微波傳輸特性和基本測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)題目：微波傳輸特性和基本測(cè)量一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.學(xué)會(huì)使用基本微波器件。2.了解微波振蕩源的基本工作特性和微波的傳輸特性。掌握頻率、功率以及駐波比等基本量的測(cè)量。二 實(shí)驗(yàn)儀器：YM123標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，GX2C小功率計(jì)，YM3892選頻放大器，TC26波導(dǎo)型測(cè)量線，（TS7厘米波導(dǎo)精密衰減器，PX16直讀式頻率計(jì)），BD20三厘米波導(dǎo)系統(tǒng)，探頭若干三、 實(shí)驗(yàn)原理：1 微波的傳輸特性為了避免導(dǎo)線輻射損耗和趨膚效應(yīng)等的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管為微波傳輸線，并用TE10波型。波導(dǎo)管具有三種工作狀態(tài)：當(dāng)終端接“匹配負(fù)載”時(shí)，反射波不存在，波導(dǎo)中呈行波狀態(tài)；當(dāng)終端接“短路片”、開路或接純電抗性負(fù)載時(shí)，終

2、端全反射，波導(dǎo)中呈純駐波狀態(tài)；一般情況下，終端是部分反射，波導(dǎo)中傳輸?shù)募炔皇切胁?，也不是純駐波，而是呈行駐波狀態(tài)。2 微波頻率的測(cè)量用吸收式頻率計(jì)PX16（直讀式），測(cè)量范圍8.2GHZ-12.4GHZ，誤差0.3%，當(dāng)傳輸線中相當(dāng)一部分功率進(jìn)入頻率計(jì)諧振腔內(nèi)，而另一部分從耦合元件處反射回去。當(dāng)調(diào)節(jié)頻率計(jì)，使其自身空腔的固有頻率與微波信號(hào)頻率相同時(shí)產(chǎn)生諧振，用選頻放大器測(cè)量，信號(hào)源須用內(nèi)方波，重復(fù)頻率為1KHZ左右，諧振時(shí)可從選放上觀察到信號(hào)幅度明顯減少，以減幅最大位置為判斷頻率測(cè)量值的論據(jù)。3 微波功率的測(cè)量用GX2C小功率計(jì)配小功率探頭直接測(cè)量連續(xù)或脈沖調(diào)制的射頻平均功率。GX2C屬于熱電

3、偶型，熱電偶膜片既是傳輸線終端負(fù)載電阻，又見電磁場(chǎng)能熱能直流電動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)換器件。4 波導(dǎo)波長(zhǎng)g 的測(cè)量g在數(shù)值上為相鄰兩個(gè)駐波極值點(diǎn)（波腹或波節(jié)）距離的兩倍，常采用測(cè)定駐波極小點(diǎn)的位置來求出g 。（1）用平均值法。找出兩個(gè)相鄰最小點(diǎn)的位置 D1和D2，移動(dòng)探針在駐波最小點(diǎn)D1左右找出兩個(gè)具有相同幅度（由選放讀出）的位置d1和d2，同樣找出D2點(diǎn)左右的 d3和d4，則 D1 、D2的位置在測(cè)量線上通過標(biāo)尺讀出。 （2）用可變短路器。首先找出第一點(diǎn)最大點(diǎn)D1時(shí)，將選放增益放大，來回轉(zhuǎn)動(dòng)可變短路器，記下最小點(diǎn)時(shí)可變短路器上的刻度位置X1，然后改變可變短路器，找出另一個(gè)相鄰最小點(diǎn)D2，再記下可變短路器上

