微波实验(基础)

微波实验（基础）实验报告物理XXXXX摘要：本实验通过一系列的实验，定量观测了波导测量系统中微波的性质，以及微波在空间中的偏振情况。并在结果中给出一些观测结果的解释。关键字：微波，波导，负载驻波比，微波偏振1、引言：微波是指波长处于的电磁波，相应的频率为300MHz“300GHz。由于微波有：波长短，量子特性和能够穿过电离层等的特点，研究方法就与普通的电磁波不同。微波实验是近代物理实验的重要组成部分。本实验的目的是：学习微波的基本知识，了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用；了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术；掌握驻波测量线的正确使用方法和用驻波测量线校准晶体检波器特性的方法；掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法；了解微波的偏振及其传输特性。通过具体是实验使学生掌握微波的特性以及波导测量系统的原理。二、 实验：本实验分为以下几个部分利用短路负载的I~L曲线计算波导波长和晶体检波器的参数（X：测量不同负载的驻波比并练习调节单螺调配器：测量耿氏二极管输出电压和电流以分析其工作特性；微波输出以及微波的偏振三、 实验结果及讨论：实验原理：微波的产生图1耿氏二极管的电流电压特性本实验所用的是微波源，其核心部分是耿氏二极管，它主要是基于n型半导体神化稼的导带双谷（高能谷和低能谷）结构。1963年耿氏在实验中观察到，在n型神化镣样品的两端加上直流电压，当电压较小时样品电流随电压增高而增人；当电压V超过某一临界值V班后,随着电压的增高电流反而减小（这种随电场的增加电流卜•降的现彖称为负阻效应）；电压继续增大（V>Vb）,则电流趋向饱和（如图1所示），这说明神化稼样品具有负阻特性。神化稼的负阻特性可用半导体能带理论解释。如图2所示，神化镣是一种多能谷材料，其中具有最低能量的主谷和能量较高的临近子谷具有不同的性质。当电子处于主谷时有效质量m*较小，则迁移率p较高;当电子处于子谷时有效质量较人，则迁移率口较低。在常温且无外加电场时，人部分电子处于电子迁移率高而有效质量低的主谷，随着外加电场的増人，电子平均漂移速度也増犬，电流增人。但当外加电场人到足够使主谷的电子能量增加至036eV时，则部分电子转移到子谷，在那里迁移率低而有效质量较人，其结呆是随着外加电压的増人，电子的平均漂移速度反而减小,即电流减小。进一步提高外加电场，当所有电子都跃迁至子谷，则电流达到饱合状态，不再随电场的增加而改变了。图2神化镣的能带结构图3耿氏二极管中畤的形成，传播和消失过程图3所示为一耿氏管示意图，在管两端加电压，当管内电场E略人于Et（Et为负阻效应起始电场强度）时，由于管内电场及电子分布的不均匀性，在不同区域内，电子迁移速度是不同的，因而会出现空间电荷的局部积累，形成所谓的电子积累层和电子耗尽层（通常在阴极附近），即所谓的偶极畴。偶极畴的形成使畴内电场越来越人而畴外电场不断下降，从而进一步使畴内的电子转入高能谷，直至畴内电子全部进入高能谷，畴不再长人。此后，偶极畴作为一个整体在外电场作用卞以饱和漂移速度向阳极移动直至消失。而后整个电场重新上升,再次重复相同的过程，周而复始地重复畴的建立、移动和消失的周期过程。在畴完全形成和渡越的过程中，二极管的输出电流小且稳定，但当畴消失时，电流会突然增犬，从而构成电流的周期性振荡，形成一连串很窄的电流，这就是耿氏二极管的振荡原理。耿氏二极管的工作频率主要由偶极畴的渡越时间决定。实际应用中，一般将耿氏管装在金属谐振腔中做成振荡器，因此它是将直流能屋转换成微波能量的一种装置，通过改变腔体内的机械调谐装置可在一定范I韦I内改变耿氏振荡器的工作频率。谐振腔的作用一方面是可以调谐振荡波形使其接近正弦波，另一方面是把高频电磁能量收集在腔内，并通过耦合把高频能量送到负载上。

