微波传输特性和基本测量

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实验题目：微波传输特性和基本测量

一．实验目的：

1.学会使用基本微波器件。

2.了解微波振荡源的基本工作特性和微波的传输特性。掌握频率、功率以及驻波比等基

本量的测量。

二．实验仪器：

YM123标准信号发生器，GX2C小功率计，YM3892选频放大器，TC26波导型测量线，（TS7厘米波导精密衰减器，PX16直读式频率计），BD20三厘米波导系统，探头若干

三、实验原理：

1．微波的传输特性

为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响，采用标准矩形波导管为微波传输线，并用TE10波型。

波导管具有三种工作状态：①当终端接“匹配负载”时，反射波不存在，波导中呈行波状态；

②当终端接“短路片”、开路或接纯电抗性负载时，终端全反射，波导中呈纯驻波状态；③一般情况下，终端是部分反射，波导中传输的既不是行波，也不是纯驻波，而是呈行驻波状态。

2．微波频率的测量

用吸收式频率计PX16（直读式），测量范围8.2GHZ-12.4GHZ，误差≤±0.3%，当传输线中相当一部分功率进入频率计谐振腔内，而另一部分从耦合元件处反射回去。当调节频率计，使其自身空腔的固有频率与微波信号频率相同时产生谐振，用选频放大器测量，

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信号源须用内方波，重复频率为1KHZ 左右，谐振时可从选放上观察到信号幅度明显减少，以减幅最大位置为判断频率测量值的论据。

3． 微波功率的测量

用GX2C 小功率计配小功率探头直接测量连续或脉冲调制的射频平均功率。GX2C 属于热电偶型，热电偶膜片既是传输线终端负载电阻，又见电磁场能→热能→直流电动势的转换器件。

4． 波导波长λg 的测量

λg 在数值上为相邻两个驻波极值点（波腹

或波节）距离的两倍，常采用测定驻波极小点

的位置来求出λg 。

（1）用平均值法。找出两个相邻最小点的位

置 D 1和D 2，移动探针在驻波最小点D 1左右

找出两个具有相同幅度（由选放读出）的位置d 1和d 2，同样找出D 2点左右的 d 3和d 4，则

2211d d D += 2

432d d D += )()(2214312d d d d D D g +-+=-=λ

D 1 、D 2的位置在测量线上通过标尺读出。

（2）用可变短路器。首先找出第一点最大点D 1时，将选放增益放大，来回转动可变短路器，记下最小点时可变短路器上的刻度位置X 1，然后改变可变短路器，找出另一个相邻最小点D 2，再记下可变短路器上刻度位置X 2，则

12

12X X g -=λ，通过测出λg ,可计算出频率和自由空间波长，有一一对应的关系。

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5． 驻波比的测量

由于终端负载不同，驻波比ρ有大、中、小之分。先粗略估计驻波比m in

m ax m in m ax m in m ax V V I I E E ===ρ，再按照驻波比的三种情况精确测定ρ值。

（1）大驻波比（ρ>6）的测量

采用“二倍极小功率法”：利用驻波测量线测量极小

点两旁功率为其二倍的点坐标，进而求出d ， 则d

g πλρ≈ （ρ>>1） （2）中驻波比（1.5≤ρ≤6）的测量.

m i n

m a x m i n m a x m i n m a x V V I I E E ===ρ (3)小驻波比(1.005≤ρ≤1.5)的测量

驻波极大值点与极小值点的检波电流相差细微，故用测量多个相邻波腹与波节点的检波电流值，进而取平均的方法。

n

n n n V V V V V V E E E E E E min 2min 1min max 2max 1max min 2min 1min max 2max 1max +?+++?++=+?+++?++=ρ 四。实验内容：

1． 熟悉有关仪器的基本原理和使用方法，连接好仪器。

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2． 打开标准信号发生器的电源，电流调零，输出功率调到中档，输出频率调到10GHZ 。信号工作方式置于“内方波”，重复频率用“X10档”1KHZ 左右。

3． 将选频放大器衰减档置于40dB 档位，输入阻抗置200Ω，通频带置于32HZ 。

4． 将选频放大器接到晶体检波器输出端，缓慢旋转频率计在10GHZ 左右，当输出幅度降低到最低时候的频率，就测得信号源的输出频率。

5． 将选频放大器接到TC26测量线上，测量端口接上可变短路器，缓慢移动测量探针，测出两个相邻极小点附近辐度相等的两点坐标，用平均值方法，计算波导波长)()(2143d d d d g +-+=λ （也可用可变短路器直接测），测二组。

