1、精品文檔微波實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室2008/04/14一、微波基礎(chǔ)知識(shí):微波技術(shù)是近代發(fā)展起來(lái)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(cè)手段，微波的研究方法和測(cè)試設(shè)備都與無(wú)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(wú)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(wú)線電波相比，微波有下述幾個(gè)主要特點(diǎn)A/fflUP1011鵬JQdHr*】產(chǎn)業(yè)版III1I_L.LI.i.l.LiiIII,.fqIri.-i_J_ii-/IU10卯

2、ffi1（1*1（JI*|（JC廣捋qiW曲波虻分叫見(jiàn)光篝外也迪痛電源源波X*脫圖1電磁波的分類1 .波長(zhǎng)短（1m1mm）：具有直線傳播的特性，利用這個(gè)特點(diǎn)，就能在微波波段制成方向性極好的天線系統(tǒng)，也可以收到地面和宇宙空間各種物體反射回來(lái)的微弱信號(hào)，從而確定物體的方位和距離，為雷達(dá)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（10-9-10-12sX艮短，已經(jīng)和電子管中電子在電極間的飛越時(shí)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、磁控管和行波管等卜微波固體器件和量子器件來(lái)

3、代替。另外，微波傳輸線、微波元件和微波測(cè)量設(shè)備的線度與波長(zhǎng)具有相近的數(shù)量級(jí)，在導(dǎo)體中傳播時(shí)趨膚效應(yīng)和輻射變得十分嚴(yán)重，一般無(wú)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)元件、諧振腔等）來(lái)代替。3 .微波在研究方法上不像無(wú)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(chǎng)，以波長(zhǎng)、功率、駐波系數(shù)等作為基本測(cè)量參量。4 .量子特性：在微波波段，電磁波每個(gè)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(zhǎng)也正好處在微波波段內(nèi)。人們利用這一特點(diǎn)來(lái)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

4、噪音的量子放大器和準(zhǔn)確的分子鐘，原子鐘。（北京大華無(wú)線電儀器廠）5 .能穿透電離層：微波可以暢通無(wú)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(diǎn)，不論在處理問(wèn)題時(shí)運(yùn)用的概念和方法上，還是在實(shí)際應(yīng)用的微波系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)上，都與普通無(wú)線電不同。微波實(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。精品文檔精品文檔二、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(shí)驗(yàn)室的小功率微波振蕩器，或者用作微波接收機(jī)的本機(jī)振蕩器。反射式速調(diào)管是實(shí)驗(yàn)室使用的微波信號(hào)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

5、確使用微波信號(hào)源的基礎(chǔ)。微波的振蕩周期與電子的渡越時(shí)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(diǎn)而設(shè)計(jì)成的微波振蕩管。測(cè)量速調(diào)管中電子的渡越時(shí)間，可以加深對(duì)速調(diào)管工作原理的理解。微波在波導(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(cè)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Co通過(guò)測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng)和頻率的方法來(lái)決定相速度、群速度和光速，不僅提供一種測(cè)量光速的簡(jiǎn)便方法（有四位有效數(shù)字），而且可以進(jìn)一步明晰微波在波導(dǎo)管中傳播的物理圖像。本實(shí)驗(yàn)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

6、及波導(dǎo)管的三種工作狀態(tài)，并掌握微波的三種基本測(cè)量；2.測(cè)量反射式速調(diào)管中電子渡越時(shí)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I.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(guò)柵網(wǎng)。在反射極反向電壓的作用下，運(yùn)動(dòng)電子返回柵網(wǎng)。當(dāng)滿足一定條件時(shí)，在諧振腔中產(chǎn)生微波振蕩，微波能量由同軸探針輸出。反射械諧振勝f陽(yáng)極）同軸輸出陰極反射械同犍猊一J韌性膜諧幅脫聘曲打金*外克、香同明極請(qǐng)振脫，燈姓同軸拉出砂陶蝕希幅反射極反射式速調(diào)管K-27常用于3Cm波段，圖中給出了其結(jié)構(gòu)

7、圖。圖中調(diào)諧螺釘?shù)淖饔檬峭ㄟ^(guò)改變諧振腔兩個(gè)柵網(wǎng)的距離來(lái)改變調(diào)諧頻率。微勵(lì)探件圖015反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)原理圖圖016反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)圖K-27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(yáng)極電壓V0=300V,波長(zhǎng)入=3.2Cm）反射式速調(diào)管的特性曲線（在一定的陽(yáng)極電壓情況下，輸出功率P以及振蕩頻率f與反射極電壓VR的關(guān)系曲線）如圖0-17所示，由圖可以精品文檔精品文檔看出下列特性：具有分立的振蕩模；改變反射極電壓會(huì)引起微波功率和頻率的變化；存在最佳振蕩模；各個(gè)振蕩模的中心頻率相同等等。可歸納為：（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，只有在某些特定值

