11反射式速调管的工作特性和波导管的工作状态

1、微波实验一：反射式速调管的工作特性和波导管的工作状态鲁东大学近代物理实验室2008/04/14一、微波基础知识:微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量 子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的 研究方法和测试设备都与无线电波的不同。从图1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。与无线电波相比，微波 有下述几个主要特点L 胪IQt(J*丄iiaiiPIO EUr1I!P1111|测1常1(1*|护广褂qiW 區型虻外ii1Iia*xm图1电磁波的分

2、类1 波长短（1m 1mm）：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成 方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而 确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。2频率高：微波的电磁振荡周期（10-9一 10-12s）短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时 间（约10-9s）可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件（振荡器、放大器和检波器） 中，而必须采用原理完全不同的微波电子管 （速调管、磁控管和行波管等）、微波固体器件和量子 器件来代替。另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在 导体

3、中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再 适用，也必须用原理完全不同的微波元件（波导管、波导元件、谐振腔等）来代替。3. 微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电 磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。4. 量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-610-3eV，而许多原子和 分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。人们利用这一特点来研究分子和原子的 结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。（北京大华无线电仪器厂）5. 能穿

4、透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射 电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的 微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。微波实验是近代物理实验的重要组成部分。10二、反射式速调管的工作特性和波导管的工作状态反射式速调管是一种微波电子管，一般用作实验室的小功率微波振荡器，或者用作微波接收机的本机振荡器。反射式速调管是实验室使用的微波信号源的核心部分。熟悉速调管的原理、结构、工作特性和使用方法， 是正确使用微波信号源的基础。微波的振荡周期与电子的渡越时间可以比拟，甚至还要小，使得

5、普通电子管在微波波段不能使用；而反射 式速调管正是利用微波这一特点而设计成的微波振荡管。测量速调管中电子的渡越时间，可以加深对速调管工 作原理的理解。微波在波导管中的传播情况，可以归结为三种状态：匹配状态、驻波状态和混波状态。观测这三种状态， 有助于熟悉匹配、反射和驻波等概念。波导中波传播的相速度大于光速C。通过测量波导波长和频率的方法来决定相速度、群速度和光速，不仅提供一种测量光速的简便方法（有四位有效数字），而且可以进一步明晰微波在波导管中传播的物理图像。本实验的目的要求是：1. 熟悉反射式速调管的结构、特性和使用方法及波导管的三种工作状态，并掌握微波的三种基本测量;2. 测量反射式速调管

6、中电子渡越时间及波导管中波传播的相速度、群速度和光速。、原理速调管的工作特性I 速调管的结构、特性和使用方法反射式速调管主要由阴极、谐振腔和反射极三部分组成（原理结构图参看图0 15和图0 16）。从阴极飞出的电子被谐振腔上的正电压加速，穿过栅网。在反射极反向电压的作 用下，运动电子返回栅网。当满足一定条件时，在谐振腔中产生微波振荡，微波能量由同轴探针输出。同轴输出I |图0 16反射式速调管 谐撮腔反射式速 调管K-27常用 于3 Cm波段，图 中给出了其结构 图。图中调谐螺 钉的作用是通过 改变谐振腔两个 栅网的距离来改 变调谐频率。图0 15反射式速调管的结构原理图K-27 的结构图I_

7、-_* I 200300 -Fh/VP左图017反射式速 调管K-27的特性曲线 左图0 18电子调谐 范围邙日极电压V=300V,波长入 =3.2Cm）反射式速调管的 特性曲线（在一定的 阳极电压情况下，输 出功率P以及振荡频 率f与反射极电压Vr 的关系曲线）如图 0 17所示，由图可以 看出下列特性：具有分立的振荡模；改变反射极电压会引起微波功率和频率的变化；存在最佳振荡模；各个振 荡模的中心频率相同等等。可归纳为：（1）反射式速调管并不是在任意的反射极电压数值都能发生振荡，只有在某些特定值才能振荡。每一个有振荡输出功率的区域，叫做速调管的振荡模，n表示振荡模的序号。（2） 对于每一个振

