11反射式速調(diào)管的工作特性和波導(dǎo)管的工作狀態(tài)

1、微波實驗一：反射式速調(diào)管的工作特性和波導(dǎo)管的工作狀態(tài)魯東大學(xué)近代物理實驗室 2008/04/14一、微波基礎(chǔ)知識： 微波技術(shù)是近代發(fā)展起來的一門尖端科學(xué)技術(shù)，它不僅在通訊、原子能技術(shù)、空間技術(shù)、量子電子學(xué)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面有著廣泛的應(yīng)用，在科學(xué)研究中也是一種重要的觀測手段，微波的研究方法和測試設(shè)備都與無線電波的不同。從圖1可以看出，微波的頻率范圍是處于光波和廣播電視所采用的無線電波之間，因此它兼有兩者的性質(zhì)，卻又區(qū)別于兩者。與無線電波相比，微波有下述幾個主要特點圖1 電磁波的分類 1波長短(1m 1mm)：具有直線傳播的特性，利用這個特點，就能在微波波段制成方向性極好的天線系統(tǒng)，也可以收到地面

2、和宇宙空間各種物體反射回來的微弱信號，從而確定物體的方位和距離，為雷達定位、導(dǎo)航等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用。 2頻率高：微波的電磁振蕩周期(10-9一10-12s)很短，已經(jīng)和電子管中電子在電極間的飛越時間(約10-9s)可以比擬，甚至還小，因此普通電子管不能再用作微波器件(振蕩器、放大器和檢波器)中，而必須采用原理完全不同的微波電子管(速調(diào)管、磁控管和行波管等)、微波固體器件和量子器件來代替。另外，微波傳輸線、微波元件和微波測量設(shè)備的線度與波長具有相近的數(shù)量級，在導(dǎo)體中傳播時趨膚效應(yīng)和輻射變得十分嚴重，一般無線電元件如電阻，電容，電感等元件都不再適用，也必須用原理完全不同的微波元件(波導(dǎo)管、波導(dǎo)

3、元件、諧振腔等)來代替。 3微波在研究方法上不像無線電那樣去研究電路中的電壓和電流，而是研究微波系統(tǒng)中的電磁場，以波長、功率、駐波系數(shù)等作為基本測量參量。 4量子特性：在微波波段，電磁波每個量子的能量范圍大約是10-610-3eV，而許多原子和分子發(fā)射和吸收的電磁波的波長也正好處在微波波段內(nèi)。人們利用這一特點來研究分子和原子的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了微波波譜學(xué)和量子電子學(xué)等尖端學(xué)科，并研制了低噪音的量子放大器和準確的分子鐘，原子鐘。(北京大華無線電儀器廠) 5能穿透電離層：微波可以暢通無阻地穿越地球上空的電離層，為衛(wèi)星通訊，宇宙通訊和射電天文學(xué)的研究和發(fā)展提供了廣闊的前途。綜上所述微波具有自己的特點，不論

4、在處理問題時運用的概念和方法上，還是在實際應(yīng)用的微波系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)上，都與普通無線電不同。微波實驗是近代物理實驗的重要組成部分。二、反射式速調(diào)管的工作特性和波導(dǎo)管的工作狀態(tài) 反射式速調(diào)管是一種微波電子管，一般用作實驗室的小功率微波振蕩器，或者用作微波接收機的本機振蕩器。反射式速調(diào)管是實驗室使用的微波信號源的核心部分。熟悉速調(diào)管的原理、結(jié)構(gòu)、工作特性和使用方法，是正確使用微波信號源的基礎(chǔ)。 微波的振蕩周期與電子的渡越時間可以比擬，甚至還要小，使得普通電子管在微波波段不能使用；而反射式速調(diào)管正是利用微波這一特點而設(shè)計成的微波振蕩管。測量速調(diào)管中電子的渡越時間，可以加深對速調(diào)管工作原理的理解。 微

