实验十六微波速调管的工作特性和博导工作状态

1、实验十六 反射式速调管工作特性和波导的工作状态 【实验目的】 1.熟悉微波测试系统中各种常用的微波器件的原理及使用方法。 2.了解速调管振荡的基本原理。 3.观察和测量速调管的工作特性曲线。 4.掌握微波测试系统中频率、驻波比、功率等基本参量的测量方法。 【实验仪器】 3cm波段速调管振荡器、常用波导元件、微波测量线、波长计、示波器和选频放大器等。 【实验原理】一. 反射式速调管工作原理及工作特性 反射式速调管的结构原理图如图1所示。当电源接通时，从阴极出发并经聚焦电极形成的电子束，受其前方带正电的谐振腔吸引，通过该腔底部由两片金属栅网构成的间隙，使腔中产生富有谐波的冲击电流，与腔体谐振的谐波

2、分量便被腔体选出，在两栅之间便出现谐振频率的交变电场。通过其间的电子，在正半周得到加速，负半周得到减速，即发生“速度调制”。被加速的电子离开其后面被减速的电 子，并赶上其前面被减速的电子，形成一蔟蔟 图1 反射式速调管的结构原理图的电子团，即形成电子的“群聚”。经过群聚的电子团继续前进，受到前方带负电压的反射极的排斥而逐渐减速，终于反向折回，又返回向栅区前进。假如反射极的负电压的大小合适，使返回经过栅间的电子团正好被栅间交变电场减速，则电子团将把得自直流加速电源的一部分能量交给谐振腔中的交变电场；只要交出的能量足以补偿腔体的损耗，便可维持上述频率的振荡。据计算知：只要反射极电压UR值正好使电子

3、在反射区域往返的渡越时间为： 图2 反射式速调管输出特性1 / 7则腔体获得的能量最大，振荡就最强，输出功率最大。当UR向某个最佳值两旁偏离时，振荡便逐渐减弱而终致停振。直到UR进一步变化到满足另一个整数n的条件时，便又出现另一个振荡区域。所以随着反射极电压的连续变化，会出现若干个不同的振荡区，如图2所示。从图2中可以看出： （1）在模中心，输出功率最大，对应的频率称之为中心频率，通常又叫做速调管的工作频率。各振荡模的中心频率相同。对应于最大输出功率的振荡区域，被称为最佳振荡区域（即最佳模）。 （2）当反射极电压在振荡模区域内微调时，不仅输出功率变化，而且振荡频率也在中心频率的左右作微小变化。

4、即速调管振荡器频率可通过改变反射极电压而进行“电子调谐”，但该种调谐的范围一般只有数十兆赫，只起了频率微调的作用。 一个振荡模的半功率点所对应的频率宽度，称为该振荡模的“电子调谐范围”（），半功率点所对应的频宽与电压宽度的比值称为“平均电子调谐率”，见图3所示。 而大范围的改变速调管振荡器的频率，主要靠改变谐振腔体的尺 图3 电子调谐范围寸，即靠“机械调谐”来完成。同时应注意：改变频率时，只有同时改变反射极电压，才能得到最大功率输出。 二.速调管的工作状态 反射式速调管的工作状态一般有三种： 1.连续振荡状态，在反射极上仅加上直流电压而不加任何调制电压，调节反射极电压使其工作于最佳状态（即最佳

5、模的最大输出功率处）。可具有较好的功率稳定性和频率稳定性。 2.方波调幅状态，即在反射极上除了加上一定的直流电压外，还加上方波调制，其工作特性如图4所示。首先选择 图4 反射式速调管在方波调幅时的特性合适的反射极电压，使之工作于最佳状态下，然后加方波，反复调节方波幅度和反射极电压，使输出功率最大（为连续波最佳功率的一半）。这就要求方波的一个半周期位于振荡区中心，另一半周期位于两个振荡模之间的不振区域，这时得到的是单一的幅度调制。采用方波调制后，检波输出方波，可用选频放大器或微安表进行测量。 3.锯齿波（或正弦波）调频状态，当在反射极上加上锯齿波电压时，当锯齿波的幅度比振荡模的宽度小得多时，可得

6、到线性调制信号，而寄生调幅很小。这样产生的调频信号具有较窄的频宽。用锯齿波调制可以在示波器上观察各个振荡模的形状。锯齿波调制原理如图5所示。 三.波导工作状态原理请参见前一实验原理部分。 【实验装置】 采用的实验装置如图6所示。 图5 反射式速调管在锯齿波调频时的特性 速调管电源为WY19型，它提供谐振腔电压、反射极电压和灯丝电压；同时还提供反射极的方波调制和锯齿波调制电压。 图6 实验装置 速调管一般采用K19型反射式速调管，工作频率为86009600MHz。 整个微波测试系统由3cm波段波导器件组成，有隔离器、衰减器、吸收式波长 计、驻波测量线和晶体检波探头等。 当处于不同的工作状态时，A