8、荡模，当反射极电压Vr变化时，速调管的输出功率 P和振荡频率f都随之变化。在振荡换中心的反射极电压上，输出功率最大，而且输出功率和振荡频率随反射极电压的变化也比 较缓慢。（3） 输出功率最大的振荡模，叫做最佳振荡模（图0 17中n= 3的振荡模）。为了使速调管 具有最大的输出功率和稳定的工作频率，通常使速调管工作在最佳振荡模的中心反射极电压上。（4 ）各个振荡模的中心频率相同，（为什么？想想振荡模的中心频率决定于什么？）通常称为速调管的工作频率。调整反射式速调管的振荡频率有两种方法：“电子调谐”和“机械调谐”。用改变反射级电压来实现振荡频率变化的方法，称为“电子调谐”（可使频率小范围内变化，一

9、般 f i0。这一条件相当于振荡的幅值条件，起始电流io与电路及外负载有关，并与（n + 3/ 4）成比例。式（0 19）、（ 0 20）就是振荡的位相条件和幅值条件，当这两个条件都满足时，微波振荡常常会发生。使用速调管振荡器时要注意爱护仪器，熟悉仪器面板上各个开关、旋钮的作用，并采取正确的使用方法（注意施加电压的步骤和各极电压的极限值）。2 电子渡越时间的测定（选做）测量速调管中电子的渡越时间，可以加深对速调管工作原理的理解。群聚中心电子的渡越时间 T 0由下列关系式决定：0 =(n -)T(n=1,2,3,)这里，Vr是相应的模中心反射极电压。以上两式中含有两个未知量：n （振荡模的序号，

10、参看图 0 17）和S。（反射空间距离）。利用实验数据（在我们的实验中可以观测到四个振荡模）和下式(1 1)可以算出n和S。下面介绍两种方法。（1） 求解方程法式（I 一 1）中含有两个未知量，原则上有两个方程联立即可求解。由四个振荡模的数据可以列出四个方程，两两组合解出n和So,再求平均值作为测量结果。（2） 拟合直线法将式（I I）变成直线方程y= a+ bx其中x=( V o + |vR )当式(I I)中的n取值为n, n+ 1, n+ 2, n+ 3时，相应有a = 0.25 n,y= 1,2,3,4(1 2)利用计算器可以求出截距a、斜率b和相关系数r。已知电子电量e= 1.602

11、 x 10-19C，质量m= 9.109X 10-31 kg，由试验数据 V。Vr , f以及a, b,可由式（1一 2）求出n和So,从而算出群聚中心电子的渡越时间t oo测量结果表明，渡越时间和微波振荡周期可以比拟，甚至还要小。（三）波导管的工作状态I. 波导管中波的传播特性一般说，波导管中存在入射波和反射波。描述波导管中匹配和反射程度的物理量是驻波比或反射系数。由于终端情况不同，波导管中电磁场的分布情况也不同，可以把波导管的工作状态归结为三种状态：匹配状态、驻波状态和混波状态，它们的电场分布曲线分别图0 6电场随I而变的分部曲线如图0 6所示。在匹配状态，由于不存在反射波，所以电场 Ey

12、 =Ej ；在驻波状态，终端发生全反射，|E（=Er,所以在驻波波腹处Emax=Ei|-启，驻波波节处Emin =Ei|Er=0；在混波状态，终端是部分反射，E|”旧,所以EmaxE imin= Ei|Er =0。我们知道，波导管中的波导波长入g。大于自由空间波长 入。由于C =入 f,Vg=入 gf式中c为光速，Vg为相速度。可见波在波导管中传播的相速度Vg大于光速C。显然，任何物理过程都不能以超过光速的速度进行，理论分析表明，相速度只是相位变化的速度， 并不是波导管中波能量的传播速度（即群速度。）,因此相速度可以大于光速。矩形波导管中TE10波的物理图像为：一个以入射角0 （ 0 = co

13、s-1 （入/2a）射向波导管窄壁的平面波，经过窄壁的往复反射后，由入射波和反射波叠加而成TE10波。由此可见，波沿波导管轴传播的相速度Vg自然要比斜入射的平面波传播速度c来得大。由相速度 Vg、群速度u和光速c的关系式2VgU = c可以看出波能量沿波导管轴传播的速度（群速度U）小于光速。实验中，我们通过测量波导波长入g和频率f来决定光速C、相速度Vg和群速度U。2. 驻波测量线的调整、 使用和驻波测量驻波测量线是微波实验室不可缺少的基本仪器，可利用它来进行多种微波参量的测量。因此，我们要熟悉驻波测量线的结构，掌握它的正确使用方法（如调整探针有合适穿 伸度、调谐、晶体检波律等），并利用它来测

