近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-微波原理

近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告一微波原理【摘要】本實(shí)驗(yàn)通過研究反射式速調(diào)管產(chǎn)生微波的工作特性，觀察微波輸出功率P以及振蕩頻率f隨反射極電壓Ur的變化曲線，并測(cè)得終端分別為全匹配負(fù)載、晶體檢波器和短路時(shí)的駐波比，我們了解了微波的產(chǎn)生和測(cè)量的基本知識(shí)【關(guān)鍵詞】微波、速調(diào)管、駐波比一、 引言微波是頻率非常高，波長非常短的電磁波，其頻率范圍的劃分并無統(tǒng)一的規(guī)定，通常將波長范圍為0.1cm到100cm（相應(yīng)頻率為3X108-3X10iiHz）的電磁波劃為微波波段。微波的波長決定了它的性質(zhì)既不同與無線電波，也不同與光波，其獨(dú)特的性質(zhì)主要體現(xiàn)在四方面：1）高頻特性，2）短波性，3）似光性，4）量子特性。微波的應(yīng)用領(lǐng)域、研究方法和所用的傳輸元件、測(cè)量裝置都與別的波段的電磁波不同而自成體系，微波技術(shù)發(fā)展迅速，在許多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。常用的小功率微波振蕩器有反射式速調(diào)管和體效應(yīng)管振蕩器，本實(shí)驗(yàn)用的是前者。二、 實(shí)驗(yàn)原理1、反射式速調(diào)管反射式速調(diào)管是利用運(yùn)動(dòng)的電子將直流電源能量轉(zhuǎn)換為高頻振動(dòng)能量的器件，是實(shí)驗(yàn)室中常用的小功率微波信號(hào)源。（1）速調(diào)管的工作原理反射式速調(diào)管由陰極部分、諧振腔和反射極三部分組成。陰極部分發(fā)射電子形成電子束，諧振腔類似于LC振蕩電路，相對(duì)于陰極有正電位，電子在柵網(wǎng)間來回運(yùn)動(dòng)形成振蕩電流，進(jìn)而形成振蕩電場，圓環(huán)就產(chǎn)生相應(yīng)的磁場。諧振腔反過來對(duì)電子速度進(jìn)行調(diào)制。反射極相對(duì)于陰極有負(fù)電位，將穿過柵網(wǎng)的電子阻擋回去。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(gè)柵網(wǎng)間產(chǎn)生了一個(gè)微弱的微波電場。穿過柵網(wǎng)的電子受到微波電場的作用，可能受到加速或減速，速度發(fā)生變化。在正半周內(nèi)電子被微波電場加速，微波電場從電子取得能量。因?yàn)殡娮邮蔷鶆蜻B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(fù)半周內(nèi)電子失去的能量?？偲饋碚f微波電場得到的能量為零，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(shí)少。關(guān)鍵就在于要把密度均勻的電子流變成疏密相間的電子流，同時(shí)要讓密集的電子團(tuán)在通過柵網(wǎng)時(shí)正好受到微波電場的減速。上述的兩點(diǎn)要求是通過反射極來實(shí)現(xiàn)的。電子從陰極均勻連續(xù)地發(fā)出，經(jīng)加速極加速獲得足夠能量，當(dāng)電子穿越諧振腔柵網(wǎng)時(shí)，在腔中激起感應(yīng)電流脈沖，產(chǎn)生了電磁振蕩，即在兩個(gè)柵網(wǎng)間產(chǎn)生了一個(gè)微弱的微波電場。穿過柵網(wǎng)的電子將受到微波電場的作用。其速度受到微波場的調(diào)制，當(dāng)微波場為+8max時(shí)，通過柵網(wǎng)的電子獲得能量被加速，在反射空間經(jīng)過較長距離才被反射回柵網(wǎng)，如圖1中1。圖1反射式速調(diào)管電子運(yùn)動(dòng)圖當(dāng)微波場為-￡ma時(shí)寸，通過柵網(wǎng)的電子被減速，如圖1中3,當(dāng)微波場為0時(shí)，電子速度不變，被反射極反射回柵網(wǎng)如圖1中2,選擇合適的反射極電壓?,,可使不同時(shí)間通過柵網(wǎng)的電子同時(shí)回到柵網(wǎng)形成所謂群聚現(xiàn)象。顯然，微波場為0時(shí)，通過柵網(wǎng)的電子成為群聚中心。要使諧振腔內(nèi)微波場持續(xù)的振蕩并輸出最大的微波功率，必須使圍繞群聚中心電子的電子群回到柵網(wǎng)時(shí)受到微波場的最大減速使微波場從運(yùn)動(dòng)電子中獲得最大的能量。在反射空間，距離S。、諧振腔電壓U0和反射極電壓氣合適的情況下，就有可能做到：圍繞著群聚中心電子的密集電子團(tuán)回到柵網(wǎng)時(shí)受到微波電場的最大減速這樣微波電場從運(yùn)動(dòng)電子凈得的能量最大。如果把電子從離開柵網(wǎng)至回到柵網(wǎng)所需的時(shí)間叫做渡越時(shí)間70,則當(dāng)群聚中心電子的渡越時(shí)間70與微波振蕩周期T滿足, 3、一…八10=（n+4）T，n=0，1，2...（1）m、

