反射式速调管工作特性的研究反射式速调管工作特性的研究

试验七 反射式速调管工作特性的争论试验目的生疏和把握微波测试系统中各种常用设备的构造、原理及使用方法。了解反射式速调管的工作特性。微波的根底学问一、什么是微波微波是一种波长很短的电磁波，其波长在0.1毫米到１米之间。通常将微波划分为分米波、厘米波、毫米涉及亚毫米波这四个波段。亚毫米波又被称为超微波。依据电磁波长与频率之间的关系：fc，微波的频率在300GHz—300MHz之间，〔其中1MHz＝106Hz，1GHz＝109Hz〕。红外”波段毗邻，因而使微波具有与一般无线电涉及光波都不完全一样的特点，这样微波的争论方法和应用领域以及所用的传输系统、元件、器件和测量装置都与别的波段不同。二、微波的特点１．频率高。微波的频率比一般无线电波频率提高几个数量级，一些在低频段中并不显著的效应在微波波段就明显地表现出来。例如由于电子渡越时间〔一般为10-9秒〕与微波振荡周期相比已不行无视，因而在微波波段内不能使用一般的电子管，必需承受电子流与微波谐振回路相互交换能量的方式。产生微波信号的方式，不能承受“低频”电路中常用的Ｌ－Ｃ振荡回路，而必需由“谐振腔”来实现。另外，随着频率的增高，趋肤效应及传输线的辐射效应越趋严峻，因而沿用一般两线式传输线传输微波已不行能，而必需承受特别的传输线—波导管。２．波长短。微波的波长远小于一般宏观物体的尺寸〔如建筑物、船、飞机、等〕。这就使微波在空间的传播方面具有类似光波的特性—反射。因此就有可能将微波电磁场的能量集中在一个很狭窄的波束中，进展定向放射，它能透过地球上空的电离层向太空传播。３．微波的参数和测量技术是独特的。在低频电路中的根本参数是电压、电流、和频率，在微波系统中，电流、电压的概念已失去了精准的含义，而且根本无法直接测量，必需从三维空间场的理论着手，用“场”的观念，求解在肯定边界条件下，肯定介质填充的系统中的电磁场方程。因而在微波系统中主要参数为阻抗、波长和功率。微波阻抗是通过测量电场强度的相对值〔即：驻波比〕而得到的，波长的测量可使用校过刻度的波长计，而功率测量是将微波所产生的热效应转换成肯定的电能后去测量的。三、微波源用以产生小功率微波振荡的器件，通常有反射式速调管和体效应管两种，本试验所用微波源是以反射式速调管为振荡器件，为此对反射式速调管做一简洁介绍。1反射速调管一般由灯丝、阴极、加速极、谐振腔及反射极等几个局部组成。阴极经灯丝加热后，放射热电子。加速极的作用是使阴极放射出来的电子获得较高、较均匀的速度。谐振腔的作用有两个：一是用来对被加速后的均匀电子流进展“速度调制”，另一个功能是承受“群聚”后的电子流所供给的能量，使其建立并维持着周期性的高频振荡。反射极上加有一个对阴极而言是负的直流电压，对经过速度调制后的电子流来讲，它是一个减速场。URUURU0UsinωtmV-0-0 1阴极K谐振腔灯丝反射极R加速极G1U02K G G R1 2dDUR图1反射速调管的构造反射速调管工作原理

图2电子在各电场中的运动反射速调管工作时，电阴极放射出来的每一个电子都要越过几个不同的电场，下面争论一下电子在各个电场中的运动状况。如图2所示，在K－G1

空间。电场是均匀的，电子将做匀加速运动，在此空间电场对电子作功为：

WeEdeU0 (1)依据能量守恒，电子所获得的动能为：1002mV2eU00

(2)2eU0m2eU0m01

(3)电子在K－G1

空间的平均速度为 V2 0

，因此电子从K运动到1

的时间为：t d 1V

2d2eU (4)2 0 m0由此可见，在无视了四周电场对电子所产生的影响后，每个电子从阴极K动身到达下栅极G1

的过程中，都具有一样的速度，用了一样的时间。因此可以认为，进入谐振腔中的是均匀的电子流。经过加速而到达很高速度的电子束，通过谐振腔的两栅间时，由于电子热骚动等缘由，谐振腔中存在一个微弱、杂乱的电磁场，由于谐振腔的谐振作用，其中有某一频率u=um