5、波在波導(dǎo)管中的傳播情況，可以歸結(jié)為三種狀態(tài)：匹配狀態(tài)、駐波狀態(tài)和混波狀態(tài)。觀測這三種狀態(tài)，有助于熟悉匹配、反射和駐波等概念。 波導(dǎo)中波傳播的相速度大于光速C。通過測量波導(dǎo)波長和頻率的方法來決定相速度、群速度和光速，不僅提供一種測量光速的簡便方法（有四位有效數(shù)字），而且可以進一步明晰微波在波導(dǎo)管中傳播的物理圖像。本實驗的目的要求是:1. 熟悉反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)、特性和使用方法及波導(dǎo)管的三種工作狀態(tài)，并掌握微波的三種基本測量；2. 測量反射式速調(diào)管中電子渡越時間及波導(dǎo)管中波傳播的相速度、群速度和光速。一、原理 速調(diào)管的工作特性l速調(diào)管的結(jié)構(gòu)、特性和使用方法 反射式速調(diào)管主要由陰極、諧振腔和反射極三

6、部分組成（原理結(jié)構(gòu)圖參看圖015和圖016）。從陰極飛出的電子被諧振腔上的正電壓加速，穿過柵網(wǎng)。在反射極反向電壓的作用下，運動電子返回柵網(wǎng)。當滿足一定條件時，在諧振腔中產(chǎn)生微波振蕩，微波能量由同軸探針輸出。反射式速調(diào)管 K-27常用于3 Cm波段，圖中給出了其結(jié)構(gòu)圖。圖中調(diào)諧螺釘?shù)淖饔檬峭ㄟ^改變諧振腔兩個柵網(wǎng)的距離來改變調(diào)諧頻率。圖 015反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)原理圖 圖 016反射式速調(diào)管 K-27 的結(jié)構(gòu)圖左圖017反射式速調(diào)管K-27的特性曲線左圖018電子調(diào)諧范圍（陽極電壓 V0=300V,波長=3.2Cm） 反射式速調(diào)管的特性曲線（在一定的陽極電壓情況下，輸出功率P以及振蕩頻率f與反射極

7、電壓VR的關(guān)系曲線）如圖017所示，由圖可以看出下列特性：具有分立的振蕩模；改變反射極電壓會引起微波功率和頻率的變化；存在最佳振蕩模；各個振蕩模的中心頻率相同等等?？蓺w納為：（l）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，只有在某些特定值才能振蕩。每一個有振蕩輸出功率的區(qū)域，叫做速調(diào)管的振蕩模，n表示振蕩模的序號。（2）對于每一個振蕩模，當反射極電壓VR變化時，速調(diào)管的輸出功率P和振蕩頻率f都隨之變化。在振蕩換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，叫做最佳振蕩模（圖017中n3的振蕩模）。為了使速調(diào)管具有最

8、大的輸出功率和穩(wěn)定的工作頻率，通常使速調(diào)管工作在最佳振蕩模的中心反射極電壓上。（4）各個振蕩模的中心頻率相同，（為什么？想想振蕩模的中心頻率決定于什么？）通常稱為速調(diào)管的工作頻率。調(diào)整反射式速調(diào)管的振蕩頻率有兩種方法：“電子調(diào)諧”和“機械調(diào)諧”。用改變反射級電壓來實現(xiàn)振蕩頻率變化的方法，稱為“電子調(diào)諧”（可使頻率小范圍內(nèi)變化，一般f0.005f0）。一個振蕩模的半功率點所對應(yīng)的頻率寬度，稱為該振蕩模的“電子調(diào)諧范圍”（圖018中的），半功率點所對應(yīng)的頻率寬度的比值稱為“平均電子調(diào)諧率”。要使速調(diào)管的頻率有較大的變化，可以通過慢慢轉(zhuǎn)動調(diào)諧螺釘（圖016）改變諧振腔的大小來實現(xiàn)，這種方法稱為“機械