4代如。2°質(zhì)量土射及電壓匕、以及諧振腔電壓匕等有關(guān)，它們滿足下式（2）時(shí)，電子流給出的功率最大，這一條件相當(dāng)于振蕩的位相條件，其中T為微波振蕩周期。渡越時(shí)間m、

4代如。2°質(zhì)量土射及電壓匕、以及諧振腔電壓匕等有關(guān)，它們滿足下式（2）由（1）（2）兩式得片”=n+3（3）0Ir|此處，f=1T為微波震蕩頻率。（2）速調(diào)管的工作特性

由（3）式可知，當(dāng)〃o固定時(shí)，只有對(duì)某些特定的^火值才能產(chǎn)生震蕩。當(dāng)〃0及n皆固定時(shí)，Ur的小變化，必然引起f的小變化。反射式速調(diào)管的特性曲線如圖2所示。P（冊(cè)）圖2速調(diào)管輸出功率特性曲線速調(diào)管的輸出功率具有以下特點(diǎn)：1） 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，Ur只有為某些特定值速調(diào)管才有微波輸出，每一個(gè)輸出功率的區(qū)域叫做一個(gè)振蕩模。2） 對(duì)于每一個(gè)振蕩模，當(dāng)反射極電壓Ur變化時(shí)，速調(diào)管的輸出功率P和振蕩頻率f都隨之變化；在振蕩模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） 不同振蕩模輸出功率不同，輸出功率最大的振蕩模叫最佳振蕩模（圖2中n=3的振蕩模）。為了使速調(diào)管具有最大的輸出功率和較穩(wěn)定的工作頻率，通常要求速調(diào)管工作在最佳振蕩模中心的反射極電壓上。（3）反射式速調(diào)管的三種工作狀態(tài)：1） 連續(xù)振蕩狀態(tài)：Ur恒定，輸出連續(xù)、等幅、單頻的微波振蕩。2） 調(diào)幅狀態(tài)：Ur疊加理想方波電壓，方波幅值變化，輸出功率亦變化。3） 調(diào)頻狀態(tài)：Ur疊加鋸齒波。圖3（a）表示反射式速調(diào)管在方波調(diào)幅時(shí)的特性，圖3（b）表示反射式速調(diào)管在鋸齒波調(diào)頻時(shí)的特性。圖3（a）方波調(diào)幅 圖3（b）鋸齒波調(diào)頻2、微波的傳輸一一波導(dǎo)管波導(dǎo)管是一種空心金屬管，常見的波導(dǎo)管有矩形和圓柱形兩種。在波導(dǎo)管中能夠傳播的電磁波可以歸

納成兩大類。其一為橫電波（或磁波），簡寫為TE波（或H波），磁場可以有縱向和橫向的分量，但電場只有橫向分量；其二為橫磁波（或電波），簡稱^TM波（或E波）。它的電場可以有縱向和橫向的分量，但磁場只有橫向分量。至于電場和磁場的縱向分量都不為零的電磁波則可以看成由橫電波、橫磁波迭加而成。在實(shí)際應(yīng)用中，總是把波導(dǎo)管設(shè)計(jì)成只能傳輸單一波型?，F(xiàn)在使用的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管中，都只能傳播TE10波。考慮一個(gè)橫截面為ab的矩形波導(dǎo)管其管壁為理想導(dǎo)體，則管內(nèi)沿著Z軸傳播的TE10波的各個(gè)分量可以寫W77-PW77-PX,■-E=Esin——ei(wt-bz)^y?！?;Ex=Ez=°'口bpxHx=-wmE。sin;g頊⑷:丁。Pe PX??H=i Ecos——ei(wt-bz)：;zwma0 a其中，相位常數(shù)b=2p/1g波導(dǎo)波長lg=小-?。）2（截止波長）I。工a自由空間波長l=c/f對(duì)于臨界波長10=2a，只有波長l<l。的電磁波才能在波導(dǎo)管中傳播。電場矢量垂直于波導(dǎo)寬臂Ey,而磁場矢量在平行于波導(dǎo)寬臂的平面內(nèi)（H，H）。電磁場在x方向形成一個(gè)半駐波，而沿y方向是均勻的。電磁場振幅隨x、y的分布如圖4所示。 ?電力線 >磁力蝶.磁力線“朝著我們”*磁力線“背著我們”圖4TE1。波的電磁場結(jié)構(gòu)波導(dǎo)管的終端一般接有晶體檢波器或其他負(fù)載。當(dāng)入射的電磁波沒有全部被負(fù)載吸收，即所謂不匹配時(shí)，就有一部分波被反射。波導(dǎo)中的任何不均勻性也會(huì)產(chǎn)生反射波。一般說來，波導(dǎo)中同時(shí)存在著入射波Ei與反射波E，E與E會(huì)產(chǎn)生干涉，形成駐波。為描述駐波，引入反射系數(shù)與駐波比的概念。波導(dǎo)中某截面處的電場反射波與入射波之比稱為反射系數(shù)「=E叫(削〃==exp(-i2Pl)=「exp(—1201)⑸Eexp(iPl) E 0

