电磁场与电磁波实验指导2011版本.doc

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1、目录实验一、GUNN振荡器........................................................................2实验二、调制器和晶体检波器.........................................................6实验三、波导的波长测量...............................................................13实验四、Q值和谐振腔带宽的测量......

2、..........................................19实验五、驻波比的测量...................................................................23实验六、阻抗测量...........................................................................26实验一、Gunn振荡器一、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G

3、unn振荡器电压、电流、功率和频率之间的关系二、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（negativeresistance）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

4、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GaAsGunn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

5、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1－2GaAsGunn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

6、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自由电子的总数依赖于GaAs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

7、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

8、释更为合适。D、Gunn振荡器图1－3是AT3000使用的Gunn振荡器图1－3AT3000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、实验过程如图1－4连接实验设备电源mAV耿氏振荡器可变衰减器同轴/波导功率计转换器图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。(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