6． 线路同步骤5。用短路器测驻波比，测三组，（一般在1.5≤ρ≤6）。

7． 用匹配负载换下短路器，测小驻波比，测三组。

8． 标准信号源仍开机不动。将功率计开机调整，并将校准因子调节好（例信号源为10。0GHZ 时，标准因子调95%），再接上32T GX -探头。然后把GX 2-T 3功率探头与信号源和功率计连接，慢慢增大信号源的输出功率，当输出最大时记录所测功率。测量完毕，一定要先拆下功率探头，再关功率计和信号源。

五．思考与讨论：

1驻波测量线的调节应注意哪些问题？

2驻波测量线测定波导波长的方法是怎样的？λg 与自由空间波长λ的大小关系如何？

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3 为什么有时晶体检波管在速调管和检波二极管都完好的情况下，会出现输出信号很小的情况？应如何调节？

六．数据记录与处理：

实验题目：夫兰克-赫兹实验

一、实验目的

1、测量氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在，从而加深对量子化概念的认识。

2、加深对热电子发射的理解，学习将电子与原子碰撞微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。

3、了解微电流的测量方法。

二、实验仪器

夫兰克—赫兹实验仪（含夫兰克-赫兹管、微电流放大器等）微机等

三、实验原理

为实现原子从低能级E 0向高能级E m 的跃迁，可以通过吸收一定频率v 的光子来实现，为此应有

0m E E hv -= (1)

也可通过与具有一定能量的电子碰撞来实现。若与之碰撞的电子是在电势差U 的加速下，速度从零增加到V ，并将全部能量交换给原子，则应有：

0m 2E E mv 2

1eU -== (2) 由于0m E E -具有确定的值，对应的U 就应该有确定的大小。当原子吸收电子能量从基态

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跃迁到第一激发态时，相应的U 被称为第一激发电位(或中肯电位)。因此，第一激发电位就对应于第一激发态与基态的能量差。处于激发态的原子是不稳定的，它可能以辐射光子的形式释放能量而自发跃迁到低能级。

当汞原子吸收电子从基态6S 10跃迁到第一激发态6P 31时，相应的电子加速电压U=4．9V ，即汞原子的第一激发电位是4.9V 。汞原子在激发态的平均滞留时间瓦数量级为10-8～10-7秒，因而跃迁到6P 31态的原子将很快通过自发辐射跃迁回到基态，辐射光子的能量为hv=E l -E 0=4.9V ，即辐射波长为253.7nm 的紫外光。

实验中原子与电子碰撞是在夫兰克一赫兹管(F —H 管)内进行的。管内充以不同元素的气体就可以测出相应元素的第一激发电位。F —H 管是个三极管或四极管，现以常见的充汞蒸汽的四极F —H 管为例，说明其工作原理。如图1所示，四极F —H 管包括灯丝F 附近的氧化物阴极K ，两个栅极G l ，G2和板极A 。第一栅极G ，靠近阴极K ，并加有一个小正电压K G 1U ，目的在于控制管内电子流的大小以抵消阴极附近电子云形成的负电位的影响。第二栅极G 2靠近极板A ，其间加一减速电压，使得与原子发生非弹性碰撞、能量损失的电子达不到极板。G 1和G 2之间的距离较大，以保证电子与气体原子有足够高碰撞几率。 灯丝F 加热阴极K ，由K 发出大量电子，这些电子经G 2、K 间电压K G 2U 的加速获得能量，它们在G 2、K 空间与汞原子遭遇碰撞，把部分或全部能量交换给汞原子，在G 2、A 间经减速电压K G 2U 减速达到极板A ，检流计指示出板极电压的大小。K G 2U 与I P 的关系曲线如图

2。当K G 2U <4.9V 时，电子在G 2、K 空间获得的能量小于4.9V 。实验表明，电子与汞原子的碰撞是弹性的。简单计算可知，在每次碰撞中，电子损失的能量约为其自身能量的10-5倍，即电子几乎没有能量损失。随着K G 2U 上升，板流即将按真空二极管伏安特性曲线逐渐