其中’「廣R|exp伽），「。是終端的反射系數(shù)，中是在終端反射波與入射波的位相差。駐波比S定義為：r與s有如下關(guān)系:r與s有如下關(guān)系:E_!_Eymin1+r—0-1-r0（6）（7）當(dāng)微波功率全部為終端負(fù)載所吸收時(shí)（這種負(fù)載稱為“匹配負(fù)載”），波導(dǎo)中不存在反射波。r=00 ，S=1，傳播的是行波。當(dāng)波導(dǎo)終端是理想導(dǎo)體板時(shí)（微波技術(shù)中叫“終端短路”）形成全反射，因在終端處Ey=0，E=-E。此時(shí)r=1，ST3，于是IE|=2\Esinpl，這時(shí)波導(dǎo)中形成純駐波。在駐波波節(jié)處E\=0，駐波0 y 1 ymin波腹處|E =2|E|，這種狀態(tài)稱為駐波狀態(tài)。ymax 1一般情況下，波導(dǎo)中傳播的不是單純的行波和駐波，于是r°i<1， 一般情況下，波導(dǎo)中傳播的不是單純的行波和駐波，于是r°i<1， s>1。場分布是一個(gè)行波和一個(gè)駐波的疊加，稱為混波狀態(tài)。圖5給出波導(dǎo)在上述三種狀態(tài)下電場隨l而變化的分布曲線。圖5電場隨L而變的分布曲線3、微波的測(cè)量（1） 頻率的測(cè)量一一諧振式頻率計(jì)：頻率計(jì)于微波功率發(fā)生強(qiáng)烈的共振吸收，會(huì)使輸出功率明顯減小，由頻率計(jì)諧振腔長度可得到微波的頻率。（2） 功率測(cè)量一一晶體檢波器：晶體檢波器中的微波二極管將微波信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電信號(hào).檢波二極管用平方律檢波，即I次U2。（3） 駐波比的測(cè)量一一測(cè)量線：測(cè)量線的探針在水平槽中移動(dòng)，將一部分功率耦合出來，可以測(cè)得沿槽線方向電場的相對(duì)強(qiáng)度分布。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、實(shí)驗(yàn)裝置本次實(shí)驗(yàn)使用的儀器主要有速調(diào)管，晶體檢波器，波長計(jì)，測(cè)量線，電源，速調(diào)管座，單向器，定向耦合器，可調(diào)衰減器，各種終端，微安計(jì)，檢流計(jì)，示波器等。其中速調(diào)管產(chǎn)生微波，波長計(jì)測(cè)量微波頻率，檢波器測(cè)功率，測(cè)量線測(cè)量駐波比，各種終端形成不同的微波傳輸狀態(tài)，示波器觀察速調(diào)管調(diào)頻調(diào)幅特性。圖6特性。圖6實(shí)驗(yàn)裝置圖2、測(cè)量駐波比的方法（1）小駐波比的測(cè)量（L005<S<1.5）在這種情況下，駐波波腹和波節(jié)都不尖銳，因此要多測(cè)幾個(gè)駐波波節(jié)和波腹，按下式計(jì)算S的平均值:S=maximax2 maxx （8）'mini*Emin2*…+'minx當(dāng)檢波晶體管滿足平方檢波律時(shí)，則（9）（9）（2）中駐波比的測(cè)量（1.5<S<10）此時(shí)只需測(cè)一個(gè)駐波腹和一個(gè)駐波節(jié)，按下式計(jì)算即可:（3）大駐波比的測(cè)量S（3）大駐波比的測(cè)量S='max=*.max-min min（S>10）（10）波腹振幅與波節(jié)振幅的差別很大，測(cè)量線不能同時(shí)測(cè)量波腹和波節(jié)，此時(shí)可以用二倍極小功率法進(jìn)行測(cè)量。利用探針測(cè)量極小點(diǎn)兩旁，功率為極小功率二倍的兩點(diǎn)的距離W，波導(dǎo)波長4g，可按下式計(jì)算駐波比:（11）（4）波節(jié)位置和波導(dǎo)波長的測(cè)定極小點(diǎn)的位置受探針影響很小，只要駐波測(cè)量器靈敏度足夠高以及極小點(diǎn)足夠尖銳，一般很容易測(cè)定。為了精確測(cè)定極小點(diǎn)的位置，可采用平均值法，即測(cè)極小點(diǎn)附近兩點(diǎn)的坐標(biāo)，取其平均值。而波導(dǎo)波長可由相鄰兩個(gè)極小點(diǎn)的距離決定。四、數(shù)據(jù)處理與分析1、速調(diào)管工作特性的研究（1）靜態(tài)法1）定性測(cè)繪速調(diào)管的P-Ur曲線

