晶体检波器工作原理
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
其中 为谐振腔谐振频率，式中 为复介电常量， 为真空介电常量， = 为介质材料的复相对介电常量， 和 分别为 的实部和虚部。V0，Vs分别为谐振腔体积和样品体积， 为样品放入前后谐振腔有载品质因数的倒数。
实验装置
微波传输系统包括：固态信号源、隔离器、可变衰减器、波长表、选频放大器、测量线、 功率计、检波器、调配器等。
微波晶体二极管检波器
晶体检波器应放在传输系统中高频电场最请的位置，同时要达到匹配状态，在传输系统中安放晶体二极管的装置为晶体检波座，分为波导晶体座和同轴晶体座两种，其结构如图所示：
波导晶体座同轴晶体座
晶体检波座
晶体二极管的伏—安特性是非线性的，其输出功率与微波电场之间的关系为：
为检波律，在信号的功率较小时， 即平方率检波，即晶体管的输出电流与微波功率成正比，当功率较大，则偏离平方律。晶体管的检波特性如图所示：
假定 处出现极小点则有： = 由此可得 即
其中 为从负载算起到最小极值点的距离，
3、谐振腔的微扰
低频信号采用集中参数的电感 和电容 来构成 振荡回路产生，在微波段由于频率过高趋肤效应增强造成大量的热损耗，引起谐振回路品质因数 的下降，影响谐振回路的质量。同时要求电感 和电容 的取值大大减小，结果是一方面使储能空间的减小、进一步谐振回路的品质因数和功率容量，同时由于电感 和电容 的值过小使得结构工艺上难以实现。为此在微波技术中采用谐振腔，可分为波导型腔（矩形、柱型）、同轴型腔、微带腔和介质腔。谐振腔是微波振荡器和微波放大器的主要组成部分。
谐谐振腔具有储能、选频等特性。矩形谐振腔是一种比较简单和常用的谐振腔，可以看作由一段标准的波导管两端加金属导体板封闭而成。设矩形谐振腔的宽为a，高为b，长为 （如图）。电磁波沿z方向进入空腔后，在空腔内来回地反射，调节反射面的位置即长度 可以改变谐振腔固有频率发生变化或改变入射波的频率，当两频率相等时，电磁波在谐振腔产生驻波从而产生谐振。此时的频率称为谐振频率记作 。
测量内容
1、晶体检波器的定标
1）按下列方框图安装测量系统，在测量线的末端接上短路板。
2）利用等斜点法测量驻波波长
3）从某个波节 开始在相邻两个波节之间选取大约10个点： 、 、 、 的值，将测量线的探针逐次移到这些点，读出指示器相应各点的示数 、 、 ，同时算出各点距节点的距离： 、
4）利用 计算相应各点的 及 ，分别以
实验十八 微波测量二
实验目的
1、深理解谐振腔结构变化对谐振频率的影响—谐振腔的微扰
2、测量样品的电容率
3、学会晶体检波器的定标方法
4、学会测量微波阻抗的方法
实验原理
微波技术是一门近代尖端科学技术，也是一种重要的科研手段。雷达、微波中断通讯和卫星通讯已为大家所熟知。例如，利用微波与物质的相互作用所产生的物理现象，发展了微波核磁共振技术，可研究原子、分子超精细能级及测定与此有关的物理量。又如，作为时间基准的原子钟，有着比天文钟高得多的准确度和稳定性。在射电天文学、等离子体参量测量、遥测遥感技术、约瑟夫森效应等方面都要用到微波。此外，微波作为加热用能源，在工业、农业、医疗、食品烹调有着越来越广泛的运用并已进入我们日常生活中。利用微波测量技术既可以测量元件的特性又可以测量物质特性，而微波测量技术中核心元件为晶体检波器，
晶体检波特性
从图可以看出当微波功率达到 时检波曲线开始偏离平方律，即检波器的输出电流或电压与功率偏离线性关系。由实验可知晶体二极管个检波特性差异很大，不同的二极管检波特性不同，同一二极管的检波特性也不很稳定。因此晶体二极管只能指示相对功率，不能测量绝对功率。一般晶体二极管的输出功率在 至 之间开始偏离平方律，因此工作在 以下时可认为平方律。若功率超过 时，必须用实验的方法测定其检波律 。
此时满足
可见谐振腔的谐振频率取决于谐振腔的结构。
品质因数 是描述谐振回路的重要参数，
定义为：
品质因数也与谐振频率的关系为： 测定。
其中 为谐振腔谐振频率， 、 分别为半功率点频率
