反射式速調(diào)管工作特性的研究 反射式速調(diào)管工作特性的研究

1、實(shí)驗七 反射式速調(diào)管工作特性的研究實(shí)驗?zāi)康?1熟悉和掌握微波測試系統(tǒng)中各種常用設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理及使用方法。 2了解反射式速調(diào)管的工作特性。微波的基礎(chǔ)知識一、什么是微波 微波是一種波長很短的電磁波，其波長在0.1毫米到米之間。通常將微波劃分為分米波、厘米波、毫米波及亞毫米波這四個波段。亞毫米波又被稱為超微波。根據(jù)電磁波長與頻率之間的關(guān)系：，微波的頻率在300ghz300mhz之間，（其中1mhz106hz，1ghz109hz）。 微波的低頻端與普通無線電波的“超短波”波段相連結(jié)，而其高頻端與紅外線的“遠(yuǎn)紅外”波段毗鄰，因而使微波具有與普通無線電波及光波都不完全相同的特點(diǎn)，這樣微波的研究方法和應(yīng)用

2、領(lǐng)域以及所用的傳輸系統(tǒng)、元件、器件和測量裝置都與別的波段不同。二、微波的特點(diǎn) 頻率高。微波的頻率比普通無線電波頻率提高幾個數(shù)量級，一些在低頻段中并不顯著的效應(yīng)在微波波段就明顯地表現(xiàn)出來。例如由于電子渡越時間（一般為10-9秒）與微波振蕩周期相比已不可忽略，因而在微波波段內(nèi)不能使用普通的電子管，必須采用電子流與微波諧振回路相互交換能量的方式。產(chǎn)生微波信號的方式，不能采用“低頻”電路中常用的振蕩回路，而必須由“諧振腔”來實(shí)現(xiàn)。 另外，隨著頻率的增高，趨膚效應(yīng)及傳輸線的輻射效應(yīng)越趨嚴(yán)重，因而沿用普通兩線式傳輸線傳輸微波已不可能，而必須采用特殊的傳輸線波導(dǎo)管。 波長短。微波的波長遠(yuǎn)小于一般宏觀物體的尺

3、寸（如建筑物、船、飛機(jī)、導(dǎo)彈等）。這就使微波在空間的傳播方面具有類似光波的特性反射。因此就有可能將微波電磁場的能量集中在一個很狹窄的波束中，進(jìn)行定向發(fā)射，它能透過地球上空的電離層向太空傳播。 微波的參數(shù)和測量技術(shù)是獨(dú)特的。在低頻電路中的基本參數(shù)是電壓、電流、和頻率，在微波系統(tǒng)中，電流、電壓的概念已失去了確切的含義，而且根本無法直接測量，必須從三維空間場的理論著手，用“場”的觀念，求解在一定邊界條件下，一定介質(zhì)填充的系統(tǒng)中的電磁場方程。因而在微波系統(tǒng)中主要參數(shù)為阻抗、波長和功率。微波阻抗是通過測量電場強(qiáng)度的相對值（即：駐波比）而得到的，波長的測量可使用校過刻度的波長計，而功率測量是將微波所產(chǎn)生的

4、熱效應(yīng)轉(zhuǎn)換成一定的電能后去測量的。三、微波源 用以產(chǎn)生小功率微波振蕩的器件，通常有反射式速調(diào)管和體效應(yīng)管兩種，本實(shí)驗所用微波源是以反射式速調(diào)管為振蕩器件，為此對反射式速調(diào)管做一簡單介紹。 1反射速調(diào)管是一種結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用價值較高的微波振蕩器件，它是利用電子與電場相互作用的原理制成的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 反射速調(diào)管一般由燈絲、陰極、加速極、諧振腔及反射極等幾個部分組成。陰極經(jīng)燈絲加熱后，發(fā)射熱電子。加速極的作用是使陰極發(fā)射出來的電子獲得較高、較均勻的速度。諧振腔的作用有兩個：一是用來對被加速后的均勻電子流進(jìn)行“速度調(diào)制”，另一個功能是接受“群聚”后的電子流所提供的能量，使其建立并維持著周期性的高

5、頻振蕩。反射極上加有一個對陰極而言是負(fù)的直流電壓，對經(jīng)過速度調(diào)制后的電子流來講，它是一個減速場。 2反射速調(diào)管工作原理 反射速調(diào)管工作時，電陰極發(fā)射出來的每一個電子都要越過幾個不同的電場，下面研究一下電子在各個電場中的運(yùn)動情況。 如圖2所示，在kg1空間。電場是均勻的，電子將做勻加速運(yùn)動，在此空間電場對電子作功為： (1) 根據(jù)能量守恒，電子所獲得的動能為： (2) (3) 電子在kg1空間的平均速度為，因此電子從k運(yùn)動到g1的時間為： (4) 由此可見，在忽略了周圍電場對電子所產(chǎn)生的影響后，每個電子從陰極k出發(fā)到達(dá)下柵極g1的過程中，都具有相同的速度，用了相同的時間。因此可以認(rèn)為，進(jìn)入諧振腔

