微波反射式速调管的工作状态和工作特性.doc

云南大学物理实验教学中心 实验报告云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称： 近代物理实验 实验项目： 微波反射式速调管的工作状态和工作特性 学生姓名： 朱江醒 学号： 20051050148 物理科学技术学院物理系2005级数理基础科学专业成绩 指导教师： 何俊 实验时间： 2007年 10 月 13 日 8 时 30 分至12时 30 分 实验地点： 四合院 实验类型：教学(演示 验证 综合 设计) 学生科研课外开放 测试 其它一、实验目的：1. 了解微波简单的一些基本知识；2. 了解微波基本技术和实用测量方法；3. 以微波测试手段来观测物理现象。二、实验原理：1、反射系数：定义波导中某截面处的电场反入射波之比为反射关系,即 =则有 （1）其中，是终端反射系数，表示在终端反射波与射波的相差。2、驻波比：定义波导中驻波电场最大值与驻波电场最小值之比为驻波比，即 1) 当微波功率全部为终端负载所吸收时（这种“匹配”负载）波导中不存在反射波，0，传的是行波，这种状态称为匹配状态。2）当波导终端是理想导板时（微波技术中叫“终端短路”），形成全反射在终点站端处。亦即，（终端处电场反射波与入射波的相位差为，却相位相反），此时，波导中形成纯驻波。在驻波波节处，驻波波腹处，这种状态称为驻波状态。3）在一般情况下，波导中传播的不是单纯的行波时或驻波。1，1，这各状态称为混波状态。3、 波导元件1）全匹配负载（也称吸收器）：是用以全部吸收波导传输来的微波功率，是无反射的终端装置。2）可变衰减器：把一片吸收介质片垂直于宽边纵向插进波导管即成，用以部分地衰减传输功率，移动吸收片可以改变衰减量的大小。3）短路活塞：装在波导终端，通常应用在激励器和探测器内实现微波的匹配。4）晶体检波器：检测微波功率的元件，应用一个灵敏的晶体二极管，根据整流后测出的电流值来简单估计微波的功率。5）谐振腔波长计：利用谐振腔作为谐振系统，用机械结构调谐，当谐振时，机械结构指示的尺寸决定了被测的频率。波长计与被测微波系统相连接的方法分通过型和吸收型两种。现介绍吸收式波长计的工作原理。将波长计与微波能量传输波导相耦合，调谐时，能量传输线上检测器所量出的微波功率突然变小。6）微波振荡器：微波信号源要求工作频率和输出功率可调而且稳定。图1 反射式速调管内电子的运动轨迹图1) 工作原理从阴极飞出的电子被谐振腔的正电压所加速，这时直流电源的能量变成真空中运动电子的动能。电子在加速电场的作用下飞入谐振腔，在腔中激起感应电流脉冲，使谐振腔中发生了振荡，因而在两个栅网间产生一个微弱的微波电场。在其作用下，穿过栅网的电子速度要收到调制，电子在一个振荡周期的不同时刻穿过栅网后的速度是不同的。在反射空间里面速度大的电子需要较长时间飞越较长的距离才返回栅网；速度小的电子返回到栅网所需要的时间较少，飞越距离短。在不同时间内飞过栅网的电子运动的空间、时间如图1：电子1通过栅网时，微波电场0，速度不变，进入反射平面（假想的）后反转。电子2通过栅网时，微波电场max，受到加速，越过反射平面后反转。电子3通过栅网时速度不变，进入反射空间到达反射平面后反转。电子4通过栅网时（微波电场max），受到减速，未到达反射平面就反转。电子3称为群聚中心，它的运动轨迹如图1中的粗线所示。在反射空间距离S0（反射极与栅网间的距离），谐振腔电压V0和反射极电压VR选择合适的情况下，当群聚中心电子的渡越时间0等于微波振荡周期的3/4时，即：0=(n+3/4)T n=1，2，3 （2）电子流给出的功率最大，这一条件相当于振荡的相位条件。显然渡越时间0满足下列关系式： （3）式中e为电子的电量，m为电子的质量。利用式（2）、（3），并注意到T1/（为微波频率），我们有： （4）（4）式表明：只有V0和|VR|为某些值时才能产生振荡。由（2）式可以看出微波振荡周期与电子渡越时间可以比拟甚至还要小。反射式速调管之所以能产生振荡，正是巧妙地利用了这一特点。满足了相位条件，只是说明振荡有可能产生。要使振荡发生，还需要第二个条件，要求直流电子流大于某一最小电流（起始电流），即： ii0 （5）这一条件相当于振荡的幅值条件。起始电流i0与电路及外负载有关，并与（n+3/4）成比例。