速调管的工作特性

反射式速调管的工作特性鲁东大学物理学院近代物理实验室

1、了解微波基本知识。2、了解反射式速调管的结构、特性，掌握使用方法。3、深入理解电子渡越时间和运动过程的物理图像，学会使用波长表和功率计。实验目的:微波简介从上图可以看出，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。什么是微波？微波特点1．波长短(1m—1mm)：具有直线传播的特性，应用于雷达定位、导航等领域。2．频率高：频率300MHz-300GHz，微波的电磁振荡周期(10-9一10-12s)很短，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。L和C组成的振荡回路改为谐振腔。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10-6～10-3eV，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。量子放大器和准确的分子钟，原子钟。

5．能穿透电离层：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。应用广泛总之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，还是在实际微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同，成为独立的学科。国防军事（雷达、导弹、导航）、国民经济（移动通信、卫星通信、微波遥感、工业干燥、酒老化）、科学研究（原子分子晶体结构、射电天文学、微波波谱学、量子电子学、微波气象学）、医疗卫生（肿瘤微波热疗、微波手术刀），以及家庭生活（微波炉）等各个领域。微波辐射对人体有害，实验过程中应尽量避免微波辐射！反射式速调管的结构反射式速调管主要由阴极、谐振腔和反射极三部分组成（原理结构图参看上图）。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。

速调管的工作特性曲线

速调管的工作特性

（l）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（上图中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”。反射式速调管的工作状态（ⅰ）连续振荡状态：就是我们在上面讨论过的工作状态，亦即在反射板上不加任何调制电压，调节反射极电压使反射式速调管处在最佳工作状态。在最佳振荡模的最大输出功率处，具有较好的功率和频率稳定性。（ⅱ）方波（或矩形脉冲）调幅状态：下图表示反射式速调管在方波调幅时的特性。为了获得纯粹的调幅振荡，避免引起附加的调频，调制电压必须为严格的方波，而且要选择合适的反射极电压（直流工作点），使调制波形的一个半周处在两个振荡模的不振荡区域内，而另一个半周处在振荡模的功率最大点。在实验中是这样做的：先使速调管处在连续振荡的最佳位置，当从连续状态变到调幅状态时，调节方波的幅度使得输出功率为连续状态的一半，此时的调制幅度为合适。当速调管处在调幅工作状态时，在微波测量线路中配合使用测量放大器，即选频放大器，可以提高测量灵敏度。调幅、调频特性

反射式速调管在方波调幅时的特性

反射式速调管在锯齿调频时的特性

（ⅲ）锯齿波（或正弦波）调频状态：上图表示反射式调速管在锯齿波调频时的特性。速调管反射极电压的直流工作点选择在某一振荡模的功率最大点，亦即选在频率变化曲线的当中，当锯齿波的幅度比振荡模的宽度小得多时，可以得到近似直线性的调频信号输出，而附加的调幅很小。当速调管处在调频工作状态时，可用示波器观测微波系统的动态特性。为什么反射式速调管会产生微波振荡？为什么只有在某些特定的反射极电压数值时才有输出功率（存在着分立的振荡模）？为什么能够对反射式速调管进行电子调谐和机械调谐？

……为了回答这些问题，下面介绍反射式速调管的工作原理

反射式速调管的工作原理

电子的运动过程和能量转换要研究振荡的产生，就必须分析速调管中电子的运动过程和能量转换机构。问题就在于：怎样把运动电子的动能变成微波振荡的能量？（1）怎样把密度均匀的电子流变成疏密相间的电子流（电子的密度调制）？（2）怎样使密集的电子团在通过栅网时正好受到微波电场的减速？即相位条件。上述的两点要求是通过反射极来实现的

在反射空间，距离S0、谐振腔电压V0和反射极电压VR合适的情况下，就有可能做到：围绕着群聚中心电子的密集电子团回到栅网时受到微波电场的最大减速，这样微波电场从运动电子挣得的能量最大。

振荡发生的两个条件1、位相条件如果把电子从离开栅网至回到栅网所需的时间叫做渡越时间（以τ表示），则与群聚中心电子的渡越时间τ0与微波振荡周期T满足下式：τ0=（n+3/4）T,n=1,2,3,…

时，电子流给出的功率最大，这一条件相当于振荡的位相条件。显然，振荡发生时下面两式同时成立：2、幅值条件第二个条件，即要求直流电子流大于某一最小电流（起始电流），也即i＞i0。相位条件和速调管内电子的运动轨迹电子渡越时间的测定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τ0同样由前一关系式计算：

利用实验数据，在我们的实验中可以观测到的四个振荡模，可以算出n、S。和

τ0。

两种方法：求解方程法和拟合直线法。（选做）n值与反射极电压的关系振荡模中心附近小范围内振荡频率与反射极电压成线性变化，斜率随n的增加而增大。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，我们采用下图实验线路。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为选频放大器（DH388A0型）；处于锯齿波调频状态时，A，B为示波器。实验内容

观测速调管的工作特性本实验将采用两种方法对速调管的特性进行观察研究。按正确步骤开启电源，先预热5分钟以上，然后加高压，使速调管处于最佳工作状态。先调节衰减器尽量衰减（确保后级电路工作于小功率状态），调节短路活塞、匹配螺钉和单螺调配器使晶体检波接头处的输出最大（处于灵敏接收状态）。接晶体检波头情况下，务必确保小功率。检波头拆下，接功率计时，可适当增加功率。第一种方法是动态观察法，采用这种方法直接在示波器上显示各个振荡模的形状，进行测量分析，直观方便。晶体检波头输出接示波器，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。第二种方法是逐点描述法（即静态法）方法是速调管工作于连续状态，晶体检波头拆下，接功率计，波长表测频率。逐点改变反射极电压，测量在不同反射极电压时振荡器的输出功率和振荡频率，这样就可以绘制出速调管的工作特性曲线，即P-VR曲线和f-VR曲线。这是一个比较精确的方法，但由于本实验所用的信号源中反射极电压调节范围较窄，用这种方法只能观察到很少几个振荡模，因而只适用于研究最佳振荡模的特性。在对系统调匹配，并适当调节可变衰减器使示数合适后，即可进行测量。注意波长计测频率后要尽快失谐！思考题和数据处理

1.怎样根据需要组合微波线路？2.学会使用波长表和功率计。3．画出几个振荡模的草图。