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升高，当K G 2U =4．9V 时，电子在G 2附近将获得4.9V 的能量，这些电子与汞原子的碰撞是非弹性的，因此，将引起共振吸收，电子把能奄全部传递给汞原子，自身速度几乎降为零。而汞原子则实现了从基态向第一激发态的跃迁。由于减速电压A G 2U 的作用，失去了能量的电子将不能达到极板，I P 陡然下降。

当4.9V

当K G 2U =2×4．9V 时，电子在G 2、K 间与汞原子进行两次非弹性碰撞而失去能量，I P 再一次下降。

显然，每当K G 2U =n ×4.9V(n=l ，2，3，…)时，都伴随着I P 的一次突变，出现一次峰值，峰间距为4.9V 。连续改变K G 2U ，测出K G 2U 与I P 的关系曲线，即可求知汞的第一激发电位。 容易证明，K G 2U 一定时，电子达到极板时能量与在G 2、K 空间和汞原子碰撞的地点无关。不难预料，当管内汞原子密度较大时，电子积蓄的动能每达到4.9eV ，将会与汞原子发生一次非弹性碰撞而失去能量，当K G 2U 比4.9V 大几倍时，电子与汞原子实现非弹性碰撞就有几个相应的区域，在这几个区域中进行能量交换的几率最大。因此被激发到第一激发态的汞原子跃迁回基态时，将形成一个个可见光环。对于能量大于4.9eV 的激发态，由于电子加速过程中积蓄的能量还未达到这些邀基态的能量之前，就已和汞原子进行了能量交换，实现了汞原子向第一激发态跃迁，所以实现向高激发态的跃迁几率就很小了。

但是，如果F —H 管中汞原子密度较小时，由于电子的平均自由程变大，电子有机会使

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积蓄的能量大于4.9eV，从而使向高激发态的激发几率迅速增加，因而对于高激发态的加速电位，I P会有相应的峰。当电子能量大于10.4eV时，可以使汞原子电离，出现电离峰。

实际上，由于亚稳态的存在(相应的电位为4.7V，5.47V等等)，以及原子的顺次激发，光电效应，二次电子发射，第二类非弹性碰撞，光致激发和光致电力的存在，使过程变得很复杂。不过，选择合适的工作条件及合理的数据处理方法，仍可得到满意的结果。

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夫兰克-赫兹实验管电势分布图

四、实验内容与步骤

1. 按照实验要求连接实验线路，检查无误后开机。

2． 缓慢将灯丝电压调至2.5V ，第一阳极电压UG1K 调至1.5V ，拒斥电压UG2A 调至7.0V ，预热10分钟。

3． 按机箱盖标牌上给定的参数，输入实验参数，用A 方式进行实验，记录数据，做IA —UG2K 曲线图，求氩原子的第一激发电位。

4．改变灯丝电压（调整建议控制在标牌参数的±0.5V 范围内）、第一阳极或拒斥电压，重复进行实验，观察实验曲线的变化，分析原因。

5．实验结束，将实验装置恢复为原始状态。

6、选取合适的实验点记录数据，使之能完整真实的绘出2~G P V I 曲线或用记录 仪记下2~G P V I 曲线；

7、处理2~G P V I 曲线，求出氩的第一激发电位

处理方法：

a. 用曲线的峰或谷位置电位差求平均值；

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b. 用最小二乘法处理峰或谷位置电位

i V a V G ?+=12

i 为峰或谷序数，2G V 为特征位置电位值，1V 为拟合的第一激发电位（可 参考附录）。

8、降低或增加灯丝电压，观察2~G P V I 曲线的变化，记录第一峰和最末峰的位置，与5比较，大概推断灯丝电压对曲线的影响。

五．思考与讨论：

（1）当内容1中温度条件满足时，记录的2~G P V I 曲线应具有什么特征？影响此曲线的因素是哪些？为什么温度低时充汞F —H 管的I P 很大？

（2）实验内容2（2）中取不同的灯丝电压时，曲线2~G P V I 应有什么变化？为什么？

（3）实验内容2（3）中取加热炉中的几个不同温度时，曲线2~G P V I 应有什么变化？为什么？是否出现了电离现象？

（4）在原有基础上，用光谱实验法测汞第一激发态和基态间能极差，如何改进并完成实验？

（5）在F —H 管的2~G P V I 曲线上第一个峰的位置，是否对应于汞原子的第一激发电势？为什么？

六.数据记录与处理：