4、刻度位置X2，則，通過測(cè)出g,可計(jì)算出頻率和自由空間波長(zhǎng)，有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。5 駐波比的測(cè)量由于終端負(fù)載不同，駐波比有大、中、小之分。先粗略估計(jì)駐波比，再按照駐波比的三種情況精確測(cè)定值。（1）大駐波比（6）的測(cè)量采用“二倍極小功率法”：利用駐波測(cè)量線測(cè)量極小點(diǎn)兩旁功率為其二倍的點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而求出d，則 （1）（2）中駐波比（1.56）的測(cè)量. (3)小駐波比(1.0051.5)的測(cè)量駐波極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)的檢波電流相差細(xì)微，故用測(cè)量多個(gè)相鄰波腹與波節(jié)點(diǎn)的檢波電流值，進(jìn)而取平均的方法。四。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1 熟悉有關(guān)儀器的基本原理和使用方法，連接好儀器。2 打開標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的電源，電流調(diào)零，輸出功率調(diào)

5、到中檔，輸出頻率調(diào)到10GHZ。信號(hào)工作方式置于“內(nèi)方波”，重復(fù)頻率用“X10檔”1KHZ左右。3 將選頻放大器衰減檔置于40dB檔位，輸入阻抗置200，通頻帶置于32HZ。4 將選頻放大器接到晶體檢波器輸出端，緩慢旋轉(zhuǎn)頻率計(jì)在10GHZ左右，當(dāng)輸出幅度降低到最低時(shí)候的頻率，就測(cè)得信號(hào)源的輸出頻率。5 將選頻放大器接到TC26測(cè)量線上，測(cè)量端口接上可變短路器，緩慢移動(dòng)測(cè)量探針，測(cè)出兩個(gè)相鄰極小點(diǎn)附近輻度相等的兩點(diǎn)坐標(biāo)，用平均值方法，計(jì)算波導(dǎo)波長(zhǎng) （也可用可變短路器直接測(cè)），測(cè)二組。6 線路同步驟5。用短路器測(cè)駐波比，測(cè)三組，（一般在1.56）。7 用匹配負(fù)載換下短路器，測(cè)小駐波比，測(cè)三組。8

6、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源仍開機(jī)不動(dòng)。將功率計(jì)開機(jī)調(diào)整，并將校準(zhǔn)因子調(diào)節(jié)好（例信號(hào)源為10。0GHZ時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)因子調(diào)95%），再接上探頭。然后把GX2-T3功率探頭與信號(hào)源和功率計(jì)連接，慢慢增大信號(hào)源的輸出功率，當(dāng)輸出最大時(shí)記錄所測(cè)功率。測(cè)量完畢，一定要先拆下功率探頭，再關(guān)功率計(jì)和信號(hào)源。五思考與討論：1駐波測(cè)量線的調(diào)節(jié)應(yīng)注意哪些問題？2駐波測(cè)量線測(cè)定波導(dǎo)波長(zhǎng)的方法是怎樣的？g與自由空間波長(zhǎng)的大小關(guān)系如何？3 為什么有時(shí)晶體檢波管在速調(diào)管和檢波二極管都完好的情況下，會(huì)出現(xiàn)輸出信號(hào)很小的情況？應(yīng)如何調(diào)節(jié)？六數(shù)據(jù)記錄與處理：實(shí)驗(yàn)題目：夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)量氬原子的第一激發(fā)電勢(shì)，證明原子能級(jí)的存在，從而

7、加深對(duì)量子化概念的認(rèn)識(shí)。2、加深對(duì)熱電子發(fā)射的理解，學(xué)習(xí)將電子與原子碰撞微觀過程與宏觀物理量相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。3、了解微電流的測(cè)量方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀（含夫蘭克-赫茲管、微電流放大器等）微機(jī)等三、實(shí)驗(yàn)原理為實(shí)現(xiàn)原子從低能級(jí)E0向高能級(jí)Em的躍遷，可以通過吸收一定頻率的光子來實(shí)現(xiàn)，為此應(yīng)有 (1)也可通過與具有一定能量的電子碰撞來實(shí)現(xiàn)。若與之碰撞的電子是在電勢(shì)差U的加速下，速度從零增加到V，并將全部能量交換給原子，則應(yīng)有： (2)由于具有確定的值，對(duì)應(yīng)的U就應(yīng)該有確定的大小。當(dāng)原子吸收電子能量從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)時(shí)，相應(yīng)的U被稱為第一激發(fā)電位(或中肯電位)。因此，第一激發(fā)電位

