目錄實驗一、gunn振盪器 1
實驗二、調製器和晶體檢波器 8
實驗三、波導內的傳播型別、波長和相位速度 15
實驗四、微波器件引數的測量——q值和諧振腔的頻寬 21
實驗五、微波器件引數的測量——駐波比的測量 26
實驗六、微波器件引數的測量——阻抗測量 30
1． 實驗目的
本實驗的目的是學習微波訊號源gunn振盪器的理論和操作方法。
2． 實驗原理
a、gunn 效應
gunn效應也稱電子遷移效應，是2023年gunn發現的，如圖1－1，當小的直流電壓加到矽材料薄片上時 [gunn 在他的實驗方法裡使用的是gaas(砷化鎵）和inp（磷化銦）] ，在一定的條件下呈現出負阻（negative resistance）特性。一旦產生負阻，就能夠很容易地通過連線負阻到調諧電路產生振盪。
保持半導體材料的負阻狀態的條件是：保持加在半導體上的電壓梯度超過3000v/cm。半導體微波源的最適當的調諧電路就是諧振腔。
圖1－1 外延gaas gunn半導體側檢視
gunn 效應只發生在n型半導體材料上，這是半導體自身特性的結果。研究發現有關結或連線點的特性的任何引數和電壓、電流都不影響gunn效應，只有電場是需要高於閾值的，才能保持振盪。gunn二極體對磁場不敏感，因此，它對任何入射磁場都不響應。
振盪器的頻率主要取決於電子束穿過材料薄片的時間。
b、負阻和轉移電子效應
圖1－2是gaas的能帶和能級。注意到這種材料（gaas）在能級的頂部具有空能帶，部分滿的能帶在空能帶下面，當n型材料參雜入這種材料並有電壓加在二極體上時，將有剩餘電子產生流動。
圖1－2 gaas gunn 二極體的能級
流過二極體的電流與電壓成正比，電流方向朝著gaas的正極。電壓越
高、電流越大的情形等效於正電阻。然而，當電壓達到足夠高時，電子不會再流動的更快些，而是遷移到更高的能帶。此能帶空穴多，遷移率低，結果電流減少了，二極體就表現出負阻現象。
電子從低能級遷移到高能級叫做轉移電子效應。如果電壓繼續增加，高能帶的電子遷移率就會增加，進而導致電流增加。
c、gunn疇
gaas振盪器的頻率與電子束的形成和轉移時間有關。負阻效應是理解gunn振盪器的重要因素。然而，僅有負阻效應並不能完全解釋振盪器內發生的所有過程，另乙個重要的因素就是疇(domains)的形成，或gunn 疇。
gaas內自由電子的總數依賴於gaas內參雜的n-型材料的密度。因為其參雜密度不是必須一致的，所以參雜密度低的地方自由電子就少一些。
由於自由電子少一些意味著導電率也就低一些，因此，這樣的區域電勢（potential）差比自由電子多的區域大，當施加的電壓增加時，足夠的電壓梯度導致負阻疇，所以電子遷移效應就先發生在這個區域。上述的疇是不穩定的。疇裡的電子由於快速遷移而被分離，前面的電子向前移動的速度快，後面的聚成（電子束），這樣，整個疇以107cm/s的速度穿過矽片到達正極。
當疇裡發生電子遷移效應時，電子移動到低導電高能帶，少量電子留在導帶，此時降低了此區域的導電率。如前面章節的解釋，這導致電勢梯度增加,使疇可以移動。因此，電子的傳輸和疇的移動過程自己重複著，這就是所謂的「自我塑造/再生」。
當疇到達二極體的陰極，將產生乙個脈衝到與之相連的諧振腔電路，形成振盪。實際上，gunn二極體的振盪是由到達負極的脈衝導致的，比用二極體的負阻特性來解釋更為合適。
d、gunn振盪器
圖1－3是at3000使用的gunn振盪器
圖1－3 at3000中的gunn振盪器
儘管振盪器設計的可以避免副振盪模式振盪，振盪器還是提供了調諧功
能以備有必要細調時使用。
3． 實驗過程
如圖1－4連線實驗裝置
圖1－4 建立 gunn 二極體的電流和電壓的特性測試
a、電流與電壓關係的特性。
(1) 將電壓調到4v，將可調衰減器調到10db，這樣可以保證隔離gunn振盪器。
(2) 每次將電壓調高0.5v（注意：不可以超過10v），測量並將每次的電流記錄在表1－1。
表1－1 gunn 二極體電流與電壓關係的特性
(3) 將電壓減到0v，根據表1－1繪製乙個v-i曲線。如圖1－5。
圖1－5 gunn 二極體電流與電壓關係的特性
b、振盪器輸出功率與輸入電壓關係的測量。
(1) 開啟功率表的電源，併校零。
(2) 每次將電壓調高0.5v（注：不可以超過10v），並記錄每次功率表的功率讀數和衰減值。
(3) 將讀到的功率值從mw轉換為dbm，然後加上衰減值（db）到dbm.
