电磁场与电磁波实验指导2011版本

目 录
实验一、GUNN振荡器 .................................. 1
实验二、调制器和晶体检波器 ........................... 6
实验三、波导的波长测量 .............................. 12
实验四、Q值和谐振腔带宽的测量 ...................... 18
实验五、驻波比的测量 ................................ 22
实验六、阻抗测量 .................................... 25
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Gunn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（negative
resistance）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GaAs Gunn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1－2 GaAs Gunn 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
管的负阻特性来解释更为合适。
D、Gunn振荡器
图1－3是AT3000使用的Gunn振荡器

图1－3 AT3000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

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。

电 源
耿氏振荡器 可变衰减器 同轴/波导转换器 功率计
V
mA
(2) 每次将电压调高0.5V（注意：不可以超过10V），测量并将每次的
电流记录为：
二极管电流与电压关系的特性表。

(3) 将电压减到0V，根据表1－1绘制一个V-I曲线。
B、振荡器输出功率与输入电压关系的测量。
(1) 打开功率表的电源，并校零。
(2) 每次将电压调高0.5V（注：不可以超过10V），并记录每次功率表
的功率读数和衰减值。
(3) 将读到的功率值从mW转换为dBm，然后加上衰减值（dB）到dBm.
例如：假设功率读数是6.3mW，电源电压是8.5V，用dBm＝
10log6.3=8dBm 加上3dB的衰减，那么总功率应该是11dBm。
现在转换Gunn二极管的输出功率11dBm到mW：

(4) 重复(3)，并完成表：
电源电压和与输出功率的关系表。

(5) 画图表示出电源电压与输出功率之间的关系。
C、振荡器输出频率与电源电压关系的测量。
(1) 如图1－7，架设设备。将电源电压调至9V，将衰减器调到最大衰
减，将功率表拨到1.0量程，减少衰减直到功率表的读数接近刻度
的右侧(大约0.8到1mW)。慢慢地调整频率表，观察功率表，当功
率表的读数有大幅下降时，频率表的读数就是Gunn 振荡器的频率。
(2) 将电源电压从能够发生振荡的最低电压调到最高电压（10V），每次
增加1V，完成频率与电压的关系表。注意频率表的每个刻度是
10MHz。

图1－7 连接振荡输出频率与电源电压关系的测量
电 源

耿氏振荡器 可变衰减器 频率计 同轴/波导 功率计
V
m
实验二、调制器和晶体检波器
一、 实验目的
1、掌握PIN 二极管调制器的基本原理及操作。
2、掌握晶体检波器的基本理论及操作。
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、PIN二极管
如图2－1(a)，PIN二极管由P材料、N材料以及两者夹心的一个薄绝
缘体(Insulator)构成，因此叫做PIN二极管。P和N的厚度比绝缘体的
厚度更重要。在反向偏压和微波频率下PIN二极管是高阻和电容元件。它
是一个雪崩效应元件，在正向偏压条件下，绝缘体里发生雪崩效应，允许
P的空穴和N的电子流通，因此，绝缘体成为有效导体。图2－1(b) 表示
PIN二极管的等效电路。图2－1(c) 和 (d) 是等效电路被修改为偏压后
的结果。

(a) 构造 (b) 等效电路

(c) 反偏等效电路 (d) 正偏等效电路

图2－1 PIN二极管的结构和等效电路
PIN二极管调制器有一个与波导交叉连接的二极管，当偏压按足够大
的方波（低频）变化，并且波导有微波时，二极管具有调制器功能。当二
极管被反向偏置时，不影响能量流通，当其被完全或部分地去除反向偏置
时，可以使二极管控制能量流。
这种使用绝缘体在P和N之间的调制器具有优良的调制性能，因为它
在调制过程中可以使整流和谐波产生的影响最小。
B、晶体检波器
晶体检波器是一种可以按“平方律”特性检测微波信号的元件，点接
触锗或硅晶体的二极管是最常见的晶体检波器。有时，辐射热测量仪也用
于微波检测，此器件主要是用来测量微波功率的。典型的晶体检波器如图
2－2和图2－3(a)和(b)。在图2－2里两个滤波器(输入高通和输出低通)
是用来分离微波和直流输出的。

图2－2 典型晶体检波器电路
图2－3 晶体检波器的V-I特性
在图2－3中，我们来关注二极管的电流和电压的关系。一般来说，图
2－3中的一条曲线可以近似地用电压的幂的泰勒级数来表示。

…(2-1)
通常，前三项已经足够近似于整个方程。如果电压表示为
V=Acosωt
这里A是振幅，ω等于2πf
将V代入式2－1,得出

i= a0+a
1(Acosωt)+a2
(Acosωt)2+… … (2-2)

用

得出

i= a0+a
1
(Acosωt)+ a2 A2 (1+cos2ωt)+…. …(2-4)

2

现在，平方律的特性已经明显了，在等式2－4里，项已经包含直流分
量 ，二次谐波表达为。因此我们可以说，检波器的电流正比于微波电压
的振幅A的平方。这个概念只在一定的信号电平有效；在信号电平更高时，

cos
2
ωt= 1 (1+cos2ωt) … (2-3)

2
式2－4中更多的项需要考虑，二极管不再被当作平方律器件了。
除图2－2的检波电路之外，二极管本身可以表达为等效电路的项。
图2－4表示一个完整的等效电路。

图2－4 检波器的等效电路
图2－4中，Ro 和C 代表结的阻抗，r是二极管的体电阻。检波器的
品质因数是检波公式的电压和电流的灵敏度，表达为：

为了使输出功率最大化，必须匹配二极管的微波阻抗和波导的特征阻
抗。匹配阻抗的另一个好处是使来自检波器的反射最小化，因为反射影响
测量的准确度。
二极管能够检测到的最小信号电平取决于二极管的噪声。二极管在存
在噪声时检测信号的能力叫做检波器的正切灵敏度(TSS)。图2－5中简要
画出了TSS的概念。

电压灵敏度 = 开路电压 = RoIdc … (2-5)
输入功率
Pin

电流灵敏度 = 短路电流 = Ro/(r+ Ro) …(2-6)
输入功率
Pin