微波反射式速調(diào)管的工作狀態(tài)和工作特性

云南學(xué)中心課程名稱： 近代物理實驗 實驗項目：微波反射式速調(diào)管的工作狀態(tài)和工作特性學(xué)生姓名： 朱江醒學(xué)號：20051050148物理科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理系2005級數(shù)理基礎(chǔ)科學(xué)專業(yè)成績指導(dǎo)教師： 何俊實驗時間：2007年10月工芙日旦時30分至12時30分實驗地點： 四合院 實驗類型:教學(xué)（演示口驗證口綜合口設(shè)計口）學(xué)生科研口課外開放口測試口其它口

一、 實驗?zāi)康模毫私馕⒉ê唵蔚囊恍┗局R；了解微波基本技術(shù)和實用測量方法；以微波測試手段來觀測物理現(xiàn)象。二、 實驗原理：1、反射系數(shù)：定義波導(dǎo)中某截面處的電場反入射波之比為反射關(guān)系，即電場的反射波r=電場的入射波則有Ee-i阿 Er= =——eziPL=re-2iPLi i （1）其中「0=1「"叩，「0是終端反射系數(shù)，中表示在終端反射波與入射波的相差。2、駐波比p:定義波導(dǎo)中駐波電場最大值與駐波電場最小值之比為駐波比，即1-「011） 當(dāng)微波功率全部為終端負(fù)載所吸收時（這種“匹配”負(fù)載）波導(dǎo)中不存在反射波，「ol=0,P=1傳的是行波，Ey=^^這種狀態(tài)稱為匹配狀態(tài)。2） 當(dāng)波導(dǎo)終端是理想導(dǎo)板時（微波技術(shù)中叫“終端短路”），形成全反射在終點站端處。=E=Ei+Er=0￡=-%亦即「°=-1=ei兀，（終端處電場反射波與入射波的相位差為IN=°0min，n，卻相位相反），此時「。卜IN=°0min，駐波波腹處，「0max=2Ei這種狀態(tài)稱為駐波狀態(tài)?！?）在一般情況下，波導(dǎo)中傳播的不是單純的行波時或駐波。I0’<1，p<1，Eylax=EM「』）'EL=EiQ-「0b這各狀態(tài)稱為混波狀態(tài)。3、波導(dǎo)元件1） 全匹配負(fù)載（也稱吸收器）：是用以全部吸收波導(dǎo)傳輸來的微波功率，是無反射的終端裝置。2） 可變衰減器：把一片吸收介質(zhì)片垂直于寬邊縱向插進(jìn)波導(dǎo)管即成，用以部分地衰減傳輸功率，移動吸收片可以改變衰減量的大小。3） 短路活塞：裝在波導(dǎo)終端，通常應(yīng)用在激勵器和探測器內(nèi)實現(xiàn)微波的匹配。4） 晶體檢波器：檢測微波功率的元件，應(yīng)用一個靈敏的晶體二極管，根據(jù)整流后測出的電流值來簡單估計微波的功率。5） 諧振腔波長計：利用諧振腔作為諧振系統(tǒng)，用機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)諧，當(dāng)諧振時，機(jī)械結(jié)構(gòu)指示的尺寸決定了被測的頻率。波長計與被測微波系統(tǒng)相連接的方法分通過型和吸收型兩種。