9、調(diào)諧”。反射式速調(diào)管的工作狀態(tài)一般有三種：（）連續(xù)振蕩狀態(tài)：就是我們在上面討論過的工作狀態(tài)，亦即在反射板上不加任何調(diào)制電壓，調(diào)節(jié)反射極電壓使反射式速調(diào)管處在最佳工作狀態(tài)（在最佳振蕩模的最大輸出功率處，具有較好的功率和頻率穩(wěn)定性）。（）方波（或矩形脈沖）調(diào)幅狀態(tài)：圖019表示反射式速調(diào)管在方波調(diào)幅時的特性。為了獲得純粹的調(diào)幅振蕩，避免引起附加的調(diào)頻，調(diào)制電壓必須為嚴格的方波，而且要選擇合適的反射極電壓（直流工作點），使調(diào)制波形的一個半周處在兩個振蕩模的不振蕩區(qū)域內(nèi)，而另一個半周處在振蕩模的功率最大點。在實驗中是這樣做的：先使速調(diào)管處在連續(xù)振蕩的最佳位置，當從連續(xù)狀態(tài)變到調(diào)幅狀態(tài)時，調(diào)節(jié)方波的幅度

10、使得輸出功率為連續(xù)狀態(tài)的一半，此時的調(diào)制幅度為合適。圖019 反射式速調(diào)管在方波調(diào)幅時的特性 圖020 反射式速調(diào)管在鋸齒調(diào)頻時的特性當速調(diào)管處在調(diào)幅工作狀態(tài)時，在微波測量線路中配合使用測量放大器，可以提高測量靈敏度。（）鋸齒波（或正弦波）調(diào)頻狀態(tài)：圖020表示反射式調(diào)速管在鋸齒波調(diào)頻時的特性。速調(diào)管反射極電壓的直流工作點選擇在某一振蕩模的功率最大點，亦即選在頻率變化曲線的當中，當鋸齒波的幅度比振蕩模的寬度小得多時，可以得到近似直線性的調(diào)頻信號輸出，而附加的調(diào)幅很小。當速調(diào)管處在調(diào)頻工作狀態(tài)時，可用示波器觀測微波系統(tǒng)的動態(tài)特性。反射式速調(diào)管的工作原理圖 0 21 反射式速調(diào)管內(nèi)電子的運動軌跡

11、為什么反射式速調(diào)管會產(chǎn)生微波振蕩？為什么只有在某些特定的反射極電壓數(shù)值時才有輸出功率（存在著分立的振蕩模）？為什么能夠?qū)Ψ瓷涫剿僬{(diào)管進行電子調(diào)諧和機械調(diào)諧？，為了回答這些問題，這里簡單介紹反射式速調(diào)管的工作原理。 要研究振蕩的產(chǎn)生，就必須分析速調(diào)管中電子的運動過程和能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)。 參看圖021，從陰極飛出的電子被諧振腔上的正電壓所加速，這時直流電源的能量轉(zhuǎn)化為真空中運動電子的動能。問題就在于：怎樣把運動電子的動能變成微波振蕩的能量？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)生了一個微弱的微波電場。穿過柵網(wǎng)的電子受到微波電場的作用，可能受到

12、加速或減速，速度發(fā)生變化，亦即電子受到速度調(diào)制。在正半周內(nèi)電子被微波電場加速，微波電場把能量傳給電子；在負半周內(nèi)電子被微波電場減速，微波電場從電子取得能量。因為電子是均勻連續(xù)地從陰極發(fā)出的，所以在正半周內(nèi)電子取得的能量等于負半周內(nèi)電子失去的能量?？偲饋碚f，微波電場凈得的能量為零，微波振蕩不發(fā)生。為了產(chǎn)生振蕩，必須在加速的半周內(nèi)，使電子完全不通過間隙，或者通過的電子數(shù)比減速的半周時為少。那么，關(guān)鍵就在于：（1）怎樣把密度均勻的電子流變成疏密相間的電子流（電子的密度調(diào)制）？（2）怎樣使密集的電子團在通過柵網(wǎng)時正好受到微波電場的減速？上述的兩點要求是通過反射極來實現(xiàn)的。為了解釋電子團的形成，讓我們來

