实验21微波波导管内电磁场分布测量.doc

实验2.1 微波波导管内的电磁场分布测量实验 §2.1.1实验目的 通过测量微波波导管内的电磁场分布，了解微波的产生、传播等基本特性，掌握微波测量的基本方法和技术。 §2.1.2实验原理与方法 微波与体效应微波振荡器 1、微波 按照国际电工委员会（IEC）的定义，微波（Microwaves）是“波长足够短，以致在发射和接收中能实际应用波导和谐振腔技术的电磁波”。实际应用中，微波通常指频率在300GHz到300MHz、波长范围1毫米到1米的电磁波，可分为分米波、厘米波、毫米波三个波段。 自上世纪40年代以来，微波科学技术表现出巨大的应用价值。例如， ? 雷达的诞生与成熟（1939一1945年）； ? 微波波谱学与量子电子学的巨大进步（1944年－至今）； ? 射电天文学大发展（1946—1971年）； ? 微波能量利用及微波医学（1947年－至今）； ? 卫星通信及卫星广播的建立与普及（1964年－至今）； ? 遥感、气象监测等； ? 高功率微波武器。1984年美国国防部制定定向能发展计划（定向能包括高能激光、粒子束和高功率微波（HPM）三个方面）。 “微波武器” 将在反卫星、反精确制导武器等方面发挥重要作用。 2、体效应微波振荡器 目前，常用的产生微波振荡器的有两大类，电真空器件与固体器件。其中，电真空器件主要包括微波电真空三极管、反射速调管、磁控管和返波管等；固体器件有晶体三极管、体效应二极管（也称耿氏二极管，由于体效应管中微波电流振荡现象是耿式（J.B Gunn）于1963年首先发现的）和雪崩二极管。由于固体器件具有体积小、重量轻、耗电省及便于集成等优点，近几十年来发展迅速，尤其在中小功率范围内它已经取代电真空器件。固体器件中，采用体效应振荡器制成的微波信号源具有噪声低、工作电压低和便于调谐的优点，目前在实验室中广泛采用该类微波信号源。 1）负阻效应 体效应管的工作原理是基于N型砷化镓(GaAs)的导电能谷——高能谷和低能谷结构，如图2.1-1所示，高低能谷间的能量差0.36eV。处于这两类能谷中的电子具有不同的有效质量和不同的迁移率。在常温下低电场时，大部分导电的电子处在电子迁移率高而有效质量较低的低能谷中，当随外加电场增大，许多电子被激发跃迁到高能谷中，在那里电子迁移率低而有效质量较大。因此，低电场时，导电率高，而在高电场时导电率低。这种效应的结果使电子迁移率急剧下降。这种随电场的增加而导致电流下降的现象称为负阻效应，如图2.1-2所示。 图2.1-1N型GaAs的能带结构 图2.1-2 N型GaAs电子平均速度与外场关系 2）体效应管的工作原理 在N型砷化镓半导体材料上施加直流偏压V0后，电流随电压线性增长，但EEth时(Eth，为负阻效应起始电场)，由于负阻特性，形成所谓“负电阻效应”。“负电阻效应”形成的原因在于半导体内的载流子(例如电子)速度呈“负迁移率”特性，速度随电场的变化见图2.1-2，即当电场的强度增加到某个数值以后，速度不是随电场增加而是减小。但是，电压在体效应管上的分布并非均匀，在电压的负极端，因半导体与金属电极有接触电阻，加上电子、之间的排斥作用，使该端的等效电阻较大，因此，在电压的负极端首先出现“负电阻效应”。这里的电子速度下降，而前面的电子速度较快，这些电子将把速度慢的电子抛在后面，结果在快电子和慢电子之间出现了电荷的不平衡，该区域呈现正电性，见图2.1-3。正电荷和后面赶上来的电子之间形成一个偶极层(偶极畴)，该区域内的电场方向与外加电场方向一致，使电子的速度更慢，所以，偶极畴在向正极移动的同时将不断扩大。但是，由于所加的总电压是一定的，当偶极畴上分担的电压较多时，没有进入“负电阻效应”的区域上的电压将下降，电场减弱，电子速度减小，当该速度等于后面赶上来的电子的速度时，偶极畴不再扩大，以匀速向正极渡越，当到达正极时，偶极畴很快地消失，同时，在负极又形成新的偶极畴，重复上述的过程。我们看到，当负极刚开始进入“负电阻效应”时，体效应管内的电场最强，此时电流最大；在偶极畴以匀速运动时，区外的电场已经减弱，此时的电流由区外的电场决定，该电流显然是下降了。因此，通过体效应管的电流将如图2.1-4所示，呈现周期性振荡，其振荡频率与材料的尺寸(电压正负极间的距离)有关，如果尺寸合适，振荡频率将在微波范围。 图2.1-3 偶极区的出现和运动 图2.1-4 体效应管的脉动电流 通过砷化镓的电流是一连串很狭窄的尖峰波，其周期等于偶极畴的渡越时间。 (2.1.1) 式中，为体效应管工作频率（亦称固有频率），为晶体的厚度，为电子漂移速度。 体效应管的振荡频率与高场畴的渡越时间有关。