微波的传输根据电磁场的普遍规律一Maxwell方程组或由它导出的波动方程以及具体波导的边界条件,可以严格求解出只有两大类波能够在矩形波导中传播：横电波又称为磁波，简写为TE波或H波，磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。横磁波又称为电波，简写为TM波或E波，电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。在实际应用中，一般让波导中只存在一种波型，我们实验用的TE丄°波就是矩形波导中常用的一种波型。TE"波具有如下特点：a） 存在一个临界波长入c=2a,只有波长入<入c的电磁波才能在波导管中传播。可见TE^波的传输只对波导宽边的长度有要求（a>入/2）,而对窄边的长度没有要求，这也是TEg波具有偏振性的来源。b） 波导波长入g>自由空间波长入c） 电场只存在横向分量，电力线从一导体壁出发，终止在另一导体壁上，并且始终平行于波导的窄边。d） 磁场既有横向分量，也有纵向分量，磁力线环绕电力线。e） 电磁场在波导的纵方向（z）上形成行波。在z方向上，Ey和Hx的分布规律相同，也就是说Ey最大处Hx也最大，Ey为零处Hx也为零，场的这种结构是行波的特点。驻波测量线电路理论与传输线理论的关键区别是电气尺寸和波长的关系。对于普通无线电波来说，电路中的尺寸比工作波长小得多，沿线电压、电流只与时间有关而与空间位置无关，分布参数产生的影响可忽略。但微波的波长很短，传输线上的电压、电流既是时间的函数，又是位置的函数，导致微波的传输与普通无线电波完全不同。探测微波传输系统中电磁场的空间分布情况，是微波测量的重要工作，测量所用的基本仪器是驻波测量线。驻波测量线是一段精心加工的、宽边正中开槽的波导或开槽同轴线。探针经窄槽插入波导内并与电场平行，探针插入深度为1〜2mm,它可以沿波导移动。在微波测量中，为指示波导或同轴线中电磁场强度的人小，是将高频的电场强度信号经过晶体二极管检波变成低频信号或直流电流来读出的。晶体二极管是一种非线性元件，亦即检波电流I同场强E之间不是线性关系，在一定范围内，大致有如下关系：1=血a⑴其中k,a是和晶体二极管工作状态有关的参量。当微波场强较人时呈现直线律，当微波场强较小时（P<W）呈现平方律。因此，当微波功率变化较人时a和k就不是常数，且和外界条件有关，所以在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，这时微波在波导中形成驻波，电流最小值为0,最人值为I峰。为了保证a值为常数，因此微波的功率应比较小，这时沿线各点驻波的振幅与到终端的距离I的关系应当为lgl=lgl=K+algsin(2ul)对上式进行线性拟合，若呈现为近似一条直线，则可以认为在0<1<I峰范闱内，a为常数,并且等于该直线的斜率。若不是直线，也可以方便地由检波输岀电流的人小来确定与电场的相对关系。负载驻波比在微波波段中电磁场的能量分布于整个微波电路而形成“分布参数”，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再适用，因此微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，微波系统的测量参量是功率、波长和驻波参量，这也是和低频电路不同的。为了描述电磁波，我们引入驻波比p,定义为波导中波腹Emax和波节点电场Emin之比:P=严⑶匸min测量驻波系数的方法与仪器种类很多，用驻波测量线测驻波系数是常用的一种基本方法，根据驻波系数大小的不同，测量方法略有不同。小驻波比（l・05vp<1.5）(4)为了提高精确度，多测量几个波腹和波节的数据，然后取平均值计算：(4)中驻波比（1.5<p<6）此时，只须测一个驻波波腹和一个驻波波节：P=4⑸大驻波比（p>5）测出2个两倍最小值的距离W：以上是实验原理，下面是实验数据:按步骤计:无数据从直读式频率计读出：微波频率 f=9.101GHz说明书给出:波导宽边a=说明书给出:波导宽边a=0.02286m计算得:波长 入=0.03294m波导波长 入g=0.04750m3・由于所有测得E=0的点平均距离是波导波长对n1234第n个零点位置96.0mm119.7mm143.2mm166.0mm表2进行线性拟合之后得截距入g=0.0467m拟合系数r>0.9996测得的I-L曲线数据如下:L(mm)7580859095|（凹）14.059.766.030.50.5L(mm)100105110115120|（凹）23367.261.922.00.2L(mm)125130135140145