7、可为光点检流计、微安表或选频放大器。B可为功率计或示波器。 当速调管加入锯齿波调频时，将锯齿波接至示波器的X输入端，晶体检波接头接至Y输入端，用示波器观察速调管的振荡模。 实验时，即可通过双T调配器来改变驻波测量线的终端输出，观察波导管的三种工作状态，也可去掉双T调配器，在驻波测量线终端接上可变电抗器来观察驻波状态，或接上匹配负载来观察匹配状态。 【实验内容】 一.观察速调管的工作特性 1. 观察速调管的各个振荡模 将速调管电源的谐振腔输出旋钮置于“断”的位置，工作选择旋钮置于“连 续”。谐振腔电压、反射极电压及调制幅度均放在最小位置。然后接通速调管电源，预热5分钟后，调节反射极电压为200V

8、左右，再将谐振腔输出旋钮置于“低”，调节谐振腔电压至300V（该电压在测量过程中保持不变）。逐渐加大反射极电压并密切注视谐振腔电流使之有一个明显正增量，说明速调管已起振。 将工作选择开关置于“锯齿波”位置，这时反射极上加上锯齿波调制电压，调节短路活塞、匹配螺钉和双T调配器，使晶体检波探头输出最大；改变反射极电压，通过示波器观察速调管的各个振荡模，描绘草图，注明各个振荡模的峰值、始点及终点所对应的反射极电压值。 2.最佳振荡模的测量 逐点测量速调管最佳振荡模的功率、对应的反射极电压值及频率值。绘制PUR 和fUR的关系曲线。具体做法：改变UR值，对于每一个UR值，利用晶体检波探头测量相对功率P，

9、利用吸收式波长计测出对应的波长值，通过查表求出相应的频率值。 注意：一定要测量半功率点处的反射极电压值和对应的频率值。 3.电子渡越时间的测定（选做） 群聚中心电子的渡越时间由下式决定： 这里UR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） 和（反射空间距离）。利用我们在实验中所观察到的振荡模（实验中我们可以观察到45个振荡模）和下式：可以算出n和。下面介绍利用线性拟合求解的方法： 写出直线方程 其中 当n的取值为n，n+1，n+2，n+3时，相应有y=1，2，3，4 利用计算器可求出截距a和斜率b。 其中，质量，为谐振腔电压，由实验数据、UR、以及a和b ，从上式可

10、以求出n和，进而可以计算出群聚中心电子的渡越时间。测量结果表明，渡越时间可以和微波振荡周期相比拟甚至还要小。 一.观察波导管的工作状态 1.测量小驻波比（） 把反射极电压调到最佳振荡模的峰值对应的UR值，并固定下来。在工作频率为f0的情况下进行波导工作状态的研究。 利用双T调配器改变测量线终端的状态，练习调匹配。在最佳匹配状态下，移动驻波测量线，分别测出波腹和波节处的和的值，则驻波比为： 当为小信号平方律检波时，有 2.中驻波比的测量（） 利用双T调配器改变驻波测量线终端的状态，调到混波状态后测量中驻波比。此时，只需测一个驻波波腹和一个驻波波节，按下式计算： 当满足平方律检波时，有 3.观察驻

11、波波形，测定波导波长利用双T调配器使驻波测量线终端接近全反射，观察驻波波形并测出波导波长。 具体做法：因极小点位置受探针影响极微，一般测量极小点位置。为了精确测量极小点的位置，采用平均值法。即取极小点附近两点（此两点在指示器的输出相等）的距离坐标，然后取这两点的平均值，即得到极小点坐标，如图7所示。 波导波长可由两个相邻极小点的距离决定： 图7 电场沿测量线分布图 利用波长计测量频率f，以便计算光速c、相速度和群速度u 。 【数据处理】 1.画出所观察的振荡模的草图。 2.绘出最佳振荡模的PUR曲线和fUR曲线。 3.计算最佳振荡模的电子调谐范围和平均电子调谐率。 4.计算最佳振荡模的群居中心

12、电子的渡越时间。 5.利用驻波比和反射系数0的关系式，分别计算出小驻波比和 中驻波比所对应的。 6.将驻波测量线测得的波导波长代入下式： 计算出自由空间波长，并求出光速c、相速度和群速度u（已知波导管宽边a=22.86mm ，计算时应保持四位有效数字）。 【注意事项】 1.速调管电源一定要正确开启和关闭： 开机时：接通电源，预热5分钟后，将谐振腔输出旋钮置于“低”的位置。 关机时，先将谐振腔输出旋钮由“低”接至“断”，然后再关电源。 2.实验过程中，谐振腔电压不要超过300V，并将反射极电压UR控制在30V300V范围内。 3.用波长计测量频率时，要缓慢转动才能找到极尖锐的吸收峰，测完后必须调离谐振点，方能进行其它测量。 【思考题】 1.在谐振腔电压固定的情况下，对应于不同的