速調(diào)管工作特性及波導(dǎo)管工作狀態(tài)

1、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(diǎn)而設(shè)計(jì)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

2、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(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(yùn)動電子返回

3、柵網(wǎng)。當(dāng)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。圖 0 15 圖 0 16反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)原理圖 反射式速調(diào)管 K-27 的結(jié)構(gòu)圖反射式速調(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 0 17 反射式速調(diào)管 K-27 的特性曲線 圖0 18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；

4、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(dāng)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

5、？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”。用改變反射級電壓來實(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f0.005f0）。一個振蕩模的半功率點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)，這種方法稱為“機(jī)械調(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

6、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(yán)格的方波，而且要選擇合適的反射極電壓（直流工作點(diǎn)），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(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)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(dāng)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

7、鋸齒調(diào)頻時的特性 當(dāng)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(diǎn)選擇在某一振蕩模的功率最大點(diǎn)，亦即選在頻率變化曲線的當(dāng)中，當(dāng)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(dāng)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(yùn)動軌跡 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

8、夠?qū)Ψ瓷涫剿僬{(diào)管進(jìn)行電子調(diào)諧和機(jī)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(yùn)動過程和能量轉(zhuǎn)換機(jī)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(yùn)動電子的動能。問題就在于：怎樣把運(yùn)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(fù)半周內(nèi)電子

9、被微波電場減速，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(tuán)在通過柵網(wǎng)時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。為了解釋電子團(tuán)的形成，讓我們來研究四個在不同時刻飛過柵網(wǎng)的電子的運(yùn)動并畫出它們運(yùn)動的空間時間圖（圖021）：電子1互通過柵網(wǎng)時，微波電場=0，速度

10、不變，進(jìn)入反射空間，到達(dá)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(jìn)入反射空間到達(dá)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(dá)反射平面就返轉(zhuǎn)。電子3成為群聚中心，它的運(yùn)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(tuán)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(yùn)動電子掙得的能量最大。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

11、=（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(dāng)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(yùn)動，就好像在重力場中鉛直上拋小球的運(yùn)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

12、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(diǎn)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(diǎn)。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(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(dāng)于振蕩的幅值條件，起始電流i0與電路及外負(fù)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(dāng)這兩個條件都滿足時，

13、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(hù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（在我們的實(shí)驗(yàn)中可以觀測到四個振蕩模）和下式 （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

14、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(dāng)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(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e1.60210-19C，質(zhì)量m9.10910-31kg，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)V。，f0以及a，b，可由式（1一2）求出n和S。，從而算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。 （二）波導(dǎo)管的工作狀態(tài)l.波導(dǎo)管中波的傳播特性 一

15、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

16、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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室不可

17、缺少的基本儀器，可利用它來進(jìn)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(shí)驗(yàn)中，可把駐波測量線的探針放在駐波極小點(diǎn)或極大點(diǎn)處，采用把調(diào)大或把調(diào)小的方法進(jìn)行調(diào)配。如把探針放在極小點(diǎn)處，則調(diào)節(jié)接在測量線端點(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，否則會發(fā)生假象波形移動，這時極小點(diǎn)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)

18、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(diǎn)駐波振幅與終端距離l的關(guān)系為 （1一4）設(shè)以線上ll。處的電場駐波波節(jié)為參考點(diǎn)，將探針由參考點(diǎn)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。

19、如果測量時不必知道檢波律n，我們由實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)裝置考慮到觀測速調(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量的要求，我們采用圖l2的實(shí)驗(yàn)線路。圖 12實(shí)驗(yàn)線路 速調(diào)管電源提供陽

20、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(jì)（BD1/035A型）和駐波測量線（DH364A00型）。 當(dāng)速調(diào)管處在連續(xù)狀態(tài)時，指示器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，A，B為測量放大器（DH388A0型）；處于鋸齒波調(diào)頻狀態(tài)時，A，B為示波器。當(dāng)用示波器觀測速調(diào)管的振蕩模時，對速調(diào)管進(jìn)行鋸齒波調(diào)頻，并將鋸齒波輸?shù)绞静ㄆ鞯?/p>

21、X輸入端，終端的晶體檢波接頭輸?shù)結(jié)輸入端。圖 12實(shí)驗(yàn)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(fù)載來觀測匹配狀態(tài)。三、實(shí)驗(yàn)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-300V變化到-30V）。描繪草圖，注明各個振蕩模的峰值以及各點(diǎn)所對應(yīng)的反射極電壓值。 2逐點(diǎn)測量速調(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。 改變對于每個