13、研究四個在不同時刻飛過柵網(wǎng)的電子的運動并畫出它們運動的空間時間圖（圖021）：電子1通過柵網(wǎng)時，微波電場=0，速度不變，進入反射空間，到達反射平面（假想的）后返轉(zhuǎn)；電子2通過柵網(wǎng)時，微波電場=max，受到加速，越過反射平面后返轉(zhuǎn)；電子3通過柵網(wǎng)時速度不變，進入反射空間到達反射平面后返轉(zhuǎn)；電子4通過柵網(wǎng)時，微波電場=max，受到減速，未到達反射平面就返轉(zhuǎn)。電子3成為群聚中心，它的運動軌跡如圖021中的粗線所示。在反射空間，距離S0、諧振腔電壓V0和反射極電壓VR合適的情況下，就有可能做到：圍繞著群聚中心電子的密集電子團回到柵網(wǎng)時受到微波電場的最大減速，這樣微波電場從運動電子掙得的能量最大。如果把

14、電子從離開柵網(wǎng)至回到柵網(wǎng)所需的時間叫做渡越時間（以表示），則與群聚中心電子的渡越時間0與微波振蕩周期T滿足下式：0=（n+3/4）T, n=1,2,3, （019）時，電子流給出的功率最大，這一條件相當于振蕩的位相條件。顯然，渡越時間0與電子的電量e，和質(zhì)量m、反射空間的距離S。、反射極電壓VR以及諧振腔電壓V0等有關(guān)，它們滿足下式： （020）群聚中心電子在反射空間中的運動，就好像在重力場中鉛直上拋小球的運動一樣。感興趣的話可推導(dǎo)一下上式。利用式（019）、（020），并注意到T=1/f (f 位微波頻率)，我們有上式表明：只有V。和為某些值時才能產(chǎn)生振蕩，而且對于一定的n和V0，改變VR會

15、引起 f的改變，因此反射式速調(diào)管具有如圖 017所示的工作特性曲線，從而也就不難解釋本節(jié)開始時提出的那些問題。值得指出的是，由式（019）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，這就是我們在本單元引言中講到的微波特點之一。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。滿足了位相條件，只是說明振蕩可能產(chǎn)生而不是一定會產(chǎn)生。如果直流的電子流太小，由群聚中心電子團所能傳遞給微波電場的功率不足以克服電路和負載中的損耗時，振蕩就不發(fā)生。因此，要使振蕩發(fā)生，還需要第二個條件，即要求直流電子流大于某一最小電流（起始電流），也即ii0。這一條件相當于振蕩的幅值條件，起始電流i0與電路及

16、外負載有關(guān)，并與（n 34）成比例。 式（019）、（020）就是振蕩的位相條件和幅值條件，當這兩個條件都滿足時，微波振蕩常常會發(fā)生。 使用速調(diào)管振蕩器時要注意愛護儀器，熟悉儀器面板上各個開關(guān)、旋鈕的作用，并采取正確的使用方法（注意施加電壓的步驟和各極電壓的極限值）。2電子渡越時間的測定（選做） 測量速調(diào)管中電子的渡越時間，可以加深對速調(diào)管工作原理的理解。群聚中心電子的渡越時間0由下列關(guān)系式?jīng)Q定： (n=1,2,3, ) 這里，是相應(yīng)的模中心反射極電壓。以上兩式中含有兩個未知量：n（振蕩模的序號，參看圖 017）和 S。（反射空間距離）。利用實驗數(shù)據(jù)（在我們的實驗中可以觀測到四個振蕩模）和下式