14、量驻波比和波导波长。我们说过，“调节匹配”是微波测试中必不可少的概念和步骤，怎样把微波系统调到匹配状态呢？按照驻波比的定义E maxmin要降低p，须把E max调小或把E斷调大。在实验中，可把驻波测量线的探针放在驻波极小点或极大点处，采用把Emin调大或把Emax调小的方法进行调配。如把探针放在极小点处，则调节接在测量线端点的调配元件，使探针的输出功率稍为增大（不要增大太 多，否则会发生假象一一波形移动，这时极小点功率并不增大），然后左右移动探针，看看极小功率是否真正增大。这样反复调配元件，使极小点功率逐步增大，直至达到最佳匹配状态。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

15、时，驻波波腹和波节的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I = k1En（1 一 3）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。n的数值可按下法测定。 令驻波测量线终端短路，此时沿线各点驻波振幅与终端距离I的关系为E =k2Sin 芋（1 一 4）设以线上1 = I。处的电场驻波波节为参考点，将探针由参考点向左移动，线上驻波电场值E由零增大，而检波电流I也相应地由零增大，每一驻波电场值便有一相应的检波电流值。如果测量时不必知道检波律n,我们由实验测I （I），由式（I

16、4）算出E（l），直接画出I E的关系曲线，禾用它可以由实际测得的检波电流值找出相应的驻波电场相对值，从而求出正确的驻波比（参看图图11晶体检波器特性的测定如果需要知道检波律 n,可以由实验测量在两个相邻波节之间的驻波曲线I （I）,再利用下列关系式定出n: 0.3010n =7. IIog10 cos入g其中 I为驻波曲线上1 = Im/ 2两点的距离，Im为波腹的检波电流。上式不难由式（1 一 3）和（1 4）求得,同学可自行证明。二、.实验装置考虑到观测速调管工作特性和波导管工作状态的需要，以及熟悉常用微波元件和掌握三种基本测量的要 求，我们采用图I 2的实验线路。逋胃宵隔离醴査凑翥昵收

17、式驻淮测量裁册离器直减器晶体检號换头图1 2实验线路速调管电源提供阳极电压、反射极电压和灯丝电压，有的还提供反射极的调制电压（方波调制和锯齿波调制）。参考型号：WY 19A型速调管电源。（北京大华无线电仪器厂）速调管一般采用 K 一 27型反射式速调管，工作频率为8600 9600MHz。整个微波测量线路由 3cm波段波 导元件组成，其主要元件为隔离器（GLX 2型）、波长计（BD1/035A型）和驻波测量线（DH364A00型）。当速调管处在连续状态时，指示器A , B为光点检流计或检波指示器；处于方波调幅状态时，A , B为测量放大器（DH388A0型）;处于锯齿波调频状态时，A, B为示

18、波器。X输入端，终端当用示波器观测速调管的振荡模时，对速调管进行锯齿波调频，并将锯齿波输到示波器的的晶体检波接头输到 Y输入端。图1 -2实验线路中，可以通过调节单螺调配器来改变驻波测量线的终端情况，观测波导管的三种工作状态，也可以去掉单螺调配器以后各个元件，在驻波测量线终端接上可变电抗器（短路活塞）来观测驻波状态， 或接上匹配负载来观测匹配状态。三、实验内容（一）观测速调管的工作特性1观测速调管的各个振荡模按正确步骤开启电源，使速调管处于最佳工作状态。调节短路活塞、匹配螺钉 和单螺调配器使晶体检波接头的输出最大。改变反射极电压，观测速调管各个振荡模（要求：Vr从-300V变化到-30V）。描绘草图，注明各个振荡模的峰值以及各点所对应的反射极电压值。2.逐点测量速调管最佳振荡模的功率P和反射极电压Vr的关系曲线，以及频率f和反射极电压Vr的关系曲线。改变vr对于每个Vr值，利用晶体检波接头测量相对功率P,并用波长计测量频率。注意波长计测频率后要失谐。（二）观测波导管的工作状态1练习调节匹配，测量小驻波比和中驻波比把反射极电压调到最佳振荡模峰值对应的Vr值，并固定下来，以便在工作频率为 fo的情况下进行观测波导管工