微波傳輸特性和基本測量

1、實驗題目：微波傳輸特性和基本測量一 實驗目的：1.學會使用基本微波器件。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量。二 實驗儀器：YM123標準信號發(fā)生器，GX2C小功率計，YM3892選頻放大器，TC26波導型測量線，（TS7厘米波導精密衰減器，PX16直讀式頻率計），BD20三厘米波導系統(tǒng)，探頭若干三、 實驗原理：1 微波的傳輸特性為了避免導線輻射損耗和趨膚效應等的影響，采用標準矩形波導管為微波傳輸線，并用TE10波型。波導管具有三種工作狀態(tài)：當終端接“匹配負載”時，反射波不存在，波導中呈行波狀態(tài)；當終端接“短路片”、開路或接純電抗性負載時，終

2、端全反射，波導中呈純駐波狀態(tài)；一般情況下，終端是部分反射，波導中傳輸?shù)募炔皇切胁?，也不是純駐波，而是呈行駐波狀態(tài)。2 微波頻率的測量用吸收式頻率計PX16（直讀式），測量范圍8.2GHZ-12.4GHZ，誤差0.3%，當傳輸線中相當一部分功率進入頻率計諧振腔內，而另一部分從耦合元件處反射回去。當調節(jié)頻率計，使其自身空腔的固有頻率與微波信號頻率相同時產生諧振，用選頻放大器測量，信號源須用內方波，重復頻率為1KHZ左右，諧振時可從選放上觀察到信號幅度明顯減少，以減幅最大位置為判斷頻率測量值的論據(jù)。3 微波功率的測量用GX2C小功率計配小功率探頭直接測量連續(xù)或脈沖調制的射頻平均功率。GX2C屬于熱電

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

4、刻度位置X2，則，通過測出g,可計算出頻率和自由空間波長，有一一對應的關系。5 駐波比的測量由于終端負載不同，駐波比有大、中、小之分。先粗略估計駐波比，再按照駐波比的三種情況精確測定值。（1）大駐波比（6）的測量采用“二倍極小功率法”：利用駐波測量線測量極小點兩旁功率為其二倍的點坐標，進而求出d，則 （1）（2）中駐波比（1.56）的測量. (3)小駐波比(1.0051.5)的測量駐波極大值點與極小值點的檢波電流相差細微，故用測量多個相鄰波腹與波節(jié)點的檢波電流值，進而取平均的方法。四。實驗內容：1 熟悉有關儀器的基本原理和使用方法，連接好儀器。2 打開標準信號發(fā)生器的電源，電流調零，輸出功率調

5、到中檔，輸出頻率調到10GHZ。信號工作方式置于“內方波”，重復頻率用“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，緩慢旋轉頻率計在10GHZ左右，當輸出幅度降低到最低時候的頻率，就測得信號源的輸出頻率。5 將選頻放大器接到TC26測量線上，測量端口接上可變短路器，緩慢移動測量探針，測出兩個相鄰極小點附近輻度相等的兩點坐標，用平均值方法，計算波導波長 （也可用可變短路器直接測），測二組。6 線路同步驟5。用短路器測駐波比，測三組，（一般在1.56）。7 用匹配負載換下短路器，測小駐波比，測三組。8

6、標準信號源仍開機不動。將功率計開機調整，并將校準因子調節(jié)好（例信號源為10。0GHZ時，標準因子調95%），再接上探頭。然后把GX2-T3功率探頭與信號源和功率計連接，慢慢增大信號源的輸出功率，當輸出最大時記錄所測功率。測量完畢，一定要先拆下功率探頭，再關功率計和信號源。五思考與討論：1駐波測量線的調節(jié)應注意哪些問題？2駐波測量線測定波導波長的方法是怎樣的？g與自由空間波長的大小關系如何？3 為什么有時晶體檢波管在速調管和檢波二極管都完好的情況下，會出現(xiàn)輸出信號很小的情況？應如何調節(jié)？六數(shù)據(jù)記錄與處理：實驗題目：夫蘭克-赫茲實驗一、實驗目的1、測量氬原子的第一激發(fā)電勢，證明原子能級的存在，從而