17、 （11）可以算出n和S。下面介紹兩種方法。 （1）求解方程法 式（l一1）中含有兩個未知量，原則上有兩個方程聯(lián)立即可求解。由四個振蕩模的數(shù)據(jù)可以列出四個方程，兩兩組合解出n和S。，再求平均值作為測量結(jié)果。 （2）擬合直線法 將式（ll）變成直線方程yabx其中 x（V。）-1當式（ll）中的n取值為n，n1，n2，n3時，相應(yīng)有 y l， 2， 3， 4 a = 0.25n， （12）利用計算器可以求出截距a、斜率b和相關(guān)系數(shù)r。 已知電子電量e1.602×10-19C，質(zhì)量m9.109×10-31kg，由試驗數(shù)據(jù)V。，f0以及a，b，可由式（1一2）求出n和S。，從而算

18、出群聚中心電子的渡越時間0。測量結(jié)果表明，渡越時間和微波振蕩周期可以比擬，甚至還要小。（三）波導(dǎo)管的工作狀態(tài)l.波導(dǎo)管中波的傳播特性 一般說，波導(dǎo)管中存在入射波和反射波。描述波導(dǎo)管中匹配和反射程度的物理量是駐波比或反射系數(shù)。由于終端情況不同，波導(dǎo)管中電磁場的分布情況也不同，可以把波導(dǎo)管的工作狀態(tài)歸結(jié)為三種狀態(tài)：匹配狀態(tài)、駐波狀態(tài)和混波狀態(tài)，它們的電場分布曲線分別圖 06 電場隨l 而變的分部曲線如圖 06所示。在匹配狀態(tài)，由于不存在反射波，所以電場 ； 在駐波狀態(tài)，終端發(fā)生全反射，所以在駐波波腹處，駐波波節(jié)處 ；在混波狀態(tài)，終端是部分反射，所以， 。 我們知道，波導(dǎo)管中的波導(dǎo)波長g。大于自由空

19、間波長。由于 Cf， vg=gf式中c為光速, vg為相速度?？梢姴ㄔ诓▽?dǎo)管中傳播的相速度vg大于光速c。顯然，任何物理過程都不能以超過光速的速度進行，理論分析表明，相速度只是相位變化的速度，并不是波導(dǎo)管中波能量的傳播速度（即群速度。），因此相速度可以大于光速。矩形波導(dǎo)管中TE10波的物理圖像為：一個以入射角（cos-1（2a）射向波導(dǎo)管窄壁的平面波，經(jīng)過窄壁的往復(fù)反射后，由入射波和反射波疊加而成TE10波。由此可見，波沿波導(dǎo)管軸傳播的相速度vg自然要比斜入射的平面波傳播速度c來得大。由相速度vg、群速度u和光速c的關(guān)系式 vgu=c2可以看出波能量沿波導(dǎo)管軸傳播的速度（群速度u）小于光速。實

20、驗中，我們通過測量波導(dǎo)波長g和頻率f來決定光速c、相速度vg和群速度u。 2駐波測量線的調(diào)整、使用和駐波測量 駐波測量線是微波實驗室不可缺少的基本儀器，可利用它來進行多種微波參量的測量。因此，我們要熟悉駐波測量線的結(jié)構(gòu)，掌握它的正確使用方法（如調(diào)整探針有合適穿伸度、調(diào)諧、晶體檢波律等），并利用它來測量駐波比和波導(dǎo)波長。我們說過，“調(diào)節(jié)匹配”是微波測試中必不可少的概念和步驟,怎樣把微波系統(tǒng)調(diào)到匹配狀態(tài)呢？按照駐波比的定義要降低，須把調(diào)小或把調(diào)大。在實驗中，可把駐波測量線的探針放在駐波極小點或極大點處，采用把調(diào)大或把調(diào)小的方法進行調(diào)配。如把探針放在極小點處，則調(diào)節(jié)接在測量線端點的調(diào)配元件，使探針的

