近代物理實驗

1、實驗三微波根本參數(shù)的測量實驗目的1 .了解微波傳輸線的傳輸特性；2 .熟悉波導測量線的使用；3 .學會駐波、衰減、波長、波導波長等根本參數(shù)的測量.實驗原理由于微波的工作頻率很高300MHz-300GHz,用普通導線已無法克服傳輸微波時引起的輻射與趨附效應,所以微波有其專用的傳輸線,常見的微波傳輸線有同軸線、波導、微帶線；其中尤以波導傳輸線最為常見它是矩形或圓形的金屬管,管的兩端裝有法蘭盤,以便于互相連接.波導具有傳輸功率大,衰減小的優(yōu)點.微波在波導中以電磁波的形式向前傳輸.一、矩形波導的電磁波微波能量的傳輸是應用波導,它是無內導體的空心金屬管.通常其橫截面形狀為圓形和矩形.金屬管實質上起屏蔽作

2、用.強迫微波在波導內沿軸向前進,向負載傳輸電磁能量.由電磁場的根本特性可知,電力線與磁力線永遠交鏈,并且在導體外表上磁力線總是與導體外表平行,而電力線必與導體外表垂直.因此,在無限長波導內滿足條件的可能傳輸微波只有兩種形式：一類電磁場波型是沿傳播方向Z方向無電場分量,即Ez=0,電場只存在波導的橫截面上,稱橫電波,也稱為TE波；另一類那么是沿傳播方向無磁場分量,即Ez=0,磁力線在截面上閉合,稱橫磁波,也稱TM波.TE波或TM波在波導中的形成稱為鼓勵和微波的鼓勵方法及頻率都有關系.我們以實際應用上最重要的矩形波導內的TE波為例說明之.今在矩形波導的寬邊中央開一小孔并插進一電偶極子或探針,它通常

3、是微波振蕩器向波導傳遞能量的同軸線內導體的延續(xù)局部.顯然探針相當于一個小天線,它能向四周輻射電磁波,由于波導管壁對微波的反射作用,在波導內便形成雜亂的波形,假設其中存在這樣的一個平面波,它從某一方向入射到波導的窄壁,并在兩窄壁上往復反射,形“之字形沿Z軸前進,如果波導的尺寸和入射方向恰當,正好使入射波和反射波的合成波在金屬外表處形成電場的波節(jié),而在波導的寬邊中央形成電場駐波的波腹,正好滿足電磁場的邊界條件,這樣的合成波就是TE波,它可在這個波導中鼓勵和傳輸.由于在波導寬邊上電場強度只有一個最大值,而在窄邊上電場強度無極大值,說明電場強度沿波導窄邊無變化.寫作TEi0,第一個腳注表示沿波導寬邊電

4、場的最大值個數(shù),第二個腳注表示沿波導窄邊的最大值個數(shù).的波導可能傳輸多種具有不同電磁場分布的波形常稱為模式,其中場結構最簡單的模式就是TE10波稱最低度模式.每種模式有一個最低的允許頻率稱之為臨界頻率,對應的最大波長稱為截止波長.當振蕩頻率低于臨界頻率時,其電磁場在波導中將隨著離開鼓勵偶極子的距離沿傳播方向成指數(shù)地迅速衰減.該模式就不能在這給定的波導中鼓勵和傳輸了.圖1表示TEi0波電場分布圖,圖2、圖3那么表示TEi0波磁場及其在波導中電場結構總圖.其中兀是微波能量沿波導軸向傳播的波長,稱為波導波長.要注意物不同于單一電磁波在自由空間傳播的波長船由于兀lllllllllllllfl.rXjc

5、m;1IXe總rA%橫截面縱截面頂視圖bHxHzTE10波電場結構圖圖2TEi波磁場結構圖實質上表示合成電波TEio在波導內傳輸時的兩相鄰波峰或波谷之間的距離.理論上可導出可以看出波導波長總大于K并且微波在寬邊為a的波導中傳播,其截止波長為2a.隨著時間的變化,TEi0波的電磁場分布圖以一定的速度沿波導軸移動,能量呈行波狀態(tài)傳輸出去.描述此電磁波的電場和磁場傳播的表達式為：E二E0ej(t-z)(2)式中E.、H0分別是所傳播的微波電場強度和磁場強度的模,6是微波振蕩的角頻率,z是傳播距離,P稱位相系數(shù),是行波的位相沿傳輸距離變化快慢的物理量,有:(4)二、微波傳輸中有關的物理量1,特性波阻抗

6、Z0：波導作為高頻傳輸線的一種,可以比照的用“特征.定義Z0是行波通過波導中Z處時的電場與磁場之比：入g/2傳播方向/raE0ej2一旦Hej一萬二Hzo的量綱與阻抗的量綱相同.可以設想波導管橫向電場為等效電壓,橫向磁場為等效電流,亦即把電場作為電壓來看,磁場作為電流來看.這樣電磁波在波導中的傳播以及反射、駐波等都可用電壓、電流,阻抗的概念去分析.2.反射系數(shù)P:波導終端接入負載后,由于負載性質的不同,電磁波將在終端產(chǎn)生不同的反射.定義反射波與入射波的比為反射系數(shù),用分別表示為：:來表示.如果入射波電壓和電流V=Voej(j：)I.=I0ej(6)反射波電壓和電流分別表示為:V-V0ej(tz