sin t，则速度均匀的电子流将在谐振腔内被“调速”。如图3所示，在t时刻进入谐振腔的电子要被加速，其速度要大于原来的V，在1t时刻进入谐振腔的电子仍按原来的速度V2

t3

0时刻进入谐振腔的电子将被减速，其速度将小于V，经过速度调制后的电子，DD3T4t1 2tt3t4t5tn从谐振腔的上栅极G2

出射后，就进入了“群聚空 RR间”。在反射极U的作用下，这些“速度调制”R2而在t－t时间内发出的电子可能在折回过程中 G t21 3 UU聚合成一个稠密的电子束，并且它正好落在谐振U腔内。假设电子束的渡越时间适宜，当它回到谐 m振腔时恰巧落在交变电压的正电场处，它对电子 t是起减速作用，因而电子束速度就被减慢下来，将能量传给谐振腔，假设腔的固有频率和交变电压频率全都，就会产生谐振，于是这个由电流脉 图3电子流在谐振腔内的“调速”冲激起的振荡得以维持下去，便可成为肯定的微波功率输出。假设电子束在正电场的最大时回到腔内，则速调管产生的微波功率最大，在其它场值下，则产生的微波功率不等；假设电子束是在交变电压的负电场时进入腔内，则电子束就被吸取，不会有微波输出。由上可见，微波的产生与“会聚”电子束在群聚空间内的渡越时间有关，假设把电子从离开栅网起至回到栅网所需要的时间—渡越时间用来表示，则当与微波振荡周期满足下式：(n

,4

(5)则电子流给出功率最大，明显渡越时间 与电子的电量e、质量m、反射空间的距离D、RUR

以及谐振腔电压U0

有关，它们满足以下关系式：4DmUn4DmUn2eU U0 R利用(5)、(6)式，并留意到T1〔f为微波频率〕，则有：f

(6)4DmUn2eU U0 R4DmUn2eU U0 RR4R

(7)U0

U为某些值时才能产生振荡，而且对于肯定的U和R0和R

U会引起f的转变。值得指出的是，由(5)式可以看出微波振荡周期与电子渡越时间可以比较甚至还要小，这就是我们讲到的微波特点之一。反射速调管之所以能产生振荡，正是奇异地利用了这一特点。满足上述相位条件，只是说明振荡可能产生而不是肯定会产生，假设直流的电子流振荡就不会发生。因此，要使振荡发生，还需要其次个条件，要求直流电子流大于某一最小电流〔起始电流〕即：ii0这一条件相当于振荡的幅值条件。起始电流i0

(8)与电路以及外负载有关，并与(n3)成4比例。当满足振荡的相位条件和幅值条件时，微波振荡就发生。试验时可以通过调不同的RU4RR及振荡频率与反射极电压的关系曲线。对应于U的一系列工作区称为振荡模。RPP0P20PP0P20ff2f0-UfR10-UR0-URfP图4f-UP-UR R

图5电子调谐斜率反射速调管的频率特性a．电子调谐宽度 f在给定的振荡区内，频率f和输出功率P都随反射极电压的变化而变化。在给定振R荡模的中心，输出功率最大。随着反射极电压U负值的增加。工作频率增加，但输出功R率下降当输出功率下降到最大输出功率一半时所得的两个振荡频率之差 f叫做电子调谐宽度，如图5所示。作为使用者来说，期望电子调谐宽度越宽越好。b．电子调谐斜率R在振荡区中心的一很小范围内，反射极电压V每变化1伏所引起的振荡频率变化R的数值称为电子调谐斜率。由图5可以看出，在振荡中心一个小范围内振荡频率f随反R射极电压VR不同的。但差异较小。由于管子的用处不同，对斜率的要求也不同。例如作为调制器用，期望斜率大一些，而作为本机振荡器用，则期望斜率小一些。由于斜率小振荡就会相对稳定，这样对电源的稳定度要求就可以相应的降低一些。反射速调管的调制-UR反射速调管的调制有两种形式，一种是对输出幅度进展调制，称为“调幅”，另一种是对输出频率进展调制称“调频。f f-UR无论是“调幅”或“调频”，均需在反射极上加肯定的调制电压。 f幅度调制 0

