电子科技专业基础实验电子科学与技术学院编2012．1电子科技专业基础实验1 微波基本测量 (1)2 二维电场的模拟实验 (7)3 电磁波的布拉格衍射实验 (12)4 射频图像传输 (16)5 偏振光实验 (23)6 光源光谱特性的测量 (29)7 光磁共振实验 (32)8 半导体光电导实验 (41)9 光栅实验 (47)10 单色仪的标定实验 (51)11 迈克尔逊干涉仪 (54)12 半导体光伏效应实验 (60)13 半导体霍尔效应实验 (66)14 PN结正向压降温度特性实验 (72)15 半导体少数载流子寿命测量 (77)16 四探针测电阻率实验 (80)实验1 微波基本测量技术一．实验目的1. 学习微波的基本知识；2. 了解波导测量系统，熟悉基本微波元件的作用；3．了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术；4．掌握大、中、小电压驻波系数的测量原理和方法；5．学习用驻波测量线校准晶体检波器特性的方法。
二．实验原理（一）微波基本知识在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，而必须改用微波传输线。
常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线，本实验用的是矩形波导管，波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线。
传输线的特性参量与工作状态在波导中常用相移常数。
波导波长，驻波系数等特性参量来描述波导中的传输特征，对于一个横截面为b a ×的矩形波导中的TE 10波：自由空间波长 /c f λ=，截止（临界）波长 2c a λ=，波导波长 /g λλ= （1）相移常量 2/g βπλ=，，反射系数 Γ=E 反/E 入驻波比 max min /E E ρ=，由此可见，微波在波导中传输时，存在着一个截止波长c λ，波导中只能传输λ＜c λ的电磁波。
波导波长g λ＞自由空间波长λ。
在实际应用中，传输线并非是无限长，此时传输线中的电磁波由人射波和反射波迭加而成，传输线中的工作状态主要决定于负载的情况。
（1）波导终端接匹配负载时，微波功率全部被负载吸收，无反射波，波导中呈行驻波状态．此时|Γ|=0，ρ＝l 。
（2）波导终端短路（接理想导体板）．开路或接纯电抗性负栽时，形成全反射，波导中呈纯驻波状态。
此时|Γ|=1，ρ＝∞。
（3）波导终端接一般性负载（有电阻又有电抗）时，形成部分反射，波导中呈行驻波状态．此时0＜|Γ|＜l，1＜ρ＜∞。
（二）常用微波元件及设备简介1．波导管：本实验所使用的波导管型号为BJ—100，其内腔尺寸为α＝22.86mm，b＝10．16mm。
其主模频率范围为8．20～12．50GHz，截止频率为6．557GHz。
2．隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性(见图1)。
隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。
3．衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。
衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。
4．谐振式频率计（波长表）：电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。
当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。
5．驻波测量线：驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。
在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。
由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。
6．晶体检波器：它的典型结构是在一段直波导上加装微波检波二极管，短路活塞和调配钉而成。
晶体检波二极管置于平行微波电场方向，当有微波输入时，在晶体中感应出微波信号。
7．微波源：提供所需微波信号，频率范围在8．6～9．6GHz内可调，工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。
（三）微波的传输特性和基本测量本实验是微波实验中的基本实验之一，要求学会使用基本微波器件，了解微波的传输特性，并掌握频率，波导波长以及驻波比等基本量的测量。
l．微波频率的测量微波的频率是表征微波信号的一个重要物理量，实验中常采用吸收式谐振频率计进行频率测量．谐振式频率计含有一个装有调谐柱塞的圆形空腔，空腔通过隙孔耦合到一段直波导管上，形成波导的分支，测量频率时，调节频率计上的调谐机构，将腔体调至谐振，此时波导中的电磁场就有部分功率进入腔内，使得到达终端信号检测器的微波功率明显减少．只要读出对应系统输出为最小值（减幅最大）时调谐机构上的读数，就得到所测量的微波频率．注意测量完毕要调节频率计的调谐机构使腔体失谐，此时腔里的电磁场极为微弱，它不吸收微波功率，也基本上不影响波导中波的传输。
2．波导波长和驻波比的测量实验中通常采用驻波测量线来测量波导波长和驻波比。
（l ）波导波长的测量。
波导波长在数值上为相邻两个驻波极值（波腹或节点）距离的两倍。
