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微波传输特性的基础知识.
微波传输特性的基础知识
“微波”通常是指波长在—的电磁波,对应的频率范围为:—,它介于无线电波和红外线之间,又可分为分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波。
微波与低频电磁波一样,具有电磁波的一切特性,但由于微波的波长较短、频率高因此又具有许多独特的性质,主要表现在:
描述方法:由于电磁波的波长极短,与使用的元件和设备的尺寸可以相比拟,在低频段由于能量集中其传播性质用“路”的概念来描述,使用的元件称为集中参数元件(电阻、电容、电感等);而微波的传播应利用“场”的概念来处理,使用的元件为分布参数元件(波导管、谐振腔等)。因此低频电路的电流、电压、电阻等不再适用,而是采用等效方法处理;微波测量则以功率、波长、阻抗取代了电流、电压、电阻等。
2 、产生方法:微波的周期在—与电子管内电子的渡越时间(约为)相近,因此微波的产生和放大不能再使用普通的电子器件,取而代之的是结构和原理完全不同的微电子元件——速调管、磁控管、行波管及微波固态器件。
光似性:由于微波介于无线电波和红外线之间,因此不仅具有无线电波的性质同时具有光波的性质:以光速直线传播、反射、折射、干涉、衍射等。
能量强:由于微波的频率高,故可用频带宽、信息容量大,且能穿透大气层因此可广泛用于卫星通讯、卫星广播电视、宇宙通讯和射天天文学的研究。
由于微波的这些特性,使微波在通信、雷达、导航、遥感、天文、气象、工业、农业、医疗、以及医学等方面得到广泛应用。
一、 微波元件简介
固态振荡器(固态信号源)
微波振荡器(信号源)是产生微波信号的装置,常见的有磁控管振荡器、速调管振荡器和固态振荡器几种。磁控管振荡器功率大体积大,常用来提供大功率信号;速调管振荡器结构简单、使用方便,但效率低一般只有0.5%—2.5%,输出功率小一般在,因此比较适合实验室使用。固态振荡器则是一种较新型的信号源,可分为微波晶体管振荡器、体效应管振荡器、雪崩二极管振荡器等。固态振荡器振荡频率高最高振荡频率可达几百千兆;输出功率最大可达几十瓦以上,脉冲功率可达几千瓦;支流功率转换为微波功率较高,最高可达50%以上。这里主要介绍实验室常用的由体效应二极管振荡器。
1963年美国国际商业机器公司发现的,砷化镓和磷化铟等材料的薄层具有负阻特性,因而无需P-N接即可产生微波振荡,它的工作原理与通常由P-N节组成的半导体器件不同,它不是利用载流子在P—N内运动特性,而是利用载流子在半导体内的体内体内运动特性,是靠砷化镓材料“体”内的一种物理效应(负阻效应)所以称为体效二极管或耿氏管(Gun管)。
体效应二极管由截止式衰减器以及用来调制微波脉冲幅度的PIN调制器组成。实验室常用的3cm固态信号源的频率调节范围大约
8.6一9.6GHz。
体效应振荡器是微波信号源的核心元件, I (A)
它是利用具有负阻特性的半导体材料砷化镓
制成的,由于砷化镓具有双能级结构,上、
下两个能级差为0.36Mev;处于不同能级的
电子具有不同的有效质量和不同的迁移率,
其中上能级有效质量大迁移率小。当下导带
电子的能量增加到0.36Mev时,下导带的电
子就会被激发到上导带上去,使它在某一区
域内呈现负阻特性,即出现起伏安特性曲线 图(1) U(V)
如图(1)所示:由此可知体效应管内能够产生一个震荡电流,使砷化镓的厚度足够地小,体效应管可以产生类似脉冲尖峰的振荡波形,振荡频率很高,即产生微波信号。
典型的耿氏二极管如图所示:由铜
螺纹(接到直流电源的负极上)、铜底座
(外加散热器)、陶瓷圆环(绝缘作用)、
金丝引线、砷化镓片子、顶帽(正极)组
成,若将耿氏二极管安装在谐振腔的适当
位置上,只要在它的两端加上直流电压,就可以在谐振腔内产生微波振荡,构成微波负阻振荡器。
耿氏二极管的主要性能参数为:工作频率10GHz左右,工作电压10V,工作电流0.2—0.6A,输出功率0.03——0.1W,最大耐压能力14V。
隔离器
是一种不可逆的衰减器,正向衰减较小,约0.1dB,反向衰减很大,可达几十dB,因此只允许微波单方向通过,对反方向传播微波呈电阻吸收。隔离器常用于振荡器与负载之间,起到隔离和单向传输作用。隔离器一般由铁氧体材料制成,铁氧体是一种磁性材料,由二价的金属锰、镁、镍]铜、等氧化物和氧化铁烧制而成,它既具有磁性材料的导磁性,又具有较高的电阻率,一般可达,由于其电阻率很高,电磁场能够渗入内部起作用而损耗很小因此得到广泛应用。
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