實驗七微波的傳輸特性和基本測量
微波通常是指波長為1mm至1m，即頻率範圍為300ghz至300mhz的電磁波。其下端與無線電通訊的短波段相連線，上端與遠紅外光相鄰近。根據波長差異還可以將微波分為公尺波，分公尺波,釐公尺波和公釐波。
不同範圍的電磁波既有其相同的特性，又有各自不同的特點。下面對微波的特點作簡要介紹。
1．微波波長很短，比建築物、飛機、船舶等地球上一般物體的幾何尺寸小得多，微波的衍射效應可以忽略，故，微波與幾何光學中光的傳輸很接近，具有直線傳播性質，利用該特點可製成方向性極強的天線、雷達等。
2．微波頻率很高，其電磁振盪週期為10-9—10-12秒，與電子管中電子在電極間渡越所經歷的時間可以相比擬。因此，普通的電子管已不能用作微波振盪器、放大器和檢波器，必須採用微波電子管（速調管、磁控管、行波管等）來代替。其次，微波傳輸線、微波元器件和微波測量裝置的線度與微波波長有相近的數量級，因此，分立的電阻器、電容器、電感器等全不同的微波元器件。
3．微波段在研究方法上不象低頻無線電那樣去研究電路中的電壓和電流，而是研究微波系統中的電磁場。以波長、功率、駐波係數等作為基本測量參量。
4．許多原子、分子能級間躍遷輻射或吸收的電磁波的波長處在微波波段，利用這一特點研究原子、原子核和分子的結構，發展了微波波譜學、量子無線電物理等尖端學科，以及研究低嘈聲的量子放大器和極為準確的原子、分子頻率標準。
5．某些波段的微波能暢通無阻地穿過地球上空的電離層，因此微波為宇宙通訊、導航、定位以及射電天文學的研究和發展提供了廣闊的前景。
由此可見，在微波波段，不論處理問題時所用的概念、方法，還是微波系統的原理結構，都與普通無線電不同。微波實驗是近代物理實驗的重要實驗之一。
微波技術的應用十分廣泛，深入到國防軍事（雷達、飛彈、導航），國民經濟（移動通訊、衛星通訊、微波遙感、工業乾燥、酒老化），科學研究（射電天文學、微波波譜學、量子電子學、微波氣象學），醫療衛生（腫瘤微波熱療、微波手術刀），以及家庭生活（微波爐）等各個領域。
一.實驗目的
1. 熟悉常用微波器件的結構、原理和使用方法；
2. 了解微波振盪源的基本工作特性和微波的傳輸特性；
3. 掌握頻率、功率、波導波長以及駐波比等基本量的測量。
二．實驗原理
2.1微波振盪源
微波訊號源是提供微波訊號的必備儀器。微波源可分為兩大類：一類是電子管，另一類是固體電子器件。
前者使用反射速調管、行波管和磁控管等；後者則使用體效應管、雪崩管和微波電晶體等。一般實驗室中常用的是反射速調管振盪器，但近來一些新型的微波固態訊號源（如體效應振盪器等）已被廣泛應用。由於固態源具有體積小、重量輕、耗電省以及便於整合等優點，相當多的場合已經取代了速調管微波源。
本實驗所用的就是固態源。這裡主要介紹耿氏二極體振盪器或稱體效應微波訊號源。
耿氏二極體振盪器，也稱之為固態源。耿氏二極體振盪器的核心是耿氏二極體，如圖4-1所示。2023年耿氏在實驗中觀察到，在n型砷化鎵樣品的兩端加上直流電壓，當電壓較小時樣品電流隨電壓增高而增大；當電壓v超過某一臨界值vth後，隨著電壓的增高電流反而減小。
這種隨電場的增加電流下降的現象稱為負阻效應；電壓繼續增大(v>vb)則電流趨向飽和，如圖4-2所示。這說明n型砷化鎵樣品具有負阻特性。
圖4-1 體效應二極體的剖面圖4-2耿氏二極體電流-電壓特性
砷化鎵的負阻特性可用半導體能帶理論解釋，如圖4-3所示。砷化鎵是一種多能谷材料，n型砷化鎵的導帶是雙谷——高能谷和低能谷結構，兩個能谷間能量差為0.36ev，小於其禁帶寬度1.