7、加深對量子化概念的認識。2、加深對熱電子發(fā)射的理解，學習將電子與原子碰撞微觀過程與宏觀物理量相結合的實驗設計方法。3、了解微電流的測量方法。二、實驗儀器夫蘭克赫茲實驗儀（含夫蘭克-赫茲管、微電流放大器等）微機等三、實驗原理為實現(xiàn)原子從低能級E0向高能級Em的躍遷，可以通過吸收一定頻率的光子來實現(xiàn)，為此應有 (1)也可通過與具有一定能量的電子碰撞來實現(xiàn)。若與之碰撞的電子是在電勢差U的加速下，速度從零增加到V，并將全部能量交換給原子，則應有： (2)由于具有確定的值，對應的U就應該有確定的大小。當原子吸收電子能量從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)時，相應的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、就對應于第一激發(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。 當汞原子吸收電子從基態(tài)6S10躍遷到第一激發(fā)態(tài)6P31時，相應的電子加速電壓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)的平均滯留時間瓦數(shù)量級為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，即輻射波長為253.7nm的紫外光。實驗中原子與電子碰撞是在夫蘭克一赫茲管(FH管)內進行的。管內充以不同元素的氣體就可以測出相應元素的第一激發(fā)電位。FH管是個三極管或四極管，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，兩個柵極Gl，G2和板極A。第一柵極G，靠近陰極K，并加有一個小正電壓，目的在于控制管內電子流的大小以抵消陰極附近電子云形成的負電位的影響。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G2、K間電壓的加速獲得能量，它們在G2、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間經減速電壓減速達到極板A，檢流計指示出板極電壓的大小。與IP的關系曲線如

10、圖2。當4.9V時，電子在G2、K空間獲得的能量小于4.9V。實驗表明，電子與汞原子的碰撞是彈性的。簡單計算可知，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=49V時，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到極板，IP陡然下降。 當4.9V24.9V時，電子在G2、K空間枳蓄的能量一旦達到4.9V，將與汞原子發(fā)生一次非

11、彈性碰撞而損失能量，然后在電場中繼續(xù)加速，只不過到達G2時重新獲得的能量小于4.9V，故非彈性碰撞不會再發(fā)生，電子將保持其動能不變達到G2，從而克服的阻力到達極板，表現(xiàn)為IP的又一次上升。 當=249V時，電子在G2、K間與汞原子進行兩次非彈性碰撞而失去能量，IP再一次下降。 顯然，每當=n4.9V(n=l，2，3，)時，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，測出與IP的關系曲線，即可求知汞的第一激發(fā)電位。 容易證明，一定時，電子達到極板時能量與在G2、K空間和汞原子碰撞的地點無關。不難預料，當管內汞原子密度較大時，電子積蓄的動能每達到4.9eV，將會與汞原子發(fā)生一

12、次非彈性碰撞而失去能量，當比4.9V大幾倍時，電子與汞原子實現(xiàn)非彈性碰撞就有幾個相應的區(qū)域，在這幾個區(qū)域中進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，將形成一個個可見光環(huán)。對于能量大于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到這些邀基態(tài)的能量之前，就已和汞原子進行了能量交換，實現(xiàn)了汞原子向第一激發(fā)態(tài)躍遷，所以實現(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，由于電子的平均自由程變大，電子有機會使積蓄的能量大于4.9eV，從而使向高激發(fā)態(tài)的激發(fā)幾率迅速增加，因而對于高激發(fā)態(tài)的加速電位，IP會有相應的峰。當電子能量大于10.4eV時，可以

13、使汞原子電離，出現(xiàn)電離峰。 實際上，由于亞穩(wěn)態(tài)的存在(相應的電位為4.7V，5.47V等等)，以及原子的順次激發(fā)，光電效應，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，仍可得到滿意的結果。夫蘭克-赫茲實驗管電勢分布圖四、實驗內容與步驟1. 按照實驗要求連接實驗線路，檢查無誤后開機。2緩慢將燈絲電壓調至2.5V，第一陽極電壓UG1K調至1.5V，拒斥電壓UG2A調至7.0V，預熱10分鐘。3 按機箱蓋標牌上給定的參數(shù)，輸入實驗參數(shù)，用A方式進行實驗，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（調整建議控制在標牌參數(shù)的0.5V范圍內）、第一陽極或拒斥電壓，重復進行實驗，觀察實驗曲線的變化，分析原因。5實驗結束，將實驗裝置恢復為原始狀態(tài)。6、選取合適的實驗點記錄數(shù)據(jù)，使之能完整真實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曲線的影響。五思考與討論：（1）當內容1中溫度條件滿足