6、中的是均勻的電子流。 經(jīng)過加速而達(dá)到很高速度的電子束，通過諧振腔的兩柵間時，由于電子熱騷動等原因，諧振腔中存在一個微弱、雜亂的電磁場，由于諧振腔的諧振作用，其中有某一頻率的交變電場幅度最大。假設(shè)此交變電壓為u = umsinw t，則速度均勻的電子流將在諧振腔內(nèi)被“調(diào)速”。 如圖3所示，在t1時刻進(jìn)入諧振腔的電子要被加速，其速度要大于原來的v0，在t2時刻進(jìn)入諧振腔的電子仍按原來的速度v0運(yùn)動，而在t3時刻進(jìn)入諧振腔的電子將被減速，其速度將小于v0，經(jīng)過速度調(diào)制后的電子，從諧振腔的上柵極g2出射后，就進(jìn)入了“群聚空間”。在反射極ur的作用下，這些“速度調(diào)制”的電子流將被減速，并且穿入群聚空間深

7、度不同，同時返回柵極的時間也不相同，即渡越時間不同。而在t1t3時間內(nèi)發(fā)出的電子可能在折回過程中聚合成一個稠密的電子束，并且它正好落在諧振腔內(nèi)。如果電子束的渡越時間合適，當(dāng)它回到諧振腔時恰巧落在交變電壓的正電場處，它對電子是起減速作用，因而電子束速度就被減慢下來，將能量傳給諧振腔，如果腔的固有頻率和交變電壓頻率一致，就會產(chǎn)生諧振，于是這個由電流脈沖激起的振蕩得以維持下去，便可成為一定的微波功率輸出。若電子束在正電場的最大時回到腔內(nèi)，則速調(diào)管產(chǎn)生的微波功率最大，在其它場值下，則產(chǎn)生的微波功率不等；如果電子束是在交變電壓的負(fù)電場時進(jìn)入腔內(nèi)，則電子束就被吸收，不會有微波輸出。 由上可見，微波的產(chǎn)生與

8、“會聚”電子束在群聚空間內(nèi)的渡越時間有關(guān)，如果把電子從離開柵網(wǎng)起至回到柵網(wǎng)所需要的時間渡越時間用t來表示，則當(dāng)t與微波振蕩周期滿足下式： (5) 則電子流給出功率最大，顯然渡越時間t與電子的電量e、質(zhì)量m、反射空間的距離d、反射極電壓ur以及諧振腔電壓u0有關(guān)，它們滿足下列關(guān)系式： (6) 利用(5)、(6)式，并注意到（f為微波頻率），則有： (7) 上式表明，只有u0和ur為某些值時才能產(chǎn)生振蕩，而且對于一定的u0改變ur會引起f的改變。值得指出的是，由(5)式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，這就是我們講到的微波特點(diǎn)之一。反射速調(diào)管之所以能產(chǎn)生振蕩，正是巧妙地利用了這

9、一特點(diǎn)。 滿足上述相位條件，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(tuán)所能傳遞給微波電場的功率不足以克服電路和負(fù)載中的損耗時，振蕩就不會發(fā)生。因此，要使振蕩發(fā)生，還需要第二個條件，要求直流電子流大于某一最小電流（起始電流）即： (8)這一條件相當(dāng)于振蕩的幅值條件。起始電流i0與電路以及外負(fù)載有關(guān)，并與成比例。 當(dāng)滿足振蕩的相位條件和幅值條件時，微波振蕩就發(fā)生。實(shí)驗時可以通過調(diào)不同的ur而獲得不同頻率最強(qiáng)的微波能量輸出。圖4表示在一定諧振腔電壓情況下，輸出功率及振蕩頻率與反射極電壓的關(guān)系曲線。對應(yīng)于ur的一系列工作區(qū)稱為振蕩模。 3反射速調(diào)管的頻率特性 a電子調(diào)

10、諧寬度df在給定的振蕩區(qū)內(nèi)，頻率f和輸出功率p都隨反射極電壓的變化而變化。在給定振蕩模的中心，輸出功率最大。隨著反射極電壓ur負(fù)值的增加。工作頻率增加，但輸出功率下降，當(dāng)輸出功率下降到最大輸出功率一半時所得的兩個振蕩頻率之差df叫做電子調(diào)諧寬度，如圖5所示。作為使用者來說，希望電子調(diào)諧寬度越寬越好。 b電子調(diào)諧斜率d 在振蕩區(qū)中心的一很小范圍內(nèi)，反射極電壓vr每變化1伏所引起的振蕩頻率變化的數(shù)值稱為電子調(diào)諧斜率。由圖5可以看出，在振蕩中心一個小范圍內(nèi)振蕩頻率f隨反射極電壓vr的變化規(guī)律接近于線性。斜率的數(shù)值在管子整個工作頻率范圍內(nèi)各頻率點(diǎn)是不同的。但差別較小。由于管子的用處不同，對斜率的要求也

