1 目 录 实验一、GUNN 振荡器 .1 实验二、调制器和晶体检波器6 实验三、波导内的波长测量.12 实验四、Q 值和谐振腔带宽的测量 .18 实验五、驻波比的测量.22 实验六、阻抗测量.25 2 实验一、实验一、Gunn 振荡器振荡器 一、一、 实验目的实验目的 1、掌握微波信号源Gunn振荡器的理论和操作方法 2、掌握Gunn振荡器电压、电流、功率和频率之间的关系 二、二、 实验设备实验设备 AT3000三厘米波导实训系统、数字万用表、功率计、示波器、SWR表 三、三、 实验原理实验原理 A、Gunn 效应 Gunn 效应也称电子迁移效应，是 1963 年 Gunn 发现的，如图 1－1，当 小的直流电压加到硅材料薄片上时 [Gunn 在他的实验方法里使用的是 GaAs(砷化镓）和 InP（磷化铟）] ，在一定的条件下呈现出负阻 （negative resistance）特性一旦产生负阻，就能够很容易地通过连接 负阻到调谐电路产生振荡 保持半导体材料的负阻状态的条件是：保持加在半导体上的电压梯度超 过 3000V/cm半导体微波源的最适当的调谐电路就是谐振腔 图 1－1 外延 GaAs Gunn 半导体侧视图 Gunn 效应只发生在 n 型半导体材料上，这是半导体自身特性的结果。
研究发现有关结或连接点的特性的任何参数和电压、电流都不影响 Gunn 效 应，只有电场是需要高于阈值的，才能保持振荡Gunn 二极管对磁场不敏 感，因此，它对任何入射磁场都不响应振荡器的频率主要取决于电子束穿 过材料薄片的时间 B、负阻和转移电子效应 3 图 1－2 是 GaAs 的能带和能级注意到这种材料（GaAs）在能级的顶部 具有空能带，部分满的能带在空能带下面，当 N 型材料参杂入这种材料并有 电压加在二极管上时，将有剩余电子产生流动 图 1－2 GaAs Gunn 二极管的能级 流过二极管的电流与电压成正比，电流方向朝着 GaAs 的正极电压越 高、电流越大的情形等效于正电阻然而，当电压达到足够高时，电子不 会再流动的更快些，而是迁移到更高的能带此能带空穴多，迁移率低， 结果电流减少了，二极管就表现出负阻现象 电子从低能级迁移到高能级叫做转移电子效应如果电压继续增加，高 能带的电子迁移率就会增加，进而导致电流增加 C、Gunn 畴 GaAs 振荡器的频率与电子束的形成和转移时间有关负阻效应是理解 Gunn 振荡器的重要因素然而，仅有负阻效应并不能完全解释振荡器内发 生的所有过程，另一个重要的因素就是畴(domains)的形成，或 Gunn 畴。
GaAs 内自由电子的总数依赖于 GaAs 内参杂的 N-型材料的密度因为其参 杂密度不是必须一致的，所以参杂密度低的地方自由电子就少一些 由于自由电子少一些意味着导电率也就低一些，因此，这样的区域电势 （potential）差比自由电子多的区域大，当施加的电压增加时，足够的电 压梯度导致负阻畴，所以电子迁移效应就先发生在这个区域上述的畴是 不稳定的畴里的电子由于快速迁移而被分离，前面的电子向前移动的速 度快，后面的聚成（电子束） ，这样，整个畴以 107cm/S 的速度穿过硅片到 达正极 当畴里发生电子迁移效应时，电子移动到低导电高能带，少量电子留在 4 导带，此时降低了此区域的导电率如前面章节的解释，这导致电势梯度 增加,使畴可以移动因此，电子的传输和畴的移动过程自己重复着，这就 是所谓的“自我塑造/再生” 当畴到达二极管的阴极，将产生一个脉冲到与之相连的谐振腔电路，形 成振荡实际上，Gunn 二极管的振荡是由到达负极的脉冲导致的，比用二 极管的负阻特性来解释更为合适 D、Gunn 振荡器 图 1－3 是 AT3000 使用的 Gunn 振荡器 图 1－3 AT3000 中的 Gunn 振荡器 尽管振荡器设计的可以避免副振荡模式振荡，振荡器还是提供了调谐 功 能以备有必要细调时使用。