1(2)34.472.356.514.12.0L(mm)1501551601651701(2)45.774.049.27.2\表2作图如下:806080604020080 100 120 140 160 1804.具体计算a的值直接用matlab拟合图5设:f(x)=logl；x=L结果如图5,可见符合的相当好。拟合参数如卞:Generalmodel:f(x)=a+b*log(abs(sin(2*pi*(x-c)/d)))Coefficients(with95%confidencebounds):a=4.285(4.219,4351)b=2.02(1.943,2.097)c=119.6(119.6,119.6)d=47.94(47.8,48.08)转化为我们感兴趣的数据：a=2.02

入g=0.04794m测量驻波比匹配负载：[max57.458.058.759.0

[min53.554.054.454.9表3计算得p=a*1.037=2.095喇叭天线：1吹=65.1,Gn=48.9计算得p=x1.154=2.331开路：Imax=73.2,心口=26.0计算得p=a*1.678=3.390失配负载1：Imax/Innn过人，属于人驻波比：取心2,由于（1~2,用T•分尺测得W=3.25Onmi计算得p计算得p==4.804失配负载1：Imax/Iniin过人，属于人驻波比：取心2,由于（1~2,用T•分尺测得W=4・644mm计算得p计算得p==3.462这里的数据可能有问题。6.相速辄=Agf=0.04794*9.101GHz=4.363*108m/s群速度u=—=2.059*108m/svg无数据电压电流数据如下表：电压V0.000.751.221.912.833.694.29电流mA2106164238305332316电压V4.925.446346.907.208.008.94电流mA31631830731325322322电压V9.5510.1010.81113712.27电流mA321322321321322表4电压V12.2911.6010.7710.049.669.00832功率73.064.053.043.238.431.524.0电压V7326.875.424.173.552.101.99功率13.20.00.00.00.00.00.0表5如图:

I-V曲线图6P-V曲线距离与功率的数据如下:距离/cm12345功率68.587.644392.030.9距离/cm678910功率66.130.743.938.830.0距离/cm1520253035功率19.412.98.365.983.70表6如下图:P-L图0 10 20 30 40可见从微波到辐射场的过渡10.稍微增加天线间距，使得近场特性不明显控制输出功率不变：反射情形：材料反射功率透射功率1金属板20.0*10359.02栅栏板（竖）39.2*10347.8*1013栅栏板（横）13.7*10329.0*103表7可以看出，金属板的反射率是相当的高的，而栅栏板（竖）会阻止相应模式的微波穿过,从而反射率高于栅栏板（横）。四、结论本实验通过10个步骤，完成了在驻波测量线上对微波一些数据测量，以及得到了一些辐射场的性质。下面按步骤顺序给出分析结论：最终计算出的入g有3个值，分别是从直读式频率计上得到（47.50mm）,4个最小值点的间距（46.7mm）,以及直接拟合结果（47.79mm）,其中第2、3两个数据比较接近，说明3使用的点比较多，导致结果更准确。直接拟合得的a=2.02,与预期结呆一致。而使用入g=47.50mm的数据进行拟合时a=2.14有较人的偏差。驻波比的测量中的确出现了驻波比p负载vp开路的情况，是因为开路时的边界条件是尖锐变化的，带来更高的反射率。驻波比的测量中两个失配负载的驻波比最终结果都是中驻波比：p=4.804以及p=3.462；暂时不知道是不是千分表的数据读错了，如果W是记录数据的0.2倍,结果将是p~40。暂时相信自己的读数。相速度比光速高是可以接受的，因为相位并没有携带信息，群速度观测的是峰值的移动，是携带了信息的，所以速度低于光速在相对论预期以内。耿氏二极管的工作原理，看到了一个不太明显的下降，最