8、就對(duì)應(yīng)于第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量差。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它可能以輻射光子的形式釋放能量而自發(fā)躍遷到低能級(jí)。 當(dāng)汞原子吸收電子從基態(tài)6S10躍遷到第一激發(fā)態(tài)6P31時(shí)，相應(yīng)的電子加速電壓U=49V，即汞原子的第一激發(fā)電位是4.9V。汞原子在激發(fā)態(tài)的平均滯留時(shí)間瓦數(shù)量級(jí)為10-810-7秒，因而躍遷到6P31態(tài)的原子將很快通過自發(fā)輻射躍遷回到基態(tài)，輻射光子的能量為hv=El-E0=4.9V，即輻射波長(zhǎng)為253.7nm的紫外光。實(shí)驗(yàn)中原子與電子碰撞是在夫蘭克一赫茲管(FH管)內(nèi)進(jìn)行的。管內(nèi)充以不同元素的氣體就可以測(cè)出相應(yīng)元素的第一激發(fā)電位。FH管是個(gè)三極管或四極管，現(xiàn)以常見的充汞蒸汽的四極FH

9、管為例，說明其工作原理。如圖1所示，四極FH管包括燈絲F附近的氧化物陰極K，兩個(gè)柵極Gl，G2和板極A。第一柵極G，靠近陰極K，并加有一個(gè)小正電壓，目的在于控制管內(nèi)電子流的大小以抵消陰極附近電子云形成的負(fù)電位的影響。第二柵極G2靠近極板A，其間加一減速電壓，使得與原子發(fā)生非彈性碰撞、能量損失的電子達(dá)不到極板。G1和G2之間的距離較大，以保證電子與氣體原子有足夠高碰撞幾率。燈絲F加熱陰極K，由K發(fā)出大量電子，這些電子經(jīng)G2、K間電壓的加速獲得能量，它們?cè)贕2、K空間與汞原子遭遇碰撞，把部分或全部能量交換給汞原子，在G2、A間經(jīng)減速電壓減速達(dá)到極板A，檢流計(jì)指示出板極電壓的大小。與IP的關(guān)系曲線如

10、圖2。當(dāng)4.9V時(shí)，電子在G2、K空間獲得的能量小于4.9V。實(shí)驗(yàn)表明，電子與汞原子的碰撞是彈性的。簡(jiǎn)單計(jì)算可知，在每次碰撞中，電子損失的能量約為其自身能量的10-5倍，即電子幾乎沒有能量損失。隨著上升，板流即將按真空二極管伏安特性曲線逐漸升高，當(dāng)=49V時(shí)，電子在G2附近將獲得4.9V的能量，這些電子與汞原子的碰撞是非彈性的，因此，將引起共振吸收，電子把能奄全部傳遞給汞原子，自身速度幾乎降為零。而汞原子則實(shí)現(xiàn)了從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)的躍遷。由于減速電壓的作用，失去了能量的電子將不能達(dá)到極板，IP陡然下降。 當(dāng)4.9V24.9V時(shí)，電子在G2、K空間枳蓄的能量一旦達(dá)到4.9V，將與汞原子發(fā)生一次非

11、彈性碰撞而損失能量，然后在電場(chǎng)中繼續(xù)加速，只不過到達(dá)G2時(shí)重新獲得的能量小于4.9V，故非彈性碰撞不會(huì)再發(fā)生，電子將保持其動(dòng)能不變達(dá)到G2，從而克服的阻力到達(dá)極板，表現(xiàn)為IP的又一次上升。 當(dāng)=249V時(shí)，電子在G2、K間與汞原子進(jìn)行兩次非彈性碰撞而失去能量，IP再一次下降。 顯然，每當(dāng)=n4.9V(n=l，2，3，)時(shí)，都伴隨著IP的一次突變，出現(xiàn)一次峰值，峰間距為4.9V。連續(xù)改變，測(cè)出與IP的關(guān)系曲線，即可求知汞的第一激發(fā)電位。 容易證明，一定時(shí)，電子達(dá)到極板時(shí)能量與在G2、K空間和汞原子碰撞的地點(diǎn)無關(guān)。不難預(yù)料，當(dāng)管內(nèi)汞原子密度較大時(shí)，電子積蓄的動(dòng)能每達(dá)到4.9eV，將會(huì)與汞原子發(fā)生一