式（2）和（5）就是振荡的相位条件和幅值条件，当这两个条件都满足时，微波振荡就会发生。2）反射式速调管的工作特性和工作状态：1、反射式速调管并不是在任意的反射极电压数值都能发生振荡，只有在某些特定的反射极电压值才能振荡。每一个振荡输出功率的区域叫做速调管的振荡模。2、对于每一个振荡模，当反射极电压VR变化时，速调管的输出功率P和振荡频率都随之变化；在振荡模中心的反射极电压上，输出功率最大，而且输出功率和振荡频率随反射极电压的变化也比较缓慢。3、输出功率最大的振荡模叫最佳振荡模。4、各个振荡模的中心频率相同通常称为速调管的工作频率。用改变反射极电压来实现振荡频率变化的方法称为“电子调谐”。一个振荡模的半功率点对应的频率宽度称为振荡模的“电子调谐范围”。半功率点对应的频宽与电压宽度的比值称为“平均电子调谐率”。三、微波测量（一）驻波系数测量驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器，其简单原理是：使探针在开槽传输线中移动，将一小部分功率耦合出来，经过晶体二极管检波后再由指示器指示，从而看出在开槽线中电场的分布情况（相对强度）。驻波测量包括两步分，即测定电场波腹和波节的振幅以及波节的位置。1小驻波比的测量 1.0051.5在这种情况下，驻波波腹和波节都不尖锐，因此要多测几个驻波波腹和波节，按下式计算的平均值 （6）当检波晶体满足于平方律时候 （7）2中驻波比的测量 1.510此时，只需测一个驻波波腹和一个驻波波节，按小信号平方律检波，即可算出驻波比 （8）3大驻波比 10如驻波比10，波腹振幅与波节振幅的区别很大，测量线不能同时测量波腹和波节，因此必须采用别的测量方法二倍极小功率法。使用平方律的检波晶体管，利用探针测量极小点两旁。功率为极小点功率二倍的距离W，以及波导波长g，按下式计算驻波比：4波节位置和波导波长的测定极小点的位置受探针的影响极微，只要驻波测量器灵敏度够高及极小点够尖锐，一般容易测定。为了精确测定极小点的位置，可采用平均值法，亦即测极小点附近两点（此两点在指示器的输出相等）的距离坐标，然后取这两点坐标的平均值，即得极小点坐标波导波长g可由两个相邻极小点的距离：xmin2xmin1决定。所以有 （9）（二） 功率测量功率测量包括两种方法：1、相对测量（确定微波功率的大小）；2、绝对测量（确定微波功率的绝对值）。在测量工作中常常需要检测微波功率扮存在或估计其相对大小,用来检测微弱信号功率的灵敏指示器称为检泼器。在小功率情况下,当检波电流不超过510微安时，检波晶体管可以相当精确地假定为平方律检波的，亦即检流计测得检波电流I与微波功率P成正比：IK0P ，其中K0为常数，（9）（三）频率测量微波频率的测量方法基本有两种：一种是谐振腔法，一是频率比较法。四、实验内容1、观察速调管的各个振荡模，开启电源，使速调管处于调幅工作状态。调节反射极电压（注意反射极电压相对于阴极必须处于负电位）观察振荡模。2、逐点测量速调管最佳振荡模功率P及反射电压的关系曲线，及频率f和反射极电压的关系曲线。办法：在最佳振荡模的位置上改变，对于每一个值，利用晶体检波头测量相对功率P，用波长计测量频率f（注意波节计测频率后失谐），共改变七次，相对之测P和f七次。3、使速调管处于方波调幅状态下，配合使用测量放大器测出波导波长。方法：利用驻波测量线测出驻波极大点和极大点，或极小点和极小点之间的距离算出，并代入公式计算出自由空间波长4、使速调管处于锯波调频状态，把晶体检波头输出端接到示波器的Y轴，即可观察各振荡模的图形。五、实验数据及分析(1)振荡模ABCDEU/v8.615.718.825.2058.852.263.772.096.1107.3118.0163.0171.9187.0I/0270034.941.3078.100870072.10由此可知第四组为最佳振荡模U/v96.160708770600I0101.4102.8107.3112.0113.6118.0（2）波导波长的测定1102.80115.2127.50141.1050.62102.70115.10127.60140.6050.43128.00140.00153.20166.5051.7478.5089.50103.20115.5050.7mean50.9由得：34.01mm而=34.64mm1.81%六、