当谐振腔的结构发生变化时谐振腔的固有频率会发生变化，若在谐振腔中放入不同材料的小物体，由于材料的电容率不同使得谐振频率和品质因数都将发生变化，此时可以利用电磁场的微扰理论处理，起来自百度文库果为：式
为此应掌握其检测原理和方法。
1、晶体检波器的检波率
在很多情况下只需测量微波功率的相对值大小时可用晶体二极管检波器来测量和指示微波功率，与利用功率计测量比较设备可大为简化。
由于节型二极管的工作频率教低，因此在微波段常采用点接触式多晶硅二极管，其工作原理与普通二极管完全一样，常见的有三种，如图所示：
（1） （2） （3）
为横坐标，以 为纵坐标作图。此曲线为检波器的定标曲线。
5）求出各点的 及 分别作为横坐标和纵坐标作图，利用此图求出
检波器的检波率 。
2、测量负载的阻抗
1）按上述方框图安装测量系统，确定参考点A（极小值的位置）。
其方法为：在测量线的末端接上短路板，由于反射形成驻波，此时短路板所在的位置恰好为波节的位置，移动测量线探针的位置在靠近终端出找到驻波一个
对于 其电磁场量和功率满足以下公式
波的等效电压为
可得
波等效阻抗为
其中 表示电磁波在无限大均匀介质中的阻抗，电磁波若在真空传播时
由归一化阻抗与反射系数的关系：
可见只要求出某点的相位 则可以求出阻抗，其中 终端负载处反射波与入射波的相位差。由此可见求出 成为关键，实验中可以采用确定驻波的极小点的位置求 。
当忽略测量线的损耗和探针的影响时，测量线中由于全反射形成的驻波的电场分布为：
式中的 为探针与节点的距离； 为波腹处的电场强度； 为波导波长。
由 可知只要测出 和某处 处的的电流 ，就可测出该处的相对场强 ，由此则可以测出检波律，这就是晶体检波器校准的依据。
而晶体检波律的数值可以利用 和 可得：
对等式的两端取对数可得:
所以检波率
2、负载的阻抗
在低频网络中传播的是横电磁波（ ）其传播特性可以用电压 、电流 、阻抗 等来描述，而高频微波信号利用波导管来传播，在波导管中传播是横电波（ ）或横磁波（ ），而且可以同时传播多个波模，在波导管中电压U、电流I、阻抗Z已经失去意义，也不能进行测量，为了利用低频网络理论解决微波问题引入“等效电压”、“等效电流”、“等效阻抗”。
实验装置
微波传输系统包括：固态信号源、隔离器、可变衰减器、波长表、选频放大器、测量线、 功率计、检波器、调配器等。
微波晶体二极管检波器
晶体检波器应放在传输系统中高频电场最请的位置，同时要达到匹配状态，在传输系统中安放晶体二极管的装置为晶体检波座，分为波导晶体座和同轴晶体座两种，其结构如图所示：
波导晶体座同轴晶体座
晶体检波座
晶体二极管的伏—安特性是非线性的，其输出功率与微波电场之间的关系为：
为检波律，在信号的功率较小时， 即平方率检波，即晶体管的输出电流与微波功率成正比，当功率较大，则偏离平方律。晶体管的检波特性如图所示：
假定 处出现极小点则有： = 由此可得 即
其中 为从负载算起到最小极值点的距离，
3、谐振腔的微扰
低频信号采用集中参数的电感 和电容 来构成 振荡回路产生，在微波段由于频率过高趋肤效应增强造成大量的热损耗，引起谐振回路品质因数 的下降，影响谐振回路的质量。同时要求电感 和电容 的取值大大减小，结果是一方面使储能空间的减小、进一步谐振回路的品质因数和功率容量，同时由于电感 和电容 的值过小使得结构工艺上难以实现。为此在微波技术中采用谐振腔，可分为波导型腔（矩形、柱型）、同轴型腔、微带腔和介质腔。谐振腔是微波振荡器和微波放大器的主要组成部分。
谐谐振腔具有储能、选频等特性。矩形谐振腔是一种比较简单和常用的谐振腔，可以看作由一段标准的波导管两端加金属导体板封闭而成。设矩形谐振腔的宽为a，高为b，长为 （如图）。电磁波沿z方向进入空腔后，在空腔内来回地反射，调节反射面的位置即长度 可以改变谐振腔固有频率发生变化或改变入射波的频率，当两频率相等时，电磁波在谐振腔产生驻波从而产生谐振。此时的频率称为谐振频率记作 。
测量内容
1、晶体检波器的定标
1）按下列方框图安装测量系统，在测量线的末端接上短路板。