四、四、实验过程实验过程 如图 1－4 连接实验设备 电 源 耿氏振荡器可变衰减器同轴/波导 转换器 功率计 V mA 图 1－4 建立 Gunn 二极管的电流和电压的特性测试 A、电流与电压关系的特性 5 (1) 将电压调到 4V，将可调衰减器调到 10dB，这样可以保证隔离 Gunn 振荡器 (2) 每次将电压调高 0.5V（注意：不可以超过 10V） ，测量并将每次 的电流记录为：二极管电流与电压关系的特性表 (3) 将电压减到 0V，根据表 1－1 绘制一个 V-I 曲线 B、振荡器输出功率与输入电压关系的测量 (1) 打开功率表的电源，并校零 (2) 每次将电压调高 0.5V（注：不可以超过 10V） ，并记录每次功率表 的功率读数和衰减值 (3) 将读到的功率值从 mW 转换为 dBm，然后加上衰减值（dB）到 dBm. 例如：假设功率读数是 6.3mW，电源电压是 8.5V，用 dBm＝10log6.3=8dBm 加上 3dB 的衰减，那么总功率应该是 11dBm 现在转换 Gunn 二极管的输出功率 11dBm 到 mW： (4) 重复(3)，并完成表：电源电压和与输出功率的关系表。
(5) 画图表示出电源电压与输出功率之间的关系 C、振荡器输出频率与电源电压关系的测量 (1) 如图 1－7，架设设备将电源电压调至 9V，将衰减器调到最大衰 减，将功率表拨到 1.0 量程，减少衰减直到功率表的读数接近刻 度的右侧(大约 0.8 到 1mW)慢慢地调整频率表，观察功率表，当 功率表的读数有大幅下降时，频率表的读数就是 Gunn 振荡器的频 率 (2) 将电源电压从能够发生振荡的最低电压调到最高电压（10V） ，每 次增加 1V，完成频率与电压的关系表注意频率表的每个刻度是 10MHz 6 电 源 耿氏振荡器可变衰减 器 频率计同轴/波 导 转换器 功率计 V mA 图 1－7 连接振荡输出频率与电源电压关系的测量 实验二、实验二、调制器和晶体检波器调制器和晶体检波器 一、一、实验目的实验目的 1、掌握 PIN 二极管调制器的基本原理及操作 2、掌握晶体检波器的基本理论及操作 二、二、实验设备实验设备 AT3000三厘米波导实训系统、数字万用表、功率计、示波器、SWR表 三、三、实验原理实验原理 A、PIN 二极管 如图 2－1(a)，PIN 二极管由 P 材料、N 材料以及两者夹心的一个薄 绝缘体(Insulator)构成，因此叫做 PIN 二极管。
P 和 N 的厚度比绝缘体 的厚度更重要在反向偏压和微波频率下 PIN 二极管是高阻和电容元件 它是一个雪崩效应元件，在正向偏压条件下，绝缘体里发生雪崩效应， 允许 P 的空穴和 N 的电子流通，因此，绝缘体成为有效导体图 2－1(b) 表示 PIN 二极管的等效电路图 2－1(c) 和 (d) 是等效电路被修改为 偏压后的结果 7 (a) 构造 (b) 等效电路 (c) 反偏等效电路 (d) 正偏等效电路 图 2－1 PIN 二极管的结构和等效电路 PIN 二极管调制器有一个与波导交叉连接的二极管，当偏压按足够大 的方波（低频）变化，并且波导内有微波时，二极管具有调制器功能 当二极管被反向偏置时，不影响能量流通，当其被完全或部分地去除反 向偏置时，可以使二极管控制能量流 这种使用绝缘体在 P 和 N 之间的调制器具有优良的调制性能，因为它 在调制过程中可以使整流和谐波产生的影响最小 B、晶体检波器 晶体检波器是一种可以按“平方律”特性检测微波信号的元件，点接 触锗或硅晶体的二极管是最常见的晶体检波器有时，辐射热测量仪也 用于微波检测，此器件主要是用来测量微波功率的。
