解微波测试系统的组成及调试方法，学会微波频率、驻波比、波导波长、微波功 率、微波衰减等的测量，通过实验了解微波的产生和微波的波导传输知识。【实验原理】见微波基本知识部分，请同学进行仔细的阅读后再进行试验，进行本实验之前，必须 阅读相关的资料初步了解和熟悉下列问题：1. 微波测试系统应由那几部分组成？2. 清楚了解各微波器件的作用及工作原理。3. 理解体效应振荡器的基本工作原理。4. 学会选频放大器的正确使用。5. 怎样调节体效应振荡器的振荡频率？6. 理解用吸收式频率计测量微波频率的原理和方法。7. 理解晶体检波器的功用和使用方法。8. 理解可变衰减器的功用和使用方法。9. 了解驻波测量线的工作原理和使用方法。（学生可自己设计检测方案）【实验用微波信号源】一一体效应管振荡器（微波固态源）在微波实验系统中，用体效应砷化镓二极管作微波振荡器。下面将对它进行介绍。1. 效体应管的工作特性在n型GaAs半导体材料上施加直流偏压、后，起初电流随电压线性增长，但是当所 加偏压使材料内的平均电场超过每厘米3KV以上某个阈值电场Et （与气对应的外加电压 V/尔为阈值电压）时，电流发生微波振荡。实验证明这种电流振荡是由于“高电场偶极子 畴”在阴极附近周期性地形成，并被阳极吸收这一过程造成的。电亍能压n型GaAs的导带结构示意图如图1所示。它有两个导电能谷：L谷和U谷。它们的能量相差。通常，在低电场下，导电的电子绝大部分在L谷中，它们的平均速度v = |i卢，即随电场E线性的增大；当电场大于某个阔值气后谷中的电子获得足够的能量而向七转移，以后随电场继续增加，这样转移的电子越来越多，电子的平均速施=E将反向随电场的n 口+ n 口增加而减小。因为日=f，这里"和气分别为L谷和U谷中的电子密度，且n0 =0n + n，同时日<< r，所以n越大7就越小。V场很高时(E>E )，绝大部分电子 L vvLvv已转移至U谷，所以这时电子的平均速度7 E又随电场线性地增大。上述各阶段电子的平均 速度随电场的变化情况如图2所示。可见，在Et和E之间电子平均速度随电场的增加而 减小，即其微分是负。电子密度n0 一定时，电流正比于平均速度，因而负的微分速度就说 明了随着电场(亦即电压)的增加，电流反而减小，即存在负阻现象。这种负阻通常称为 体内负阻。基于n型GaAs材料的这种负微分平均速度特性，就可以使其产生电流微波振荡。图2由于电子在二谷中转移引起的负微分速度特性2. 体效应管振荡电路由前面的讨论知道这种器件只要偏压U >V即使无外电路的作用也会产生电流微波振 b T荡，只是这种振荡不是简谐的。若器件是在高Q谐振电路中工作(图3)，则谐振回路不仅将使振荡波形成为简谐波，而且还将控制体效应器件的振荡频率。因为高Q谐振回路中只可能建立起与其固有频率相同的射频振荡，此时器件的端电压为： 0V(t) = V + V sin(0t+8)如图3 (b)所示。若把体效应管置于波导中，在波导端口处接以高Q谐振腔，便可以构 成微波振荡器。体敦应制1: 广图3体效应管振荡电路和振荡波形【实验内容与步骤】内容一微波测试系统调试及微波频率的测量1. 微波测试系统波导微波测试系统通常由三部分组成：（1）等效电源部分（即发送器）包括微波信号源、隔离器，有的还附加功率、频率监视单元和输出功率调节装置（即 可变衰减器）。（2）测量装置部分包括频率计、驻波测量线（可用定向耦合器代替）、调配元件、辅助元件（如短路器、 匹配负载等），以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率计等）。（3）指示器部分（即测量接收器）指示器是显示测量信号特性的仪表，如uA表、选频放大器、示波器等。2. 微波测试系统调试（1）微波测试系统如图4示，清楚了解各元件的形状、结构、作用、主要特性及使用 方法。哀诚器图4 微波测试系统（2）接通电源和测试仪器的有关开关，调节衰减器、检波器，观察uA表有无输出指 示，若有，当改变衰减量时，uA表的指示会有起伏的变化，这说明系统已在工作。否则应 检查原因，使之正常工作。系统正常工作后，适当调节可变衰减器的衰减量（衰减量不能 为零，否则会烧坏晶体二极管），使指示器的指示便于读数。（3）观察方波调制的输出信号。选择“方波”工作方式，用示波器观察输出信号波形，也 可用选频放大器作输出指示。比较采用“方波”和“等幅”两种工作方式时输出信号的区 别。（4）调节单螺调配器,观察微安表检波电流的变化，说明原因。（5）调节测试系统工作在匹配状态。3. 用吸收式波长计测量微波信号源的频率。吸收式波长计的谐振腔只有一个输入端与能量传输线相接，调谐是从能量传输线路接 收端的指示器的读数的降低而看出的。旋转波长表的测微头，当波长表与被测频率谐振时， 将出现吸收峰。反映在检波指示器上的指示是一跌落点，如图5所示。此时，读出波长表 测微头的读数，再从波长表频率与刻度曲线上查出对应的频率。图5波长表的谐振胫曲线内容二 驻波比和波导波长的测量1. 理解微波的波导传输和波导管的工作状态（读“微波基本知识”搞清楚波导管有几 种工作状态？）2. 驻波系数的测量。驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器，其简单原理是： 使探针在开槽传输线中移动，将一小部分功率耦合出来，经过晶体二极管检波后再由指 示器指示，从而看出在开槽线中电场的分布情况（相对强度）。使用驻波测量线时要注意下列几个问题：首先，通过调谐装置使测量线调谐。调谐 的目的是消除探针插入测量线中引起的不匹配，并使探针感应的功率有效地送至检波晶 体管。其次，使探针在开槽波导管内有适当的穿伸度，显然，探针穿伸度过大，则影响 开槽线内的场分布情况而产生误差，穿伸度太小，又会降低测量的灵敏度，探针穿伸度 一般取为波导窄壁高度力的5-10%。第三，检波晶体管的检波电流I与管端电压V有关，而V与探针所在处的电场E成正比，I、E满足关系式：1 = K1 En，其中K1、n为常 数。在小功率情况下，可以相当精确地认为n =2,即平方律检波。但在比较精确地测量 中，应该对检波律进行校准。（1）晶体检波特性校准（选作）微波频率很高，通常用检波晶体（微波二极管）将微波信号转换成直流信号来检测的。 晶体二极管是一种非线性元件，亦即检波电流J同场强正之间不是线性关系，在一定范围 内，大致有如下关系I = kE a（1）其中：k，a是和晶体二极管工作状态有关的参量。当微波场强较大时呈现直线律，当微波场强较小时（P<l R W）呈现平方律。因此，当微波功率变化较大时a和k就不是常数，且和外界条件有关，所以在精密测量中必须对晶体检波器进行校准。校准方法：将测量线终端短路，这时沿线各点驻波的振幅与到终端的距离/的关系应当 为2兀lT-g（2）上述关系中的l也可以以任意一个驻波节点为参考点。将上两式联立，并取对数得到1丫 2兀 l1gI = K + A1g sin Ag(3)若呈现为近似一条直线，则直线的斜用双对数纸作出lg I lg sin(2兀/ /七曲线，率即是a,若不是直线，也可以方便地由检波输出电流的大小来确定电场的相对关系。(2)驻波测量线法测驻波比 小驻波比的测量 W P W在小驻波比情况下，驻波极大值点与极小值点的检波电流相差细微，且波腹、波节 平坦，难以准确测定。为提高测量精度，可以采用测量多个相邻波腹和波节点的的检波 电流值，按下式计算P的平均值1 十 ' 十minl + nin 2 +因:min x(4)当检波晶体满足于平方律时候+u十十d5) 中驻波比的测量W P W6当驻波比不大时，驻波的最大值与最小值处微波信号都比较弱，可以认为检波晶体 符合平方律检波，即1此U 2，则可由下式求出驻波比(6)P厂-i 2inin 大驻波比p >6如驻波比P >6,波腹振幅与波节振幅的区别很大，测量线不能同时测量波腹和波节， 因此必须采用别的测量方法一一二倍极小功率法。使用平方律的检波晶体管，利用探针测量极小点两旁。功率为极小点功率二倍的距 离W (参看图6)，以及波导波长长g，按下式计算驻波比:(7)图6 二倍极小功率法3. 波节位置和波导波长的测量调节可变电抗的反射系数接近1,在测量线中入射波与反射波的叠加为接近纯驻波的图形， 如图7所示，只要测得驻波相邻节点得位置l、匕，由2 人=L2 - L1 即可求得波导波长人g。为了提高测量精度，在确定?L2时，可采用等指示度法测出最小点Im.n对应的L （参看图7），即可测出I1（I1略大于Imin），相对应的两个位置 则:L _ X； + X； 1 121,X' + X"L = 2d22（8）同理：即可求得精度较高的人图7电场沿测量线分布图内容三功率测量使微波系统正常工作并处于匹配状态下。功率测量包括两种方法：相对测量（确定微波功率的大小）和绝对测量（确定微波功 率的绝对值）。1.相对功率测量：当检波器工作在平方率检波时，电表上的读数I与微波功率成正比: 电流表的指示IXP，即表示为相对功率。2.绝对功率测量：接入功率计可测得绝对功率值。内容四衰减测量在微波传输系统中，插入某些微波元件或器件，如波导、弯头、衰减器、隔离器、滤 波器等，由于它们本身的反射和损耗，使回路所传输的功率电平发生变化，衰减量就是用 以衡量插入元件对传输功率电平影响的一项重要技术指标。“衰减量”的定义为：如果微波 元件的输入端功率"，输出功率为七（均为匹配状态下），则定义衰减量：A = 10lg P （分贝）21.平方律检波法当晶体检波器具有平方律检波特性时，指示器的指示值是和输入到检波器的功率成正 比的。在这种情况下，可以直接根据指示器的指示值来确定由于衰减器件接入所引起的相 对功率改变量，代入衰减的定义式即可算出它的衰减量。-?0I II I_U II LJt-J I *y Ei i 11111111 _精密 驻波信号源 隔离器衰减器衰诚器测量统 检波:器待刑元件图8衰减量测量电路2,高频替代法（选作）插入被测器件前，调节单螺调配使微波测量系统处于匹配状态。被测器件接入前，调 节精密可变衰减器至，使检波指示器为；接入被测元件后，调节精密可变衰减器使其 指示为，而使检波器指示仍为。这时被测器件的衰减量为：A = A - A它是应用标准可变衰减器作为待测器件的替代标准2由于这种方法避免了晶体检波律 的影响，可测W3040dB的衰减量。其精度主要取决于标准可变衰减器的校准精度。