2）利用等斜点法测量驻波波长
3）从某个波节 开始在相邻两个波节之间选取大约10个点： 、 、 、 的值，将测量线的探针逐次移到这些点，读出指示器相应各点的示数 、 、 ，同时算出各点距节点的距离： 、
4）利用 计算相应各点的 及 ，分别以
实验十八 微波测量二
实验目的
1、深理解谐振腔结构变化对谐振频率的影响—谐振腔的微扰
2、测量样品的电容率
3、学会晶体检波器的定标方法
4、学会测量微波阻抗的方法
实验原理
微波技术是一门近代尖端科学技术，也是一种重要的科研手段。雷达、微波中断通讯和卫星通讯已为大家所熟知。例如，利用微波与物质的相互作用所产生的物理现象，发展了微波核磁共振技术，可研究原子、分子超精细能级及测定与此有关的物理量。又如，作为时间基准的原子钟，有着比天文钟高得多的准确度和稳定性。在射电天文学、等离子体参量测量、遥测遥感技术、约瑟夫森效应等方面都要用到微波。此外，微波作为加热用能源，在工业、农业、医疗、食品烹调有着越来越广泛的运用并已进入我们日常生活中。利用微波测量技术既可以测量元件的特性又可以测量物质特性，而微波测量技术中核心元件为晶体检波器，
晶体检波特性
从图可以看出当微波功率达到 时检波曲线开始偏离平方律，即检波器的输出电流或电压与功率偏离线性关系。由实验可知晶体二极管个检波特性差异很大，不同的二极管检波特性不同，同一二极管的检波特性也不很稳定。因此晶体二极管只能指示相对功率，不能测量绝对功率。一般晶体二极管的输出功率在 至 之间开始偏离平方律，因此工作在 以下时可认为平方律。若功率超过 时，必须用实验的方法测定其检波律 。
此时满足
可见谐振腔的谐振频率取决于谐振腔的结构。
品质因数 是描述谐振回路的重要参数，
定义为：
品质因数也与谐振频率的关系为： 测定。
其中 为谐振腔谐振频率， 、 分别为半功率点频率
当谐振腔的结构发生变化时谐振腔的固有频率会发生变化，若在谐振腔中放入不同材料的小物体，由于材料的电容率不同使得谐振频率和品质因数都将发生变化，此时可以利用电磁场的微扰理论处理，起来自百度文库果为：式
为此应掌握其检测原理和方法。
1、晶体检波器的检波率
在很多情况下只需测量微波功率的相对值大小时可用晶体二极管检波器来测量和指示微波功率，与利用功率计测量比较设备可大为简化。
由于节型二极管的工作频率教低，因此在微波段常采用点接触式多晶硅二极管，其工作原理与普通二极管完全一样，常见的有三种，如图所示：
（1） （2） （3）
为横坐标，以 为纵坐标作图。此曲线为检波器的定标曲线。
5）求出各点的 及 分别作为横坐标和纵坐标作图，利用此图求出
检波器的检波率 。
2、测量负载的阻抗
1）按上述方框图安装测量系统，确定参考点A（极小值的位置）。
其方法为：在测量线的末端接上短路板，由于反射形成驻波，此时短路板所在的位置恰好为波节的位置，移动测量线探针的位置在靠近终端出找到驻波一个
对于 其电磁场量和功率满足以下公式
波的等效电压为
可得
波等效阻抗为
其中 表示电磁波在无限大均匀介质中的阻抗，电磁波若在真空传播时
由归一化阻抗与反射系数的关系：
可见只要求出某点的相位 则可以求出阻抗，其中 终端负载处反射波与入射波的相位差。由此可见求出 成为关键，实验中可以采用确定驻波的极小点的位置求 。
当忽略测量线的损耗和探针的影响时，测量线中由于全反射形成的驻波的电场分布为：
式中的 为探针与节点的距离； 为波腹处的电场强度； 为波导波长。
由 可知只要测出 和某处 处的的电流 ，就可测出该处的相对场强 ，由此则可以测出检波律，这就是晶体检波器校准的依据。
而晶体检波律的数值可以利用 和 可得：
对等式的两端取对数可得:
所以检波率
2、负载的阻抗
在低频网络中传播的是横电磁波（ ）其传播特性可以用电压 、电流 、阻抗 等来描述，而高频微波信号利用波导管来传播，在波导管中传播是横电波（ ）或横磁波（ ），而且可以同时传播多个波模，在波导管中电压U、电流I、阻抗Z已经失去意义，也不能进行测量，为了利用低频网络理论解决微波问题引入“等效电压”、“等效电流”、“等效阻抗”。