7、*I-=-I0ej(那么:-V-I-j:v=r=：oe(8)其中P0為反射系數(shù)的模,邛=中+2表示z處的反射波與入射波v終端敞口zv全匹配負載zv阻抗z終端負載短路金屬板圖4不同負載時的電壓駐波圖形的相角差.8式表示波導軸上各處的反射系教是不同的.我們所感興趣的是終端負載處的情況.如果終端為金屬板即短路,必然產(chǎn)生全反射,在終端處反射電壓波與入射電壓波振幅相同,并且位相相反,形成電壓波節(jié),那么此時反射系數(shù)P=-1.3.電壓駐波比S:由于微波入射到負載上會產(chǎn)生反射,所以波導中軸上每一點的電壓或電流都是入射波與反射波合成的結果,因此形成電壓駐波,沿波導軸向測量時會出現(xiàn)電壓值有大、小的變化.由于負載性

8、質不同,反射系數(shù)那么不同,因而出現(xiàn)的電壓駐波圖形也就不同.圖4表示不同負載時的電壓駐波圖形.圖中兩極小值之間的距離即為半波導波長.對負載：Vmax|V0MVminV0-V0定義電壓駐波上的極大值對極小值的比為電壓駐波比So那么：由(9)式可得:(9)(10)(10)式告訴我們.只要微波在波導內建立了駐波,便可通過容易測量的電壓極大值與極小值來計算反射系數(shù)的模.三、微波源本實驗所用微波源是以體效應二極管為振蕩器件,下面對體效應二極管做一簡單介紹.體效應二極管,一個均勻參雜的n型GaAs單晶樣品的兩端,分別制作一個歐姆接觸,就形成了一個體效應二極管(實際上它是一個無p-n結的二極管),逐步升高加在

9、二極管兩端的電壓,當平均電場到達3xi03v/cm以上時,此半導體會產(chǎn)生電流振蕩,振蕩頻率在微波頻段,其頻率決定于此樣品的長度,既取決于電子的渡越時間.將此體效應二極管(也叫耿Gun二極管)置于微波電路中,既可得到微波輸出,體效應二極管結構簡單,使用方便,對電源要求不高,也有一定的頻率調諧范圍.微波源的輸出功率一般在幾十毫瓦量級.效率也較低,一般在10%以下.實驗內容實驗裝置如圖5:1 .觀察不同負載對微波傳輸?shù)挠绊?接通速調管電源,選定Ur及U.,使在波導上輸出一定功率的微波.在波導終端處分別裝接短路金屬板、全匹配負載及膜片負載,以及在終端敞口狀態(tài)下,觀察微波在波導內形成全駐波、行波和局部駐

10、波的情形,參看圖4,并利用測量線測定不同負載時的電壓駐波圖形.注意在調試過程中,適當調節(jié)可變衰減器,以保證在實驗過程中檢波電流始終不超過電表量程.圖5實驗裝置方框圖2 .波導波長的測定.在波導終端裝接短路金屬板,由測量線可測定全駐波圖形,顯然兩極小值或兩極大值之間距離即為半波導波長,g/2.但由于在極大值或極小值時讀數(shù)誤差較大,所以通常測招用等斜率法.具體方法就是在駐波圖形上選一個斜率較大的電流示數(shù)值I設Imax=100MA,那么I可選60MA左右,移動探針,測出同相位的I值所對應的位置Li,L2,Ln+1,如圖6所示,那么n-Li1-Li(11)g_i=12 n由11式即可求出值.3 .微波

11、頻率的測定.利用諧振腔波長計可直接測定微波頻率.當波長計未調諧時,終端指示器微安計有正常指示,當波長計調到諧振時,終端指示便顯示一個鋒利的凹陷微安計指示數(shù)減日EmLLoL圖6等科率法測定波導波長圖7波導線上各點的電場分布小,記下此時波長計刻度值,查找校正曲線,便可得到被測微波頻率.另外,利用公式9以及f=C/九,將測得的加代人也可算出頻率f.在三公分微波系統(tǒng)中,2a=45.72mmo用兩種方法測定頻率.4 .駐波比和反射系數(shù)模的測定晶體檢波電流與微波電壓之間并非簡單的線性關系.而晶體二極管兩端的電壓正比于探針所在位置的電場強度,為了測定駐波比,必須測出晶體的檢波特性曲線.由終端短路時駐波圖形可看出,在波導線上各點的電場分布為正弦形式,見圖7,以節(jié)點為原點那么可表示為：E=Emsin生2n其中AL=LL0,g因此微波的相對強度可由下式計算：EEm二s二(12)只要測出L處的電壓,作UE圖,即可得到晶體檢波特性曲線.Em在波導終端接待測負載,此時在波導上建立一定的駐波圖形,用選頻放大器測出Uma