反射式速調管工作特性的研究 反射式速調管工作特性的研究

1、實驗七 反射式速調管工作特性的研究實驗目的 1熟悉和掌握微波測試系統(tǒng)中各種常用設備的結構、原理及使用方法。 2了解反射式速調管的工作特性。微波的基礎知識一、什么是微波 微波是一種波長很短的電磁波，其波長在0.1毫米到米之間。通常將微波劃分為分米波、厘米波、毫米波及亞毫米波這四個波段。亞毫米波又被稱為超微波。根據(jù)電磁波長與頻率之間的關系：，微波的頻率在300ghz300mhz之間，（其中1mhz106hz，1ghz109hz）。 微波的低頻端與普通無線電波的“超短波”波段相連結，而其高頻端與紅外線的“遠紅外”波段毗鄰，因而使微波具有與普通無線電波及光波都不完全相同的特點，這樣微波的研究方法和應用

2、領域以及所用的傳輸系統(tǒng)、元件、器件和測量裝置都與別的波段不同。二、微波的特點 頻率高。微波的頻率比普通無線電波頻率提高幾個數(shù)量級，一些在低頻段中并不顯著的效應在微波波段就明顯地表現(xiàn)出來。例如由于電子渡越時間（一般為10-9秒）與微波振蕩周期相比已不可忽略，因而在微波波段內不能使用普通的電子管，必須采用電子流與微波諧振回路相互交換能量的方式。產生微波信號的方式，不能采用“低頻”電路中常用的振蕩回路，而必須由“諧振腔”來實現(xiàn)。 另外，隨著頻率的增高，趨膚效應及傳輸線的輻射效應越趨嚴重，因而沿用普通兩線式傳輸線傳輸微波已不可能，而必須采用特殊的傳輸線波導管。 波長短。微波的波長遠小于一般宏觀物體的尺

3、寸（如建筑物、船、飛機、導彈等）。這就使微波在空間的傳播方面具有類似光波的特性反射。因此就有可能將微波電磁場的能量集中在一個很狹窄的波束中，進行定向發(fā)射，它能透過地球上空的電離層向太空傳播。 微波的參數(shù)和測量技術是獨特的。在低頻電路中的基本參數(shù)是電壓、電流、和頻率，在微波系統(tǒng)中，電流、電壓的概念已失去了確切的含義，而且根本無法直接測量，必須從三維空間場的理論著手，用“場”的觀念，求解在一定邊界條件下，一定介質填充的系統(tǒng)中的電磁場方程。因而在微波系統(tǒng)中主要參數(shù)為阻抗、波長和功率。微波阻抗是通過測量電場強度的相對值（即：駐波比）而得到的，波長的測量可使用校過刻度的波長計，而功率測量是將微波所產生的

4、熱效應轉換成一定的電能后去測量的。三、微波源 用以產生小功率微波振蕩的器件，通常有反射式速調管和體效應管兩種，本實驗所用微波源是以反射式速調管為振蕩器件，為此對反射式速調管做一簡單介紹。 1反射速調管是一種結構簡單、實用價值較高的微波振蕩器件，它是利用電子與電場相互作用的原理制成的，其結構如圖1所示。 反射速調管一般由燈絲、陰極、加速極、諧振腔及反射極等幾個部分組成。陰極經燈絲加熱后，發(fā)射熱電子。加速極的作用是使陰極發(fā)射出來的電子獲得較高、較均勻的速度。諧振腔的作用有兩個：一是用來對被加速后的均勻電子流進行“速度調制”，另一個功能是接受“群聚”后的電子流所提供的能量，使其建立并維持著周期性的高

5、頻振蕩。反射極上加有一個對陰極而言是負的直流電壓，對經過速度調制后的電子流來講，它是一個減速場。 2反射速調管工作原理 反射速調管工作時，電陰極發(fā)射出來的每一個電子都要越過幾個不同的電場，下面研究一下電子在各個電場中的運動情況。 如圖2所示，在kg1空間。電場是均勻的，電子將做勻加速運動，在此空間電場對電子作功為： (1) 根據(jù)能量守恒，電子所獲得的動能為： (2) (3) 電子在kg1空間的平均速度為，因此電子從k運動到g1的時間為： (4) 由此可見，在忽略了周圍電場對電子所產生的影響后，每個電子從陰極k出發(fā)到達下柵極g1的過程中，都具有相同的速度，用了相同的時間。因此可以認為，進入諧振腔