驻波极值点用驻波测量线来测量。
本实验中通过平均值法来测量波导波长。
亦即记录下每一个驻波极值点，然后分别对相邻的波腹和节点之间取差值计算。
（2）驻波比的测量驻波比定义为波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场之比．即,minmax E E =ρ （2） 其中max E 和min E 分别表示波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场强度．由于终端负载不同，驻波比ρ也有大中小之分。
因此，驻波比测量的首要问题是，根据驻波极值点所对应的检波电流，粗略估计驻波比的大小。
在此基础上，再作进一步的精确测定。
实验中微波信号比较弱。
可以认为检波晶体（微波二极管）符合平方律检波，即电表上的读数I 与微波功率成正比：I P ∝，依据公式,minmax min max I I E E ==ρ （3） 求出粗略值后，再按照驻波比的三种情况，进一步精确测定ρ的值。
（a ） 大驻波比（6>ρ）的测量。
在大驻波比情况下，检波电流max I 与min I 相差太大，在波节点上检波电流极微，在波腹点上二极管检波特性远离平方律,故不能用（3）式计算驻波比ρ，可采用“二极管小功率法”。
如图1所示，利用驻波测量线测量极小点两旁功率为其两倍的点坐标，进而求出W （W 为等指示度之间的距离），则ρ=g W λπ， （4）必须指出：W 与λg 的测量精度对测量结果影响很大，因此必须用高精度的探针位置指示装置(如百分表)进行读数。
（b ）中驻波比)65.1(≤≤ρ的测量。
中驻波比的情况可直接根据式（3）计算，,min max min max I I E E ==ρ （5）（c ）小驻波比（5.1005.1≤≤ρ）的测量。
在小驻波比情况下，驻波极大值点与极小值点的检波电流相差极微，因此采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。
max1max 2max min1min 2min n n E E E E E E ρ++•••+==++•••+ （6）3．晶体的检波特性曲线和检波律的测定（选做）在测量驻波比时，驻波波腹和波节的电场强度大小由检波晶体的输出信号测出。
晶体的检波电流I 和传输线探针附近的高频电压E 的关系必须正确测定。
根据检波晶体的非线性特征，可以写出n I kE = （7）其中：k ，n 是和晶体二极管工作状态有关的参量。
如驻波测量线晶体检波律n ＝1称为直线性检波，n ＝2称为平方律检波。
当微波场强较大时呈现直线律，当微波场强较小时(P<l μW)呈现平方律。
因此，当微波功率变化较大时n 和k 就不是常数，且和外界条件有关，所以在精密测量中必须对晶体检波器进行校准。
n 的数值可按下法测定。
令驻波测量线终端短路（接短路片）。
此时沿线各点驻波振幅与终端距离l 的关系为sin m E E l β= 式中g λπβ2= （8）称为位相常数。
g λ是波导波长，l 是到极小值的距离。
代入（7）式即得'sin ()sin ()n n n m I kE l k l ββ== （9）两边取对数得''log log log(sin )2log log[sin()]g I k n l k n l βπλ=+=+ （10）λ长度内，分为10个等距离间隔，即确定10个测量从波腹到波节的4/g点，读出每个测量点上对应的检波电流I，按（10）式作出1gI—1g|sin(2πl／λg)|曲线图，其斜率就是晶体二极管的检波率n。
三、实验设备信号源、三厘米驻波测量线、可变衰减器、波长表、检波器、电缆、检波指示器、隔离器、环行器、单螺调配器、弯波导、波导开关、直波导、匹配负载、失配负载、短路板。
四、实验要求及数据处理1．测量连接图如图2所示。
开启微波信号源，预热5分钟以上，工作方式选择“等幅”。
图2 测量连接图2．驻波测量线后接检波指示器，用谐振式频率计（波长表）测量微波频率。
慢慢调节波长表上的测微头直到出现谐振，从刻度套筒读出谐振点位置，然后查表得出微波频率。
重复3～5次，把频率取平均后，根据（1）式计算微波波导波长。
注意：波长表需慢慢仔细调节寻找谐振点，谐振点位置就是检波表最小值处（通常与其它值相比减小十几个刻度值）；测完频率后把频率计调离谐振点。
3．被测元件处换接金属短路片测量波导波长。
把测量线的探针从一端缓慢移向另一端，记录每一个波峰、波谷对应的测量线刻度值（也即探针的位置读数），用逐差法处理数据，求出波导波长值。
并与步骤2中计算得到的理论波长值进行分析比较。
4．被测元件处换接短波导、长波导，测量不同负载的驻波比。
把测量线的探针从一端缓慢移向另一端，由测量线的检波指示器（本实验中换用微安表）读取每一个波峰、波谷值，根据驻波比的估算公式采用不同的公式计算（数据分析时给出详细的计算过程和采用不同公式计算的理由）。
注意：本步骤中，需要记录的是波峰、波谷时微安表的测量值。
5．(选做)根据短路负载的1gI—1gl|sin(2πl／λg)|曲线，求出n。
五、思考题1．开口波导的ρ≠∞，为什么?2．如何比较准确地测出波导波长（指实验步骤3中的实验值）?请从测量方法和测量操作两个方面进行回答。
实验2 二维电场的模拟实验一、实验目的1. 了解模拟法描绘静电场的依据及描绘方法。
2. 描绘几种静电场的等位线。
3. 加深对静电场，稳恒电流场的了解。
二、实验器件THME-2型静电场描绘实验仪。
三、实验原理静电场可以用场强E和电位U来表示。