例如：假設功率讀數是6.3mw，電源電壓是8.5v，用dbm＝10log6.3=8dbm 加上3db的衰減，那麼總功率應該是11dbm。
現在轉換gunn二極體的輸出功率11dbm到mw：
(4) 重複(3)，並完成表1-2。
表1－2 電源電壓和與輸出功率的關係
(5) 畫圖表示出電源電壓與輸出功率之間的關係，（圖1－6）。
圖1－6 gunn 二極體電源功率與輸出功率關係的特性
c、振盪器輸出頻率與電源電壓關係的測量。
(1) 如圖1－7，架設裝置。將電源電壓調至9v，將衰減器調到最大衰減，將功率表撥到1.0量程，減少衰減直到功率表的讀數接近刻度的右側(大約0.
8到1mw)。慢慢地調整頻率表，觀察功率表，當功率表的讀數有大幅下降時，頻率表的讀數就是gunn 振盪器的頻率。
(2) 將電源電壓從能夠發生振盪的最低電壓調到最高電壓（10v），每次增加1v，填入表1－3。注意頻率表的每個刻度是10mhz。
圖1－7 連線振盪輸出頻率與電源電壓關係的測量
表1－3 電源電壓與測得頻率的關係
1． 實驗目的
一、掌握pin 二極體調製器的基本原理及操作。
二、掌握晶體檢波器的基本理論及操作。
2． 實驗原理
a、pin二極體
如圖2－1(a)，pin二極體由p材料、n材料以及兩者夾心的乙個薄絕緣體(insulator)構成，因此叫做pin二極體。p和n的厚度比絕緣體的厚度更重要。在反向偏壓和微波頻率下pin二極體是高阻和電容元件。
它是乙個雪崩效應元件，在正向偏壓條件下，絕緣體裡發生雪崩效應，允許p的空穴和n的電子流通，因此，絕緣體成為有效導體。圖2－1(b) 表示pin二極體的等效電路。圖2－1(c) 和 (d) 是等效電路被修改為偏壓後的結果。
(a) 構造b) 等效電路
(c) 反偏等效電路d) 正偏等效電路
圖2－1 pin二極體的結構和等效電路
pin二極體調製器有乙個與波導交叉連線的二極體，當偏壓按足夠大的方波（低頻）變化，並且波導內有微波時，二極體具有調製器功能。當二極體被反向偏置時，不影響能量流通，當其被完全或部分地去除反向偏置時，可以使二極體控制能量流。
這種使用絕緣體在p和n之間的調製器具有優良的調製效能，因為它在調製過程中可以使整流和諧波產生的影響最小。
b、晶體檢波器
晶體檢波器是一種可以按「平方律」特性檢測微波訊號的元件，點接觸鍺或矽晶體的二極體是最常見的晶體檢波器。有時，輻射熱測量儀也用於微波檢測，此器件主要是用來測量微波功率的。典型的晶體檢波器如圖2－2和圖2－3(a)和(b)。
在圖2－2裡兩個濾波器(輸入高通和輸出低通)是用來分離微波和直流輸出的。
圖2－2 典型晶體檢波器電路
圖2－3 晶體檢波器的v-i特性
在圖2－3中，我們來關注二極體的電流和電壓的關係。一般來說，圖2－3中的一條曲線可以近似地用電壓的冪的泰勒級數來表示。
…(2-1)
通常，前三項已經足夠近似於整個方程。如果電壓表示為
v=acosωt
這裡a是振幅，ω等於2πf
將v代入式2－1,得出
用得出現在，平方律的特性已經明顯了，在等式2－4裡，項已經包含直流分量 ，二次諧波表達為。因此我們可以說，檢波器的電流正比於微波電壓的振幅a的平方。這個概念只在一定的訊號電平內有效；在訊號電平更高時，式2－4中更多的項需要考慮，二極體不再被當作平方律器件了。
除圖2－2的檢波電路之外，二極體本身可以表達為等效電路的項。
圖2－4表示乙個完整的等效電路。
圖2－4 檢波器的等效電路
圖2－4中，ro 和c 代表結的阻抗，r是二極體的體電阻。檢波器的品質因數是檢波公式的電壓和電流的靈敏度，表達為：
為了使輸出功率最大化，必須匹配二極體的微波阻抗和波導的特徵阻抗。匹配阻抗的另乙個好處是使來自檢波器的反射最小化，因為反射影響測量的準確度。
二極體能夠檢測到的最小訊號電平取決於二極體的雜訊。二極體在存在雜訊時檢測訊號的能力叫做檢波器的正切靈敏度(tss)。圖2－5中簡要畫出了tss的概念。
圖2－5 二極體的tss
在圖2－5中，方波調製的微波訊號被檢波、放大並顯示在示波器上。tss的真正意思是必須使方波的最小微波功率高於雜訊。檢波器的tss主要依靠檢波器前的放大器的頻寬，因為指定範圍內的雜訊幅度決定於頻寬。
微波檢波器的典型引數是1mhz 頻寬和-50dbm 的tss.
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