典型的晶体检波器 如图 2－2 和图 2－3(a)和(b)在图 2－2 里两个滤波器(输入高通和输 出低通)是用来分离微波和直流输出的 8 图 2－2 典型晶体检波器电路 图 2－3 晶体检波器的 V-I 特性 在图 2－3 中，我们来关注二极管的电流和电压的关系一般来说， 图 2－3 中的一条曲线可以近似地用电压的幂的泰勒级数来表示 …(2-1) 通常，前三项已经足够近似于整个方程如果电压表示为 V=Acosωt 这里 A 是振幅，ω 等于 2πf 将 V 代入式 2－1,得出 i=a0+a1(Acosωt)+a2(Acosωt)2+… … (2-2) 用 9 得出 a2 A2 i= a0+a1(Acosωt)+ 2 (1+cos2ωt)+…. …(2-4) 现在，平方律的特性已经明显了，在等式 2－4 里，项已经包含 直流分量 ，二次谐波表达为因此我们可以说，检波器的电 流正比于微波电压的振幅 A 的平方这个概念只在一定的信号电平内有 效；在信号电平更高时，式 2－4 中更多的项需要考虑，二极管不再被当 作平方律器件了 除图 2－2 的检波电路之外，二极管本身可以表达为等效电路的项。
图 2－4 表示一个完整的等效电路 图 2－4 检波器的等效电路 图 2－4 中，Ro 和 C 代表结的阻抗，r 是二极管的体电阻检波器的 品质因数是检波公式的电压和电流的灵敏度，表达为： 1 cos2ωt= 2 (1+cos2ωt) … (2-3) 开路电压 RoIdc 电压灵敏度 = 输入功率 = Pin … (2-5) 短路电流 Ro/(r+ Ro) 电流灵敏度 = 输入功率 = Pin …(2-6) 10 为了使输出功率最大化，必须匹配二极管的微波阻抗和波导的特征阻 抗匹配阻抗的另一个好处是使来自检波器的反射最小化，因为反射影 响测量的准确度 二极管能够检测到的最小信号电平取决于二极管的噪声二极管在存 在噪声时检测信号的能力叫做检波器的正切灵敏度(TSS)图 2－5 中简 要画出了 TSS 的概念 图 2－5 二极管的 TSS 在图 2－5 中，方波调制的微波信号被检波、放大并显示在示波器上 TSS 的真正意思是必须使方波的最小微波功率高于噪声检波器的 TSS 主要依靠检波器前的放大器的带宽，因为指定范围内的噪声幅度决定于 带宽微波检波器的典型参数是 1MHz 带宽和-50dBm 的 TSS. 四、四、 实验过程实验过程 电 源 耿氏振荡器PIN 调制器可变衰减器检波器 方波发生器示波器 图 2－6 方波调制的测试连接图 (1)如图 2－6 连接实验设备。
(2)给 Gunn 振荡器加+12V 电源 (3)调节衰减器到 10dB (4)调整方波发生器到 1kHz 和 2Vp-p 输出，连接到 PIN 调制器 (5)调节示波器，使屏幕上的方波的顶部对齐参考电平线 11 (6)调整衰减器使屏幕上的方波的底部对齐参考电平线 (7)调到 1Vp-p 负方波，重复以上的测量 (8)用以下公式计算 2Vp-p 和 1Vp-p 的两个调制输入的调制深度 Vmax AdB=20log( Vmin )… (2-7) A 是 (3) 和 (6) 之间的衰减设置的差值 Vmax/ Vmin-1 m= Vmax/ Vmin+1 …(2-8) 这里，m 是调制深度 如图 2－7 表示方波调制和检波的波形 图 2－7 方波调制和检波 从图 2－7 中可以看出，衰减设置差值 A 可以表示为： PmaxVmax AdB=10 log Pmin =20 log Vmin …(2-9) 12 13 实验三、实验三、波导内的波长波导内的波长测量测量 一、实验目的一、实验目的 1、学习波导理论 2、通过实验学习自由空间与波导内的微波传播的波长 二、实验设备二、实验设备 AT3000三厘米波导实训系统、数字万用表、功率计、示波器、SWR表 三、实验原理三、实验原理 微波波导是矩形或圆形截面的空金属管。
在本实验里使用的是矩形波导 下面的数学分析是以矩形波导分析的假设用户具有波动方程的基本知识,那么 原形波导可以用圆柱坐。