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(yàn)七 反射式速調(diào)管工作特性的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1熟悉和掌握微波測(cè)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(shí)一、什么是微波 微波是一種波長(zhǎng)很短的電磁波，其波長(zhǎng)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(gè)波段。亞毫米波又被稱為超微波。根據(jù)電磁波長(zhǎng)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(wú)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(wú)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

2、應(yīng)用領(lǐng)域以及所用的傳輸系統(tǒng)、元件、器件和測(cè)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(wú)線電波頻率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(lái)。例如由于電子渡越時(shí)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(hào)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(lái)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(zhǎng)短。微波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于一般宏觀物體

3、的尺寸（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(chǎng)的能量集中在一個(gè)很狹窄的波束中，進(jìn)行定向發(fā)射，它能透過(guò)地球上空的電離層向太空傳播。 微波的參數(shù)和測(cè)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(wú)法直接測(cè)量，必須從三維空間場(chǎng)的理論著手，用“場(chǎng)”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(chǎng)方程。因而在微波系統(tǒng)中主要參數(shù)為阻抗、波長(zhǎng)和功率。微波阻抗是通過(guò)測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度的相對(duì)值（即：駐波比）而得到的，波長(zhǎng)的測(cè)量可使用校過(guò)刻度的波長(zhǎng)計(jì)，而功率測(cè)量是將微波所產(chǎn)

4、生的熱效應(yīng)轉(zhuǎn)換成一定的電能后去測(cè)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(yàn)所用微波源是以反射式速調(diào)管為振蕩器件，為此對(duì)反射式速調(diào)管做一簡(jiǎn)單介紹。 1反射速調(diào)管是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用價(jià)值較高的微波振蕩器件，它是利用電子與電場(chǎng)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(gè)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(lái)的電子獲得較高、較均勻的速度。諧振腔的作用有兩個(gè)：一是用來(lái)對(duì)被加速后的均勻電子流進(jìn)行“速度調(diào)制”，另一個(gè)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

5、的高頻振蕩。反射極上加有一個(gè)對(duì)陰極而言是負(fù)的直流電壓，對(duì)經(jīng)過(guò)速度調(diào)制后的電子流來(lái)講，它是一個(gè)減速場(chǎng)。 2反射速調(diào)管工作原理 反射速調(diào)管工作時(shí)，電陰極發(fā)射出來(lái)的每一個(gè)電子都要越過(guò)幾個(gè)不同的電場(chǎng)，下面研究一下電子在各個(gè)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況。 如圖2所示，在KG1空間。電場(chǎng)是均勻的，電子將做勻加速運(yùn)動(dòng)，在此空間電場(chǎng)對(duì)電子作功為： (1) 根據(jù)能量守恒，電子所獲得的動(dòng)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(dòng)到G1的時(shí)間為： (4) 由此可見，在忽略了周圍電場(chǎng)對(duì)電子所產(chǎn)生的影響后，每個(gè)電子從陰極K出發(fā)到達(dá)下柵極G1的過(guò)程中，都具有相同的速度，用了相同的時(shí)間。因此可以認(rèn)為，進(jìn)入諧

6、振腔中的是均勻的電子流。 經(jīng)過(guò)加速而達(dá)到很高速度的電子束，通過(guò)諧振腔的兩柵間時(shí)，由于電子熱騷動(dòng)等原因，諧振腔中存在一個(gè)微弱、雜亂的電磁場(chǎng)，由于諧振腔的諧振作用，其中有某一頻率的交變電場(chǎng)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(shí)刻進(jìn)入諧振腔的電子要被加速，其速度要大于原來(lái)的V0，在t2時(shí)刻進(jìn)入諧振腔的電子仍按原來(lái)的速度V0運(yùn)動(dòng)，而在t3時(shí)刻進(jìn)入諧振腔的電子將被減速，其速度將小于V0，經(jīng)過(guò)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