初步測(cè)量速調(diào)管的功率隨電壓的變化后，找到最佳震蕩模，微調(diào)晶體檢波器的旋鈕，使其達(dá)到最大后，再次測(cè)量速調(diào)管的功率隨電壓變化情況，數(shù)據(jù)記錄如表1,圖形如圖7所示表1速調(diào)管P-Ur關(guān)系表反射極電壓Ur/V峰位所對(duì)應(yīng)的最大功率P/pA起點(diǎn)峰位終點(diǎn)-16.29-23.70-28.8715.8-37.20-48.70-55.335.0-70.40-85.30-97.5053.2-123.70-141.50-158.7070.5圖7速調(diào)管的P-Ur曲線由圖7可以看出，只有當(dāng)某些特定的Ur值時(shí)才有功率輸出，每個(gè)振蕩模都有一個(gè)輸出功率最大的地方。在四個(gè)振蕩模中，最左邊的那個(gè)輸出功率是最大的，是最佳振蕩模，其Ur=-141.5V，所對(duì)應(yīng)的最大功率為70.5mAo2）仔細(xì)測(cè)繪最佳振蕩模的P-Ur和f-Ur曲線測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，測(cè)量圖形如圖8所示。Ur/VP/uA波長/mmUr/VP/uA波長/mmf/MHz-123.708.2029005.5-12721.88.1259013-12939.28.0589020-13146.58.0089025.5-13352.97.9789029.5-13760.17.9159035-139.368.97.8809039-141.570.27.8409042表2 速調(diào)管最佳振蕩模P-Ur、f-Ur關(guān)系表Ur/VP/uA波長/mmf/MHz-141.570.27.8489042-144697.8029047-14664.27.7589051.5-14852.97.6989057.5-15028.27.5989070-15125.07.5729072-1522.57.5569073-15307.4609084從圖8中我們可以看到最佳振蕩模的功率有一個(gè)峰值，此時(shí)對(duì)用的Ur為-141.5V,當(dāng)Ur偏離-141.5V時(shí)，P會(huì)迅速衰減，振蕩頻率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，最佳震蕩模曲線并不是完全對(duì)稱的，可能是由于速調(diào)管本身的問題。（2）動(dòng)態(tài)工作特性終端接晶體檢波器，速調(diào)管電源置鋸齒波，反射極電壓接示波器X軸，晶體檢波器接示波器Y軸，把振蕩曲線在示波器上顯示出來，掃描幅度大可以看到多個(gè)振蕩模，如圖9所示；也可以調(diào)節(jié)直流電壓和掃描幅度，只觀察某一個(gè)?；蛞粋€(gè)模的局部。如果這時(shí)調(diào)節(jié)頻率計(jì)，使其諧振頻率落在P-Ur曲線上，可以觀察到一個(gè)吸收峰，用這種方法觀察所有的振蕩模的中心點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)，所有的中心點(diǎn)都有著一樣的頻率。測(cè)出最佳振蕩峰部分位置點(diǎn)的頻率為：起點(diǎn)的頻率為9083MHz，峰值處頻率為9044MHz，終點(diǎn)的頻率為8994.5MHz，。對(duì)照?qǐng)D9及靜態(tài)法數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的結(jié)果很接近。圖9動(dòng)態(tài)法調(diào)頻特性圖2、駐波比的測(cè)量（1）小駐波比（理論上1.005#S1.5）的測(cè)量（終端接全匹配負(fù)載）：當(dāng)微波功率全部為終端負(fù)載所吸收，波導(dǎo)中傳播的是行波，稱為匹配狀態(tài).此時(shí)波導(dǎo)中不存在反射波。實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。表3小駐波比測(cè)量數(shù)據(jù)表1ma仙2.82.72.82.71min"A2.42.32.42.3由公式可得S= maximax2=