21、輸出功率稍為增大（不要增大太多，否則會發(fā)生假象波形移動，這時極小點功率并不增大），然后左右移動探針，看看極小功率是否真正增大。這樣反復(fù)調(diào)配元件，使極小點功率逐步增大，直至達到最佳匹配狀態(tài)。 3晶體的檢波特性曲線和檢波律的測定（選做） 在測量駐波比時，駐波波腹和波節(jié)的大小由檢波晶體的輸出信號測出。晶體的檢波電流I和傳輸線探針附近的高頻電壓E的關(guān)系必須正確測定。根據(jù)檢波晶體的非線性特征，可以寫出 Ik1En （1一3）如駐波測量線晶體檢波律n1稱為直線性檢波，n2稱為平方律檢波。n的數(shù)值可按下法測定。 令駐波測量線終端短路，此時沿線各點駐波振幅與終端距離l的關(guān)系為 （1一4）設(shè)以線上ll。處的電場

22、駐波波節(jié)為參考點，將探針由參考點向左移動，線上駐波電場值由零增大，而檢波電流I也相應(yīng)地由零增大，每一駐波電場值便有一相應(yīng)的檢波電流值。如果測量時不必知道檢波律n，我們由實驗測I（l），由式（ l 4）算出，直接畫出I的關(guān)系曲線，利用它可以由實際測得的檢波電流值找出相應(yīng)的駐波電場相對值，從而求出正確的駐波比（參看圖1l）。圖 11 晶體檢波器特性的測定如果需要知道檢波律n，可以由實驗測量在兩個相鄰波節(jié)之間的駐波曲線I（l），再利用下列關(guān)系式定出n： 其中l(wèi)為駐波曲線上IIm2兩點的距離, Im為波腹的檢波電流。上式不難由式（1一3）和（14）求得，同學(xué)可自行證明。二、實驗裝置考慮到觀測速調(diào)管工作

23、特性和波導(dǎo)管工作狀態(tài)的需要，以及熟悉常用微波元件和掌握三種基本測量的要求，我們采用圖l2的實驗線路。圖 12實驗線路 速調(diào)管電源提供陽極電壓、反射極電壓和燈絲電壓，有的還提供反射極的調(diào)制電壓（方波調(diào)制和鋸齒波調(diào)制）。 參考型號： WY19A型速調(diào)管電源。(北京大華無線電儀器廠) 速調(diào)管一般采用 K一27型反射式速調(diào)管，工作頻率為86009600MHz。整個微波測量線路由3cm波段波導(dǎo)元件組成，其主要元件為隔離器（GLX2型）、波長計（BD1/035A型）和駐波測量線（DH364A00型）。 當速調(diào)管處在連續(xù)狀態(tài)時，指示器A，B為光點檢流計或檢波指示器；處于方波調(diào)幅狀態(tài)時，A，B為測量放大器（D

24、H388A0型）；處于鋸齒波調(diào)頻狀態(tài)時，A，B為示波器。當用示波器觀測速調(diào)管的振蕩模時，對速調(diào)管進行鋸齒波調(diào)頻，并將鋸齒波輸?shù)绞静ㄆ鞯腦輸入端，終端的晶體檢波接頭輸?shù)結(jié)輸入端。圖 12實驗線路中，可以通過調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器來改變駐波測量線的終端情況，觀測波導(dǎo)管的三種工作狀態(tài)，也可以去掉單螺調(diào)配器以后各個元件，在駐波測量線終端接上可變電抗器（短路活塞）來觀測駐波狀態(tài)，或接上匹配負載來觀測匹配狀態(tài)。三、實驗內(nèi)容（一）觀測速調(diào)管的工作特性 1.觀測速調(diào)管的各個振蕩模按正確步驟開啟電源，使速調(diào)管處于最佳工作狀態(tài)。調(diào)節(jié)短路活塞、匹配螺釘和單螺調(diào)配器使晶體檢波接頭的輸出最大。改變反射極電壓，觀測速調(diào)管各個振蕩模（要求：VR從-3