8、才能振蕩。每一個(gè)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(hào)。（2）對(duì)于每一個(gè)振蕩模，當(dāng)反射極電壓Vr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n=3的振蕩模）。為了使速調(diào)管具有最大的輸出功率和穩(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(gè)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(jī)械調(diào)諧”。用

9、改變反射級(jí)電壓來(lái)實(shí)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Afio。這一條件相當(dāng)于振蕩的幅值條件，起始電流io與電路及外負(fù)載有關(guān)，并與（n+3/4）成比例。式（019）、（020）就是振蕩的位相條件和幅值條件，當(dāng)這兩個(gè)條件都滿足時(shí)，微波振蕩常常會(huì)發(fā)生。使用速調(diào)管振蕩器時(shí)要注意愛(ài)護(hù)儀器，熟悉儀器面板上各個(gè)開(kāi)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(shí)間的測(cè)定（選做）測(cè)量速調(diào)管中電子的渡越時(shí)間，可以加深對(duì)速調(diào)管工作原理的理解。群聚中心電子的渡越時(shí)間T0由下列關(guān)系式?jīng)Q定：g,23)V0vr這里，Vr是相應(yīng)的模中心反射極電壓。以

10、上兩式中含有兩個(gè)未知量：n（振蕩模的序號(hào)，參看圖017）和So（反射空間距離）。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（在我們的實(shí)驗(yàn)中可以觀測(cè)到四個(gè)振蕩模）和下式可以算出n和Soo下面介紹兩種方法。（1）求解方程法式（11）中含有兩個(gè)未知量，原則上有兩個(gè)方程聯(lián)立即可求解。由四個(gè)振蕩模的數(shù)據(jù)可以列出四個(gè)方程，兩兩組合解出n和S。，再求平均值作為測(cè)量結(jié)果。（2）擬合直線法將式（11）變成直線方程y=a+bx其中x=(V。+|Vr|)-1當(dāng)式（11）中的n取值為n,n+1,n+2,n+3時(shí)，相應(yīng)有y=1,2,3,4a=0.25-n,b=4S0jmf（12）,2e利用計(jì)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e=-

11、1.602X10-19C,質(zhì)量m=9.109X10-31kg,由試驗(yàn)數(shù)據(jù)V。Vr,f0以及a,b,可由式（1-2）求出n和So,從而算出群聚中心電子的渡越時(shí)間t。測(cè)量結(jié)果表明，渡越時(shí)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)1 .波導(dǎo)管中波的傳播特性一般說(shuō)，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(chǎng)的分布情況也不同，可以把波導(dǎo)管的工作狀態(tài)歸精品文檔精品文檔結(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(chǎng)分布曲線分別口卡由國(guó)IQ1H圖06電場(chǎng)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

12、，所以電場(chǎng)Ey=Ei;在駐波狀態(tài)，終端發(fā)生全反射，|Ei|=Er,所以在駐波波腹處Emax=Ei|+Er,駐波波節(jié)處|Emin=Ei-Er|=0;在混波狀態(tài)，終端是部分反射，|Er|Ei,所以|Emax=Ei+Er，Emin=EiEr#0。我們知道，波導(dǎo)管中的波導(dǎo)波長(zhǎng)入g。大于自由空間波長(zhǎng)入。由于0=入f,Vg=Xgf式中C為光速，Vg為相速度?？梢?jiàn)波在波導(dǎo)管中傳播的相速度Vg大于光速CO顯然，任何物理過(guò)程都不能以超過(guò)光速的速度進(jìn)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(gè)以入射角0（

13、0=cos-1（入/2a）射向波導(dǎo)管窄壁的平面波，經(jīng)過(guò)窄壁的往復(fù)反射后，由入射波和反射波疊加而成TEi0波。由此可見(jiàn)，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(lái)得大。由相速度Vg、群速度U和光速C的關(guān)系式2VgU=C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(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng)入g和頻率f來(lái)決定光速C、相速度Vg和群速度U。2 .駐波測(cè)量線的調(diào)整、使用和駐波測(cè)量駐波測(cè)量線是微波實(shí)驗(yàn)室不可缺少的基本儀器，可利用它來(lái)進(jìn)行多種微波參量的測(cè)量。因此，我們要熟悉駐波測(cè)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(lái)測(cè)量駐

14、波比和波導(dǎo)波長(zhǎng)。我們說(shuō)過(guò)，“調(diào)節(jié)匹配”是微波測(cè)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maxmin要降低p,須把Emax調(diào)小或把|Emin調(diào)大。在實(shí)驗(yàn)中，可把駐波測(cè)量線的探針?lè)旁隈v波極小點(diǎn)或極大點(diǎn)處，采用把舊臉調(diào)大或把口海調(diào)小的方法進(jìn)行調(diào)配。如把探針?lè)旁跇O小點(diǎn)處，則調(diào)節(jié)接在測(cè)量線端點(diǎn)的調(diào)配元件，使探針的輸出功率稍為增大（不要增大太多，否則會(huì)發(fā)生假象一一波形移動(dòng)，這時(shí)極小點(diǎn)功率并不增大），然后左右移動(dòng)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(diǎn)功率逐步增大，直至達(dá)到最佳匹配狀態(tài)。3 .晶體的檢波特性曲線和檢波律的測(cè)定（選做）在測(cè)量駐波比時(shí)，駐波波腹和