6、中的是均勻的電子流。 經過加速而達到很高速度的電子束，通過諧振腔的兩柵間時，由于電子熱騷動等原因，諧振腔中存在一個微弱、雜亂的電磁場，由于諧振腔的諧振作用，其中有某一頻率的交變電場幅度最大。假設此交變電壓為u = umsinw t，則速度均勻的電子流將在諧振腔內被“調速”。 如圖3所示，在t1時刻進入諧振腔的電子要被加速，其速度要大于原來的v0，在t2時刻進入諧振腔的電子仍按原來的速度v0運動，而在t3時刻進入諧振腔的電子將被減速，其速度將小于v0，經過速度調制后的電子，從諧振腔的上柵極g2出射后，就進入了“群聚空間”。在反射極ur的作用下，這些“速度調制”的電子流將被減速，并且穿入群聚空間深

7、度不同，同時返回柵極的時間也不相同，即渡越時間不同。而在t1t3時間內發(fā)出的電子可能在折回過程中聚合成一個稠密的電子束，并且它正好落在諧振腔內。如果電子束的渡越時間合適，當它回到諧振腔時恰巧落在交變電壓的正電場處，它對電子是起減速作用，因而電子束速度就被減慢下來，將能量傳給諧振腔，如果腔的固有頻率和交變電壓頻率一致，就會產生諧振，于是這個由電流脈沖激起的振蕩得以維持下去，便可成為一定的微波功率輸出。若電子束在正電場的最大時回到腔內，則速調管產生的微波功率最大，在其它場值下，則產生的微波功率不等；如果電子束是在交變電壓的負電場時進入腔內，則電子束就被吸收，不會有微波輸出。 由上可見，微波的產生與

8、“會聚”電子束在群聚空間內的渡越時間有關，如果把電子從離開柵網(wǎng)起至回到柵網(wǎng)所需要的時間渡越時間用t來表示，則當t與微波振蕩周期滿足下式： (5) 則電子流給出功率最大，顯然渡越時間t與電子的電量e、質量m、反射空間的距離d、反射極電壓ur以及諧振腔電壓u0有關，它們滿足下列關系式： (6) 利用(5)、(6)式，并注意到（f為微波頻率），則有： (7) 上式表明，只有u0和ur為某些值時才能產生振蕩，而且對于一定的u0改變ur會引起f的改變。值得指出的是，由(5)式可以看出微波振蕩周期與電子渡越時間可以比擬甚至還要小，這就是我們講到的微波特點之一。反射速調管之所以能產生振蕩，正是巧妙地利用了這

9、一特點。 滿足上述相位條件，只是說明振蕩可能產生而不是一定會產生，如果直流的電子流太小，由群聚中心電子團所能傳遞給微波電場的功率不足以克服電路和負載中的損耗時，振蕩就不會發(fā)生。因此，要使振蕩發(fā)生，還需要第二個條件，要求直流電子流大于某一最小電流（起始電流）即： (8)這一條件相當于振蕩的幅值條件。起始電流i0與電路以及外負載有關，并與成比例。 當滿足振蕩的相位條件和幅值條件時，微波振蕩就發(fā)生。實驗時可以通過調不同的ur而獲得不同頻率最強的微波能量輸出。圖4表示在一定諧振腔電壓情況下，輸出功率及振蕩頻率與反射極電壓的關系曲線。對應于ur的一系列工作區(qū)稱為振蕩模。 3反射速調管的頻率特性 a電子調

10、諧寬度df在給定的振蕩區(qū)內，頻率f和輸出功率p都隨反射極電壓的變化而變化。在給定振蕩模的中心，輸出功率最大。隨著反射極電壓ur負值的增加。工作頻率增加，但輸出功率下降，當輸出功率下降到最大輸出功率一半時所得的兩個振蕩頻率之差df叫做電子調諧寬度，如圖5所示。作為使用者來說，希望電子調諧寬度越寬越好。 b電子調諧斜率d 在振蕩區(qū)中心的一很小范圍內，反射極電壓vr每變化1伏所引起的振蕩頻率變化的數(shù)值稱為電子調諧斜率。由圖5可以看出，在振蕩中心一個小范圍內振蕩頻率f隨反射極電壓vr的變化規(guī)律接近于線性。斜率的數(shù)值在管子整個工作頻率范圍內各頻率點是不同的。但差別較小。由于管子的用處不同，對斜率的要求也