43ev，但大於熱運動動能kt。其中具有最低能量的主谷和能量較高的臨近子谷具有不同的性質。當電子處於主谷時有效質量m*較小，則遷移率μ較高；當電子處於子谷時有效質量m*較大，則遷移率μ較低。
在常溫下且無外加電場時，大部分電子處於電子遷移率高而有效質量低的主谷。隨著外加電場增大，電子平均漂移速度也增大。當外加電場大到足夠使主谷的電子能量增加至0.
36ev時，部分電子轉移到子谷，在那裡遷移率低而有效質量較大。結果是隨著外加電壓的增大，μ即電子的平均漂移速度反而減小，出現單調下降的微分負阻特性，直到v=vb時，低谷中的電子全部轉移到高能谷。電子轉移效應是體效應的物理基礎，所以體效應管也稱為電子轉移器件。
圖4-3砷化鎵的能帶結構圖4-4耿氏管中的疇的形成、
傳播和消失過程
圖4-4為耿氏管示意圖。在管兩端加電壓，當管內電場大於er(er負阻效應起始電場強度)時，由於管內區域性電量的不均勻漲落（通常在陰極附近），在陰極端開始生成電荷的偶極疇。偶極疇的形成使疇內電場增大而使疇外電場下降，從而進一步使疇內的電子轉入高能谷，直至疇內電子全部進入高能谷，疇不再長大。
此後，偶極疇在外電場作用下以飽和漂移速度向陽極移動直至消失。而後整個電場重新上公升，再次重複相同的過程，周而復始地產生疇的建立、移動和消失，構成電流的週期性振盪，形成一連串很窄的電流，這就是耿氏二極體的振盪原理。
耿氏二極體的工作頻率主要由偶極疇的渡越時間決定。實際應用中，一般將耿氏管裝在金屬諧振腔中做成振盪器，通過改變腔體內的機械調諧裝置可在一定範圍內改變耿氏振盪器的工作頻率。為提高體效應管振盪器的頻率穩定性，降低燥聲，擴充套件調諧範圍和提高效率，必須把體效應管與特定的諧振電路
結合起來。乙個好的選擇是用體效應管作為有源元件做成te10模波導諧振腔振盪器。其調諧方式有調諧杆機械和變容兩種。
gaas材料製成的體效應管對溫度很敏感，可用恆溫、補償、鎖定等計術或用溫度係數低的殷鋼製造諧振腔等措施來提高頻率的穩定性。
2.2 微波傳輸線
1. 概述。常用的微波傳輸線有同軸傳輸線、波導傳輸線、微帶傳輸線等。
由於輻射損耗、介質損耗、承受功率和擊穿電壓等的影響，同軸線和微帶線的使用受到一定的限制，波導傳輸線由於無輻射損耗和外界干擾，結構簡單，擊穿強度高等特點，在微波段得到廣泛應用。
傳輸線中某一確定的電磁場分布稱為波型，通常用tem、te或tm表示。同軸線是由內導體和一根環繞它的同心管形外導體組成，其間充有絕緣介質。它傳輸的電磁場僅分布在橫解面上而無縱向分量的橫電磁波(tem波)。
橫截面上，磁力線為環繞內導體的閉合同心圓，電力線與磁力線垂直、沿圓環的徑向。
波導是空心金屬管的總稱，按截面形狀不同分為矩形波導和圓形波導兩大類。為減少內壁損耗，內壁要有較好的光潔度,並鍍銀以提高電導率。由於空心波導中無任何導體，故不能傳輸tem波，但能傳輸te和tm橫電磁波。
te波的特性是電場為純橫向，具有縱向磁分量。所以又稱為（縱向）磁波(h波)。tm波與te波相反，其磁場是純橫向，因具有縱向電場分量，所以又稱為(縱向)電波(e波)。
te波和tm波均可有無窮多個波型，常寫成temn和tmmn波。下標m,n為包括零在內的正整數。為實現單一波型(單模)傳輸，常把波導尺寸設計成標準化的寬邊為a，窄邊為b的矩型波導。
只要滿足b =(0.4—0.5)a的關係，波導就只傳輸temn的最低模，即te10波(h10波)，此時m=1,n=0。
下面將看到：m和n分別代表電磁波沿寬邊和窄邊交變的次數(半波長數)。當m或n為零時，表明電磁場在相應方向保持恆定。
實際應用中通常是將波導管設計成只能傳輸單一波型矩形波導中的te10波。由於其可單模傳輸、頻帶寬、低損耗、模式簡單穩定、易於激勵和耦合等優點，應用最廣泛。
2. 矩形波導中的te10波
矩形波導是乙個橫截面為矩形的均勻、無耗波導管，如圖4-5所示。實驗室常用的波導管，寬邊=22.86 mm、窄邊=10.