f t0 附加调频例如在反射极上加一方波，就得到 P P了幅度调制如图6所示。当方波前沿较差时，则在幅度调制的同时还会消灭附 调幅0加的频率调制，见图6中虚线局部，调制幅度太大时，有可能同时跨在反射速 tt1

-U0 tttR 12

ttt t4563调管的两个振荡区域上，必将消灭两个 t235t振荡频率，调制幅度太小，则输出功率 t45t将会减小。因此在幅度调制过程中，掌 t6握正确的调制方法是格外重要的。 t频率调制一般地说，除了抱负的方波外，任何波形的调制电压均可得到频率调制。

图6幅度调制通常在进展频率调制时使用锯齿电压， f ft见图7。使用锯齿波电压对频率进展调 -U 调频tR制还能使用示波器直接观看到各个振荡 f0 f0R区域的外形。 P P四、微波元件在微波试验中，除波导、速调管外

附加调幅还需要其它波导元件，现择主要者介绍 0 -U0R

ttttt t12345如下： t１．全匹配负载：它是能全部吸取 t1t2沿波导传输来的微波功率使其无反射的 t3t4终端装置。应用全匹配负载是为了免除 5微波向空间辐射、对其它仪器的感应以及在测量中作为匹配标准等。 t２．可变衰减器：可变衰减器也是 图7频率调制一段波导，其构造是沿波导轴方向上放置一由吸取材料制成的薄片，当薄片位置由窄壁移至宽壁中间时，电场得到衰减。它用来降低波导中的微波电压和起“去耦”作用。３．隔离器：它利用铁氧体材料的高频特性，在外加永磁场作用下，可使微波沿正向通过隔离器时，波的衰减小，而反向时则衰减很大。其作用可除去负载对振荡器工作稳定性的影响。隔离器也称单向衰减器。４．短路活塞：装置波导终端。活塞在波导上的位置可以调整，通常应用在鼓励器和探测器内实现微波匹配，使活塞外表处正好是电压波节，可减小传输损耗。５．晶体检波器：它是检测弱微波功率的元件。应用一个灵敏的晶体二极管，依据整流后所测出的电流值可以简洁地估量微波的功率值。６．谐振腔波长计：它是利用谐振腔作为谐振系统，并用机械构造进展调谐，当谐振时，机械构造尺寸打算被测的微波频率。波长计与被测微波系统相联的方法，分通过型和吸取型两种。现只介绍吸取式波长计的工作原理。将波长计与微波传输波导耦合，当调谐时，波长计吸取微波的能量最大，使检测器所量出的功率突然减小，示数最小时所对应的波长计读数〔查表知对应频率〕即为被测微波频率值。试验装置试验装置如图8。试验步骤观看速调管各个振荡模。按试验装置图连结好试验仪器，按速调管电源使用说明，接通电源，转变反射极电4。测定每个振荡区域中对应于最大输出功率的U、f和p(I)值。调整反射极电压U

R，找出每个振荡区域，分别测出对应于最大输出功率的U、fR Rp(I)值。R、R制作最正确振荡区域中U f UR、R谐宽度 f以及电子调谐斜率 。

p(I)曲线，并由绘制的曲线中求出电子调在最正确区域中，连续变化U

，观看电流变化，记录15组以上U

、fI的数值，U

f，U

RI曲线，并由曲线中求出 f及 。〔U

RIU

P曲线R 1 R R R相像〕用示波器观看速调管动态特性。将示波器接入装置中，分别在反射极上加方波或锯齿波调制电压，适当调整这