現(xiàn)介紹吸收式波長計的工作原理。將波長計與微波能量傳輸波導(dǎo)相耦合，調(diào)諧時，能量傳輸線上檢測器所量出的微波功率突然變小。6）微波振蕩器：微波信號源要求工作頻率和輸出功率可調(diào)而且穩(wěn)定。1）工作原理從陰極飛出的電子被諧振腔的正電壓所加速，這時直流電源的能量變成真空中運動電子的動能。電子在加速電場的作用下飛入諧振腔，在腔中激起感應(yīng)電流脈沖，使諧振腔中發(fā)生了振蕩，因而在兩個柵網(wǎng)間產(chǎn)生一個微弱的微波電場。在其作用下，穿過柵網(wǎng)的電子速度要收到調(diào)制，電子在一個振蕩周期的不同時刻穿過柵網(wǎng)后的速度是不同的。在反射空間里面速度大的電子需要較長時間飛越較長的距離才返回柵網(wǎng)；速度小的電子返回到柵網(wǎng)所需要的時間較少，飛越距離短。在不同時間內(nèi)飛過柵網(wǎng)的電子運動的空間、時間如圖1：電子1通過柵網(wǎng)時，微波電場=0，速度不變，進(jìn)入反射平面（假想的）后反轉(zhuǎn)。電子2通過柵網(wǎng)時，微波電場=￡，受到加速，越過反射平面后反轉(zhuǎn)。電子3通過柵網(wǎng)時速度不變，進(jìn)入反射空間到達(dá)反射平面后反轉(zhuǎn)。電子4通過柵網(wǎng)時（微波電場=-￡），受到減速，未到達(dá)反射平面就反轉(zhuǎn)。電子3稱為群聚中心，它的運動軌跡如圖1中的疝線所小。在反射空間距離S0（反射極與柵網(wǎng)間的距離），諧振腔電壓V0和反射極電壓VR選擇合適的情況下，當(dāng)群聚中心電子的渡越時間T0等于微波振蕩周期的3/4時，即：R(2)T0=(n+3/4)T n=1，2，3(2)電子流給出的功率最大，這一條件相當(dāng)于振蕩的相位條件。顯然渡越時間T滿足下列0關(guān)系式：(3)式中e為電子的電量，m為電子的質(zhì)量。利用式（2）、（3），并注意到T=1//（/^微波頻率），我們有:

(4)（4）式表明：只有V0和IVRI為某些值時才能產(chǎn)生振蕩。由（2）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。反射式速調(diào)管之所以能產(chǎn)生振蕩，正是巧妙地利用了這一特點。滿足了相位條件，只是說明振蕩有可能產(chǎn)生。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：i>i0 （5）這一條件相當(dāng)于振蕩的幅值條件。起始電流i0與電路及外負(fù)載有關(guān)，并與（n+3/4）成比例。式（2）和（5）就是振蕩的相位條件和幅值條件，當(dāng)這兩個條件都滿足時，微波振蕩就會發(fā)生。2）反射式速調(diào)管的工作特性和工作狀態(tài)：1、 反射式速調(diào)管并不是在任意的反射極電壓數(shù)值都能發(fā)生振蕩，只有在某些特定的反射極電壓值才能振蕩。每一個振蕩輸出功率的區(qū)域叫做速調(diào)管的振蕩模。2、 對于每一個振蕩模，當(dāng)反射極電壓VR變化時，速調(diào)管的輸出功率P和振蕩頻率/都隨之變化；在振蕩模中心的反射極電壓上，輸出功率最大，而且輸出功率和振蕩頻率隨反射極電壓的變化也比較緩慢。3、 輸出功率最大的振蕩模叫最佳振蕩模。4、各個振蕩模的中心頻率相同通常稱為速調(diào)管的工作頻率。用改變反射極電壓來實現(xiàn)振蕩頻率變化的方法稱為“電子調(diào)諧”。一個振蕩模的半功率點對應(yīng)的頻率寬度稱為振蕩模的“電子調(diào)諧范圍”。半功率點對應(yīng)的頻寬與電壓寬度的I~ |比值*一的稱為“平均電子調(diào)諧率”。三、微波測量（一）駐波系數(shù)測量駐波測量線是測量微波傳輸系統(tǒng)中電場的強(qiáng)弱和分布的精密儀器，其簡單原理是：使探針在開槽傳輸線中移動，將一小部分功率耦合出來，經(jīng)過晶體二極管檢波后再由指示器指示，從而看出在開槽線中電場的分布情況（相對強(qiáng)度）。駐波測量包括兩步分，即測定電場波腹和波節(jié)的振幅以及波節(jié)的位置。1.小駐波比的測量1.005<p<1.5在這種情況下，駐波波腹和波節(jié)都不尖銳，因此要多測幾個駐波波腹和波節(jié)，按下式計算p的平均值iff當(dāng)檢波晶體滿足于平方律時候2.中駐波比的測量1.5Wp當(dāng)檢波晶體滿足于平方律時候2.中駐波比的測量1.5WpW10(7)此時，只需測一個駐波波腹和一個駐波波節(jié)，按小信號平方律檢波，即可算出駐波比電J毫 （8）大駐波比p>10如駐波比p>10,波腹振幅與波節(jié)振幅的區(qū)別很大，測量線不能同時測量波腹和波節(jié)，因此必須采用別的測量方法一一二倍極小功率法。使用平方律的檢波晶體管，利用探針測量極小點兩旁。功率為極小點功率二倍的距離W，以及波導(dǎo)波長入g，按下式計算駐波比：p=貌/湖波節(jié)位置和波導(dǎo)波長的測定極小點的位置受探針的影響極微，只要駐波測量器靈敏度夠高及極小點夠尖銳，一般容易測定。為了精確測定極小點的位置，可采用平均值法，亦即測極小點附近兩點（此兩點在指示器的輸出相等）的距離坐標(biāo)，然后取這兩點坐標(biāo)的平均值，即得極小點坐標(biāo)波導(dǎo)波長Mg可由兩個相鄰極小點的距離：xmin2—xmin1=*"/+形"）一瓦*瓦"）=+魂決定。所以有超=（5『）FF） （9）（二） 功率測量功率測量包括兩種方法：1、相對測量（確定微波功率的大?。?；2、絕對測量（確定微波功率的絕對值）。在測量工作中常常需要檢測微波功率扮存在或估計其相對大小，用來檢測微弱信號功率的靈敏指示器稱為檢潑器。在小功率情況下，當(dāng)檢波電流不超過5?10微安時，檢波晶體管可以相當(dāng)精確地假定為平方律檢波的，亦即檢流計測得檢波電流I與微波功率P成正比：I=K0P ，其中K0為常數(shù)，（9）（三） 頻率測量微波頻率的測量方法基本有兩種：一種是諧振腔法，一是頻率比較法。四、實驗內(nèi)容1、 觀察速調(diào)管的各個振蕩模，開啟電源，使速調(diào)管處于調(diào)幅工作狀態(tài)。調(diào)節(jié)反射極電壓（注意反射極電壓相對于陰極必須處于負(fù)電位）觀察振蕩模。2、 逐點測量速調(diào)管最佳振蕩模功率P及反射電壓匕的關(guān)系曲線，及頻率f和反射極電壓匕的關(guān)系曲線。辦法：在最佳振蕩模的位置上改變匕，對于每一個匕值，利用晶體檢波頭測量相對功率P，用波長計測量頻率f（注意波節(jié)計測頻率后失諧），共改變^.七次，相對之測P和f七次。3、使速調(diào)管處于方波調(diào)幅狀態(tài)下，配合使用測量放大器測出波導(dǎo)波長。

方法：利用駐波測量線測出駐波極大點和極大點，或極小點和極小點之間的距離算出*g,(2)波導(dǎo)波長的測定urninii(2)波導(dǎo)波長的測定urniniiiiii111*gXX" I21102.80115.2127.50141.1050.62102.70115.10127.60140.6050.43128.00140.00153.20166.5051.7478.5089.50103.20115.5050.7mean50.9并代入公式計算出自由空間波長4、使速調(diào)管處于鋸波調(diào)頻狀態(tài)，把晶體檢波頭輸出端接到示波器的Y軸，即可觀察各振蕩模的圖形。五、實驗數(shù)據(jù)及分析(1)振蕩模ABCDEU/v8.615.718.825.2058.852.263.772.096.1107.3118.0163.0171.9187.0I/口A0270034.941.3078.100870072.10由此可知第四組為最佳振蕩模U/v96.160708770600I口A0101.4102.8107.3112.0113.6118.0

由人= 得：人=—^ =34.01mm。1一(廠)2 、：1+(f)2\ 2a \ 2a3x103x108m/s=34.64mm8600mHz.?.相對誤差E.?.相對誤