7、間深度不同，同時(shí)返回柵極的時(shí)間也不相同，即渡越時(shí)間不同。而在t1t3時(shí)間內(nèi)發(fā)出的電子可能在折回過(guò)程中聚合成一個(gè)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(shí)間合適，當(dāng)它回到諧振腔時(shí)恰巧落在交變電壓的正電場(chǎng)處，它對(duì)電子是起減速作用，因而電子束速度就被減慢下來(lái)，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(huì)產(chǎn)生諧振，于是這個(gè)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(chǎng)的最大時(shí)回到腔內(nèi)，則速調(diào)管產(chǎn)生的微波功率最大，在其它場(chǎng)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(chǎng)時(shí)進(jìn)入腔內(nèi)，則電子束就被吸收，不會(huì)有微波輸出。 由上可見，微波的產(chǎn)

8、生與“會(huì)聚”電子束在群聚空間內(nèi)的渡越時(shí)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(shí)間渡越時(shí)間用t來(lái)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(shí)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(shí)才能產(chǎn)生振蕩，而且對(duì)于一定的U0改變UR會(huì)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(shí)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

9、了這一特點(diǎn)。 滿足上述相位條件，只是說(shuō)明振蕩可能產(chǎn)生而不是一定會(huì)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(chǎng)的功率不足以克服電路和負(fù)載中的損耗時(shí)，振蕩就不會(huì)發(fā)生。因此，要使振蕩發(fā)生，還需要第二個(gè)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(shí)，微波振蕩就發(fā)生。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以通過(guò)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(duì)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

10、子調(diào)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(shí)所得的兩個(gè)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(lái)說(shuō)，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(gè)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(gè)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(duì)斜率的要

11、求也不同。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?yàn)樾甭市≌袷幘蜁?huì)相對(duì)穩(wěn)定，這樣對(duì)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(duì)輸出幅度進(jìn)行調(diào)制，稱為“調(diào)幅”，另一種是對(duì)輸出頻率進(jìn)行調(diào)制。稱為“調(diào)頻”。無(wú)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(shí)，則在幅度調(diào)制的同時(shí)還會(huì)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(shí)，有可能同時(shí)跨在反射速調(diào)管的兩個(gè)振蕩區(qū)域上，必將出現(xiàn)兩個(gè)振蕩頻率，調(diào)制幅度太小，則輸出功率將會(huì)減小

12、。因此在幅度調(diào)制過(guò)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(shuō)，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(shí)使用鋸齒電壓，見圖7。使用鋸齒波電壓對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)制還能使用示波器直接觀察到各個(gè)振蕩區(qū)域的形狀。 四、微波元件 在微波實(shí)驗(yàn)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(lái)的微波功率使其無(wú)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(duì)其它儀器的感應(yīng)以及在測(cè)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

13、壁中間時(shí)，電場(chǎng)得到衰減。它用來(lái)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(chǎng)作用下，可使微波沿正向通過(guò)隔離器時(shí)，波的衰減小，而反向時(shí)則衰減很大。其作用可除去負(fù)載對(duì)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。活塞在波導(dǎo)上的位置可以調(diào)節(jié)，通常應(yīng)用在激勵(lì)器和探測(cè)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(cè)弱微波功率的元件。應(yīng)用一個(gè)靈敏的晶體二極管，根據(jù)整流后所測(cè)出的電流值可以簡(jiǎn)單地估計(jì)微波的功率值。 諧振腔波長(zhǎng)計(jì)：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(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸決定被

14、測(cè)的微波頻率。波長(zhǎng)計(jì)與被測(cè)微波系統(tǒng)相聯(lián)的方法，分通過(guò)型和吸收型兩種?，F(xiàn)只介紹吸收式波長(zhǎng)計(jì)的工作原理。將波長(zhǎng)計(jì)與微波傳輸波導(dǎo)耦合，當(dāng)調(diào)諧時(shí)，波長(zhǎng)計(jì)吸取微波的能量最大，使檢測(cè)器所量出的功率突然減小，示數(shù)最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)計(jì)讀數(shù)（查表知對(duì)應(yīng)頻率）即為被測(cè)微波頻率值。實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)裝置如圖8。實(shí)驗(yàn)步驟 1觀察速調(diào)管各個(gè)振蕩模。 按實(shí)驗(yàn)裝置圖連結(jié)好實(shí)驗(yàn)儀器，按速調(diào)管電源使用說(shuō)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(cè)定每個(gè)振蕩區(qū)域中對(duì)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(gè)振蕩區(qū)域，分別測(cè)出對(duì)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(dòng)態(tài)特性。 將示波器接入裝置中