12、次非彈性碰撞而失去能量，當(dāng)比4.9V大幾倍時(shí)，電子與汞原子實(shí)現(xiàn)非彈性碰撞就有幾個(gè)相應(yīng)的區(qū)域，在這幾個(gè)區(qū)域中進(jìn)行能量交換的幾率最大。因此被激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)的汞原子躍遷回基態(tài)時(shí)，將形成一個(gè)個(gè)可見光環(huán)。對(duì)于能量大于4.9eV的激發(fā)態(tài)，由于電子加速過程中積蓄的能量還未達(dá)到這些邀基態(tài)的能量之前，就已和汞原子進(jìn)行了能量交換，實(shí)現(xiàn)了汞原子向第一激發(fā)態(tài)躍遷，所以實(shí)現(xiàn)向高激發(fā)態(tài)的躍遷幾率就很小了。 但是，如果FH管中汞原子密度較小時(shí)，由于電子的平均自由程變大，電子有機(jī)會(huì)使積蓄的能量大于4.9eV，從而使向高激發(fā)態(tài)的激發(fā)幾率迅速增加，因而對(duì)于高激發(fā)態(tài)的加速電位，IP會(huì)有相應(yīng)的峰。當(dāng)電子能量大于10.4eV時(shí)，可以

13、使汞原子電離，出現(xiàn)電離峰。 實(shí)際上，由于亞穩(wěn)態(tài)的存在(相應(yīng)的電位為4.7V，5.47V等等)，以及原子的順次激發(fā)，光電效應(yīng)，二次電子發(fā)射，第二類非彈性碰撞，光致激發(fā)和光致電力的存在，使過程變得很復(fù)雜。不過，選擇合適的工作條件及合理的數(shù)據(jù)處理方法，仍可得到滿意的結(jié)果。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)管電勢(shì)分布圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1. 按照實(shí)驗(yàn)要求連接實(shí)驗(yàn)線路，檢查無誤后開機(jī)。2緩慢將燈絲電壓調(diào)至2.5V，第一陽(yáng)極電壓UG1K調(diào)至1.5V，拒斥電壓UG2A調(diào)至7.0V，預(yù)熱10分鐘。3 按機(jī)箱蓋標(biāo)牌上給定的參數(shù)，輸入實(shí)驗(yàn)參數(shù)，用A方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，做IAUG2K曲線圖，求氬原子的第一激發(fā)電位。4改變燈絲電壓（調(diào)整建議控制在標(biāo)牌參數(shù)的0.5V范圍內(nèi)）、第一陽(yáng)極或拒斥電壓，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)曲線的變化，分析原因。5實(shí)驗(yàn)結(jié)束，將實(shí)驗(yàn)裝置恢復(fù)為原始狀態(tài)。6、選取合適的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，使之能完整真實(shí)的繪出曲線或用記錄儀記下曲線；7、處理曲線，求出氬的第一激發(fā)電位處理方法：a. 用曲線的峰或谷位置電位差求平均值；b. 用最小二乘法處理峰或谷位置電位i為峰或谷序數(shù)，為特征位置電位值，為擬合的第一激發(fā)電位（可參考附錄）。8、降低或增加燈絲電壓，觀察曲線的變化，記錄第一峰和最末峰的位置，與5比較，大概推斷燈絲電壓對(duì)曲線的影響。五思考與討論：（1）當(dāng)內(nèi)容1中溫度條件滿足