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微波基础 微波是一种波长较短的电磁波。在电磁波波谱表中，微波的波长介于无线电波与光波 之间。波长较长的分米波和无线电波的性能相近，波长较短的毫米波则与光波的性质相一 致。本实验是使用厘米波中的X 波段，其标称波长为3.2cm，中心频率为9375MHz 。 不同波长的电磁波具有不同的能量，电磁辐射的能量与波长成反比，故微波的辐射能 量要高于无线电波。它是由分子转动、电子自旋和核自旋的能级跃迁所产生。 由于微波所辐射的能量可与物质发生相互作用，在近代物理领域中已成为一种十分重 要的研究手段。使用微波直线加速 和微波频谱仪可对原子和分子结构进行研究；微波衍 射仪可用来研究晶体结构；微波波谱仪可测定物质的许多基本物理量；微波谐振腔又可用 来测量低损耗物质的介质损耗及介质常数等。 微波的波长被规定在 1mm～1M 之间，其频率范围相当于300GHz～300MHz 。如此之 高的振荡频率，势必会引起一系列新的问题。现将微波与无线电波的主要不同点简述如下： 1. 微波的产生具有其独特性： 电子管中，电子由阴极到达阳极的时间称为 “电子渡越时间”，一般是在10 9 sec 的 数量级。这对频率较低的无线电波来讲，几乎可被忽略。但对频率高于300 MHZ 的微波， 则将受到制约。若想从电子管中获得微波信号，只能借助于电子流与谐振腔相互交换能量 的方式来进行。 2. 在研究方法上两者有明显的不同： 在低频电路中，工作波长已远远超出实际电路的几何尺寸 （例如：对应于50Hz 的电磁 波其波长值为6000KM ）。电路中各点的电流和电压值可被认为是在同一时刻建立起来。 微波系统则不然，由于微波 件的线度十分接近于工作波长，电压、电流等概念将有 别于低频电路。为此，微波系统的研究方法必须从三度空间场的理论着手，把 “路”的观 点转化成 “场”的观念、把 “基尔霍夫定律”转化成 “麦克斯韦方程组”、把 “集总参数” 转化成 “分布参数”，才能认识和讨论有关问题。 3. 微波在传输特性上类似于光波： 微波与光波虽在波长值 有差异，但均远远地小于地球 一般物体的实际尺寸。尤其 对微波中的毫米波，其传输特性与光波更为接近，使用准光传输线就能同时传播微波与光 波。同样，一般的光学 件和光学特性，微波也都具备。微波的突出贡献尤其表现在空间 技术领域，使用会聚成束的微波电磁场能量，可以进行定向发射，并能顺利地穿透空间电 离 ，已被人们称为 “宇宙的窗口”。 4. 微波基本参数的测量方法与低频电路大不相同： 阻抗、波长、驻波比和功率等微波参数的测量方法有其独特之处。微波阻抗的测量是 通过检测电场强度的相对值（即：驻波比）来实现。波长的测量可经校准过的谐振腔来进 行 （即通常所称的 “吸收式波长计”）。功率的测量是利用微波的热效应，通过热电换能 器进行间接的量测。 136 综 所述，人们之所以把微波技术作为一门独立的学科去研究，不仅是出于频率增高 这一表面现象，而应当充分地理解到这种由 “量变”到“质变”的根本过程。 微波 件种类繁多，限于篇幅，仅介绍一些实验中常用到的 件，它们均适用于三公 分系统。 1. 固态微波源 （耿氏二极管振荡 )： 教学实验室常用的微波振荡 除了反射速调管振荡 外，还有耿氏 （或称体效应）二 极管振荡 ，也称之为固态源。 耿氏二极管振荡 的核心是耿氏二极管。耿氏二极管主要是基于n 型砷化镓的导带双 谷——高能谷和低能谷结构。1963 年耿氏在实验中观察到，在n 型砷化镓样品的两端加 直流电压，当电压较小时样品电流随电压增高而增大；当电压V 超过某一临界值 V 后， th 随着电压的增高电流反而减小（这种随电场的增加电流下降的现象称为负阻效应）；电压 继续增大 （VV ）则电流趋向饱和。这说明n 型砷化镓样品具有负阻特性。 b 砷化镓的负阻特性可用半导体能带理论解释。砷化镓是一种多能谷材料，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