16mm 。設矩形波導管內壁為理想導體，且波導管沿z 軸方向為無限長。當te10波在波導中傳輸時，在波導內壁表面厚為(趨膚深度)的表面內將感應產生管壁電流。
圖4-5 矩形波導管
根據麥克斯韋方程可得矩形波導中te10波的各電磁場分量為：
ex= e z= 04－1）
4－2）
（4－3）
（4－4）
hy = 04－5）
圖4-6 te10波的電磁結構
相應的電磁場結構如圖4-6所示，它具有以下特性：
（1） ez = 0，hz ≠ 0，電場在z方向無分量，為橫電波；
（2） 電磁場沿x方向為乙個駐立半波，沿y方向為均勻分布；
（3） 電磁場沿z方向為行波狀態。在該方向，電磁場分量ey與hx的分布規律相同，與hz的位相則差л /2。
矩型波導管中的te10電磁波的場結構及其感生的管壁電流分布，對於設計波導管元件和波導中電磁波的激勵與耦合裝置,具有重要的意義.
3. 傳輸線的特性參量與工作狀態。
在波導中常用相移常數、波導波長、駐波係數等特性參量來描述波導中的傳輸特徵。對於矩形波導中的te10波：
自由空間波長4－6）
截止(臨界)波長4－7）
波導波長4－8）
駐波比4－9）
相移常量4－10）
反射係數4－11）
為描述反射大小，定義反射波電壓與入射波電壓之比為電壓反射係數γ，簡稱反射係數。反射波與入射波會在長線上相干產生駐波。長在線電壓的最大值與最小值之比稱為電壓駐波比ρ，簡稱駐波比。
長線是指縱向長度大於0.1的傳輸線。
由此可見：微波在波導中傳輸時，存在著乙個截止波長λc=，是波導中能通過的電磁波波長的上限。它是波導傳輸線重要的傳輸特性引數。
波導中只能傳輸λ＝λc的電磁波。所以矩形波導實際上是乙個高通濾波器，這樣，才能實現單模傳輸。
λg 是相位波長或稱波導波長, 定義為均勻波導中某頻率和某模式的行波，沿縱軸場分量的相位差為的相鄰點之間的距離，即在波導中z方向相鄰的兩個同位相點之間的距離。它大於自由空間波長λ。
實際應用中，傳輸線並非是無限長。此時傳輸線中的電磁波由入射波與反射波迭加而成，傳輸線中的工作狀態主要決定於負載的情況。
（1）波導終端接匹配負載時，微波功率全部被負載吸收，無反射波，波導呈行駐波狀態。此時|γ| = 0，ρ =1。此時長線上各點的電源平均值保持常數，傳輸純行波。
（2）波導終端短路（接理想導體板）、開路或接純電抗性負載時，形成全反射，波導中呈純駐波狀態。此時 |γ| = 1，ρ = ∞，傳輸純駐波。
微波技術實驗報告
微波技術實驗指導書目錄 實驗一微波測量儀器認識及功率測量 1 實驗二測量線的調整與晶體檢波器校準 2 實驗三微波駐波 阻抗特性測量 5 實驗目的 1 熟悉基本微波測量儀器 2 了解各種常用微波元器件 3 學會功率的測量。實驗內容 一 基本微波測量儀器 微波測量技術是通訊系統測試的重要分支，也是射頻工...
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實驗一微波傳送系統電路組成及介紹 一 實驗目的 1 了解射頻前端發射器的基本結構與主要設計引數。2 利用實驗模組的實際測量了解射頻前端發射器的特性。二 原理分析 微波電視傳輸系統是一套短距離 點對點的微波電視傳送和接收系統，它將現場攝得的電視 音訊訊號以微波方式傳送，再向電視中心站或有線電視站傳送。...
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