微波傳輸特性的基礎知識

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1、微波傳輸特性的基礎知識“微波”通常是指波長在—的電磁波，對應的頻率范圍為：—，它介于無線電波和紅外線之間，又可分為分米波、厘米波、毫米波、亞毫米波。微波與低頻電磁波一樣，具有電磁波的一切特性，但由于微波的波長較短、頻率高因此又具有許多獨特的性質，主要表現(xiàn)在：1、描述方法：由于電磁波的波長極短，與使用的元件和設備的尺寸可以相比擬，在低頻段由于能量集中其傳播性質用“路”的概念來描述，使用的元件稱為集中參數(shù)元件（電阻、電容、電感等）；而微波的傳播應利用“場”的概念來處理，使用的元件為分布參數(shù)元件（波導管、諧振腔等）。因此低頻電路的電流、電壓、電阻等不再適用，而是采用等效方法處理；微波測量則以功

2、率、波長、阻抗取代了電流、電壓、電阻等。2、產(chǎn)生方法：微波的周期在—與電子管內(nèi)電子的渡越時間（約為）相近，因此微波的產(chǎn)生和放大不能再使用普通的電子器件，取而代之的是結構和原理完全不同的微電子元件——速調管、磁控管、行波管及微波固態(tài)器件。3、光似性：由于微波介于無線電波和紅外線之間，因此不僅具有無線電波的性質同時具有光波的性質：以光速直線傳播、反射、折射、干涉、衍射等。4、能量強：由于微波的頻率高，故可用頻帶寬、信息容量大，且能穿透大氣層因此可廣泛用于衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星廣播電視、宇宙通訊和射天天文學的研究。由于微波的這些特性，使微波在通信、雷達、導航、遙感、天文、氣象、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、以及醫(yī)

3、學等方面得到廣泛應用。一、微波元件簡介1.固態(tài)振蕩器（固態(tài)信號源）微波振蕩器（信號源）是產(chǎn)生微波信號的裝置，常見的有磁控管振蕩器、速調管振蕩器和固態(tài)振蕩器幾種。磁控管振蕩器功率大體積大，常用來提供大功率信號；速調管振蕩器結構簡單、使用方便，但效率低一般只有0.5%—2.5%，輸出功率小一般在，因此比較適合實驗室使用。固態(tài)振蕩器則是一種較新型的信號源，可分為微波晶體管振蕩器、體效應管振蕩器、雪崩二極管振蕩器等。固態(tài)振蕩器振蕩頻率高最高振蕩頻率可達幾百千兆；輸出功率最大可達幾十瓦以上，脈沖功率可達幾千瓦；支流功率轉換為微波功率較高，最高可達50%以上。這里主要介紹實驗室常用的由體效應二極管振

4、蕩器。1963年美國國際商業(yè)機器公司發(fā)現(xiàn)的，砷化鎵和磷化銦等材料的薄層具有負阻特性，因而無需P-N接即可產(chǎn)生微波振蕩，它的工作原理與通常由P-N節(jié)組成的半導體器件不同，它不是利用載流子在P—N內(nèi)運動特性，而是利用載流子在半導體內(nèi)的體內(nèi)體內(nèi)運動特性，是靠砷化鎵材料“體”內(nèi)的一種物理效應（負阻效應）所以稱為體效二極管或耿氏管（Gun管）。體效應二極管由截止式衰減器以及用來調制微波脈沖幅度的PIN調制器組成。實驗室常用的3cm固態(tài)信號源的頻率調節(jié)范圍大約8.6一9.6GHz。體效應振蕩器是微波信號源的核心元件，I(A)它是利用具有負阻特性的半導體材料砷化鎵制成的，由于砷化鎵具有雙能級結構，上、

5、下兩個能級差為0.36Mev；處于不同能級的電子具有不同的有效質量和不同的遷移率，其中上能級有效質量大遷移率小。當下導帶電子的能量增加到0.36Mev時，下導帶的電子就會被激發(fā)到上導帶上去，使它在某一區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)負阻特性，即出現(xiàn)起伏安特性曲線圖（1）U(V)如圖（1）所示：由此可知體效應管內(nèi)能夠產(chǎn)生一個震蕩電流，使砷化鎵的厚度足夠地小，體效應管可以產(chǎn)生類似脈沖尖峰的振蕩波形，振蕩頻率很高，即產(chǎn)生微波信號。典型的耿氏二極管如圖所示：由銅螺紋（接到直流電源的負極上）、銅底座（外加散熱器）、陶瓷圓環(huán)（絕緣作用）、金絲引線、砷化鎵片子、頂帽（正極）組成，若將耿氏二極管安裝在諧振腔的適當位置上，只要

6、在它的兩端加上直流電壓，就可以在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生微波振蕩，構成微波負阻振蕩器。耿氏二極管的主要性能參數(shù)為：工作頻率10GHz左右，工作電壓10V，工作電流0.2—0.6A，輸出功率0.03——0.1W，最大耐壓能力14V。2．隔離器是一種不可逆的衰減器,正向衰減較小，約0.1dB，反向衰減很大，可達幾十dB，因此只允許微波單方向通過，對反方向傳播微波呈電阻吸收。隔離器常用于振蕩器與負載之間，起到隔離和單向傳輸作用。隔離器一般由鐵氧體材料制成，鐵氧體是一種磁性材料，由二價的金屬錳、鎂、鎳]銅、等氧化物和氧化鐵燒制而成，它既具有磁性材料的導磁性，又具有較高的電阻率，一般可達，由于其電阻率很高，電

7、磁場能夠滲入內(nèi)部起作用而損耗很小因此得到廣泛應用。隔離器衰減器隔離器分為諧振式和場移式兩種，諧振式功率較大，實驗室常用場移式，它是在波導內(nèi)的適當位置放置一片兩端呈尖劈形（為了減少反射）鐵氧體片，使其表面與波導窄面平行，表面附有吸收片（由石墨粉或鎳鉻合金制成）并外加恒定磁場制成。在鐵氧體內(nèi)加上一個恒定磁場使鐵氧體內(nèi)的電子產(chǎn)生進動與此同時再加上與恒定磁場垂直的高頻右旋或左旋極化磁場，由于這兩種磁場與電子進動方向分別相同和相反，因此產(chǎn)生不