15、波節(jié)的大小由檢波晶體的輸出信號(hào)測(cè)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(cè)定。根據(jù)檢波晶體的非線性特征，可以寫(xiě)出I=kiEn（1一3）精品文檔精品文檔如駐波測(cè)量線晶體檢波律n=1稱為直線性檢波，n=2稱為平方律檢波。n的數(shù)值可按下法測(cè)定。l的關(guān)系為E_k2sin2M（1一4）令駐波測(cè)量線終端短路，此時(shí)沿線各點(diǎn)駐波振幅與終端距離E由零增大，而檢波n,我們由實(shí)驗(yàn)測(cè)I（l）,由式（l4）算出E（l）,直接畫(huà)出I-E的關(guān)系曲線，利用它可以由實(shí)際測(cè)得的檢波電流值找設(shè)以線上1=1。處的電場(chǎng)駐波波節(jié)為參考點(diǎn)，將探針由參考點(diǎn)向左移動(dòng)，線上駐波電場(chǎng)值電流I也相應(yīng)地由零增大，每一駐波電場(chǎng)值便

16、有一相應(yīng)的檢波電流值。如果測(cè)量時(shí)不必知道檢波律11）O駐波測(cè)量線隔離器衰減幫晶悻檢披接頭單蝶調(diào)配器r0B出相應(yīng)的駐波電場(chǎng)相對(duì)值，從而求出正確的駐波比（參看圖圖11晶體檢波器特性的測(cè)定如果需要知道檢波律n,可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)量在兩個(gè)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：-0.3010nl10gl0cos,g其中Al為駐波曲線上I=Im/2兩點(diǎn)的距離，Im為波腹的檢波電流。上式不難由式（1-3）和（14）求得,同學(xué)可自行證明。、.實(shí)驗(yàn)裝置考慮到觀測(cè)速調(diào)管工作特性和波導(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(cè)量的要求，我們采用圖12的實(shí)驗(yàn)線路。圖12實(shí)驗(yàn)線路速調(diào)管電源提供陽(yáng)

17、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(hào)：WY19A型速調(diào)管電源。（北京大華無(wú)線電儀器廠）速調(diào)管一般采用K-27型反射式速調(diào)管，工作頻率為8600-9600MHz。整個(gè)微波測(cè)量線路由3cm波段波導(dǎo)元件組成，其主要元件為隔離器（當(dāng)速調(diào)管處在連續(xù)狀態(tài)時(shí)，指示器GLX2型）、波長(zhǎng)計(jì)（BD1/035A型）和駐波測(cè)量線（DH364A00型）。A,B為光點(diǎn)檢流計(jì)或檢波指示器；處于方波調(diào)幅狀態(tài)時(shí),放大器（DH388A0型）；處于鋸齒波調(diào)頻狀態(tài)時(shí)，A,B為示波器。精品文檔精品文檔當(dāng)用示波器觀測(cè)速調(diào)管的振蕩模時(shí)，對(duì)速調(diào)管進(jìn)行鋸齒波調(diào)頻，并將鋸齒波輸?shù)绞静ㄆ鞯腦輸

18、入端，終端的晶體檢波接頭輸?shù)窖据斎攵?。圖1-2實(shí)驗(yàn)線路中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器來(lái)改變駐波測(cè)量線的終端情況，觀測(cè)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(gè)元件，在駐波測(cè)量線終端接上可變電抗器（短路活塞）來(lái)觀測(cè)駐波狀態(tài)，或接上匹配負(fù)載來(lái)觀測(cè)匹配狀態(tài)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）觀測(cè)速調(diào)管的工作特性1 .觀測(cè)速調(diào)管的各個(gè)振蕩模按正確步驟開(kāi)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(cè)速調(diào)管各個(gè)振蕩模（要求：Vr從-300V變化到-30V）。描繪草圖，注明各個(gè)振蕩模的峰值以及各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的反射極電壓值。2 .逐點(diǎn)測(cè)量速調(diào)管最佳振蕩模的功率P和反射極電壓Vr的關(guān)系曲線，以及頻率f和反射極電壓Vr的關(guān)系曲線。改變Vr對(duì)于每個(gè)Vr值，利用晶體檢波接頭測(cè)量相對(duì)功率P,并用波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量頻率。注意波長(zhǎng)計(jì)測(cè)頻率后要失諧。（二）觀測(cè)波導(dǎo)管的工作狀態(tài)1 .練習(xí)調(diào)節(jié)匹配，測(cè)量小駐波比和中駐波比把反射極電壓調(diào)到最佳振蕩模峰值對(duì)應(yīng)的Vr值，并固定下來(lái)，以便在工作頻率為fo的情況下進(jìn)行觀測(cè)波導(dǎo)管工作