11、不同。例如作為調(diào)制器用，希望斜率大一些，而作為本機(jī)振蕩器用，則希望斜率小一些。因為斜率小振蕩就會相對穩(wěn)定，這樣對電源的穩(wěn)定度要求就可以相應(yīng)的降低一些。 4反射速調(diào)管的調(diào)制 反射速調(diào)管的調(diào)制有兩種形式，一種是對輸出幅度進(jìn)行調(diào)制，稱為“調(diào)幅”，另一種是對輸出頻率進(jìn)行調(diào)制。稱為“調(diào)頻”。無論是“調(diào)幅”或“調(diào)頻”，均需在反射極上加一定的調(diào)制電壓。 a幅度調(diào)制 例如在反射極上加一方波，就得到了幅度調(diào)制如圖6所示。當(dāng)方波前沿較差時，則在幅度調(diào)制的同時還會出現(xiàn)附加的頻率調(diào)制，見圖6中虛線部分，調(diào)制幅度太大時，有可能同時跨在反射速調(diào)管的兩個振蕩區(qū)域上，必將出現(xiàn)兩個振蕩頻率，調(diào)制幅度太小，則輸出功率將會減小。因

12、此在幅度調(diào)制過程中，掌握正確的調(diào)制方法是十分重要的。 b頻率調(diào)制 一般地說，除了理想的方波外，任何波形的調(diào)制電壓均可得到頻率調(diào)制。通常在進(jìn)行頻率調(diào)制時使用鋸齒電壓，見圖7。使用鋸齒波電壓對頻率進(jìn)行調(diào)制還能使用示波器直接觀察到各個振蕩區(qū)域的形狀。 四、微波元件 在微波實(shí)驗中，除波導(dǎo)、速調(diào)管外還需要其它波導(dǎo)元件，現(xiàn)擇主要者介紹如下： 全匹配負(fù)載：它是能全部吸收沿波導(dǎo)傳輸來的微波功率使其無反射的終端裝置。應(yīng)用全匹配負(fù)載是為了免除微波向空間輻射、對其它儀器的感應(yīng)以及在測量中作為匹配標(biāo)準(zhǔn)等。 可變衰減器：可變衰減器也是一段波導(dǎo)，其結(jié)構(gòu)是沿波導(dǎo)軸方向上放置一由吸收材料制成的薄片，當(dāng)薄片位置由窄壁移至寬壁中

13、間時，電場得到衰減。它用來降低波導(dǎo)中的微波電壓和起“去耦”作用。 隔離器：它利用鐵氧體材料的高頻特性，在外加永磁場作用下，可使微波沿正向通過隔離器時，波的衰減小，而反向時則衰減很大。其作用可除去負(fù)載對振蕩器工作穩(wěn)定性的影響。隔離器也稱單向衰減器。 短路活塞：裝置波導(dǎo)終端?；钊诓▽?dǎo)上的位置可以調(diào)節(jié)，通常應(yīng)用在激勵器和探測器內(nèi)實(shí)現(xiàn)微波匹配，使活塞表面處正好是電壓波節(jié)，可減小傳輸損耗。 晶體檢波器：它是檢測弱微波功率的元件。應(yīng)用一個靈敏的晶體二極管，根據(jù)整流后所測出的電流值可以簡單地估計微波的功率值。 諧振腔波長計：它是利用諧振腔作為諧振系統(tǒng)，并用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)諧，當(dāng)諧振時，機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸決定被測的

14、微波頻率。波長計與被測微波系統(tǒng)相聯(lián)的方法，分通過型和吸收型兩種?，F(xiàn)只介紹吸收式波長計的工作原理。將波長計與微波傳輸波導(dǎo)耦合，當(dāng)調(diào)諧時，波長計吸取微波的能量最大，使檢測器所量出的功率突然減小，示數(shù)最小時所對應(yīng)的波長計讀數(shù)（查表知對應(yīng)頻率）即為被測微波頻率值。實(shí)驗裝置 實(shí)驗裝置如圖8。實(shí)驗步驟 1觀察速調(diào)管各個振蕩模。 按實(shí)驗裝置圖連結(jié)好實(shí)驗儀器，按速調(diào)管電源使用說明，接通電源，改變反射極電壓，從微安表上觀察微波功率的變化，如圖4。 2測定每個振蕩區(qū)域中對應(yīng)于最大輸出功率的ur、f和p(i )值。 調(diào)節(jié)反射極電壓ur，找出每個振蕩區(qū)域，分別測出對應(yīng)于最大輸出功率的ur、f及p(i )值。 3制作最佳振蕩區(qū)域中ur f、ur p(i ) 曲線，并由繪制的曲線中求出電子調(diào)諧寬度df以及電子調(diào)諧斜率d。 在最佳區(qū)域中，連續(xù)變化ur，觀察電流變化，記錄15組以上ur、f及i的數(shù)值，繪制ur f1，ur i曲線，并由曲線中求出df及d。（ur i曲線與ur p曲線相似） 4用示波器觀察速調(diào)管動態(tài)特性。 將示波器