11、不同。例如作為調制器用，希望斜率大一些，而作為本機振蕩器用，則希望斜率小一些。因為斜率小振蕩就會相對穩(wěn)定，這樣對電源的穩(wěn)定度要求就可以相應的降低一些。 4反射速調管的調制 反射速調管的調制有兩種形式，一種是對輸出幅度進行調制，稱為“調幅”，另一種是對輸出頻率進行調制。稱為“調頻”。無論是“調幅”或“調頻”，均需在反射極上加一定的調制電壓。 a幅度調制 例如在反射極上加一方波，就得到了幅度調制如圖6所示。當方波前沿較差時，則在幅度調制的同時還會出現(xiàn)附加的頻率調制，見圖6中虛線部分，調制幅度太大時，有可能同時跨在反射速調管的兩個振蕩區(qū)域上，必將出現(xiàn)兩個振蕩頻率，調制幅度太小，則輸出功率將會減小。因

12、此在幅度調制過程中，掌握正確的調制方法是十分重要的。 b頻率調制 一般地說，除了理想的方波外，任何波形的調制電壓均可得到頻率調制。通常在進行頻率調制時使用鋸齒電壓，見圖7。使用鋸齒波電壓對頻率進行調制還能使用示波器直接觀察到各個振蕩區(qū)域的形狀。 四、微波元件 在微波實驗中，除波導、速調管外還需要其它波導元件，現(xiàn)擇主要者介紹如下： 全匹配負載：它是能全部吸收沿波導傳輸來的微波功率使其無反射的終端裝置。應用全匹配負載是為了免除微波向空間輻射、對其它儀器的感應以及在測量中作為匹配標準等。 可變衰減器：可變衰減器也是一段波導，其結構是沿波導軸方向上放置一由吸收材料制成的薄片，當薄片位置由窄壁移至寬壁中

13、間時，電場得到衰減。它用來降低波導中的微波電壓和起“去耦”作用。 隔離器：它利用鐵氧體材料的高頻特性，在外加永磁場作用下，可使微波沿正向通過隔離器時，波的衰減小，而反向時則衰減很大。其作用可除去負載對振蕩器工作穩(wěn)定性的影響。隔離器也稱單向衰減器。 短路活塞：裝置波導終端。活塞在波導上的位置可以調節(jié)，通常應用在激勵器和探測器內實現(xiàn)微波匹配，使活塞表面處正好是電壓波節(jié)，可減小傳輸損耗。 晶體檢波器：它是檢測弱微波功率的元件。應用一個靈敏的晶體二極管，根據(jù)整流后所測出的電流值可以簡單地估計微波的功率值。 諧振腔波長計：它是利用諧振腔作為諧振系統(tǒng)，并用機械結構進行調諧，當諧振時，機械結構尺寸決定被測的

14、微波頻率。波長計與被測微波系統(tǒng)相聯(lián)的方法，分通過型和吸收型兩種?，F(xiàn)只介紹吸收式波長計的工作原理。將波長計與微波傳輸波導耦合，當調諧時，波長計吸取微波的能量最大，使檢測器所量出的功率突然減小，示數(shù)最小時所對應的波長計讀數(shù)（查表知對應頻率）即為被測微波頻率值。實驗裝置 實驗裝置如圖8。實驗步驟 1觀察速調管各個振蕩模。 按實驗裝置圖連結好實驗儀器，按速調管電源使用說明，接通電源，改變反射極電壓，從微安表上觀察微波功率的變化，如圖4。 2測定每個振蕩區(qū)域中對應于最大輸出功率的ur、f和p(i )值。 調節(jié)反射極電壓ur，找出每個振蕩區(qū)域，分別測出對應于最大輸出功率的ur、f及p(i )值。 3制作最佳振蕩區(qū)域中ur f、ur p(i ) 曲線，并由繪制的曲線中求出電子調諧寬度df以及電子調諧斜率d。 在最佳區(qū)域中，連續(xù)變化ur，觀察電流變化，記錄15組以上ur、f及i的數(shù)值，繪制ur f1，ur i曲線，并由曲線中求出df及d。（ur i曲線與ur p曲線相似） 4用示波器觀察速調管動態(tài)特性。 將示波器