近代物理实验报告-微波原理

近代物理实验报告一微波原理【摘要】本实验通过研究反射式速调管产生微波的工作特性，观察微波输出功率P以及振荡频率f随反射极电压Ur的变化曲线，并测得终端分别为全匹配负载、晶体检波器和短路时的驻波比，我们了解了微波的产生和测量的基本知识【关键词】微波、速调管、驻波比一、 引言微波是频率非常高，波长非常短的电磁波，其频率范围的划分并无统一的规定，通常将波长范围为0.1cm到100cm（相应频率为3X108-3X10iiHz）的电磁波划为微波波段。微波的波长决定了它的性质既不同与无线电波，也不同与光波，其独特的性质主要体现在四方面：1）高频特性，2）短波性，3）似光性，4）量子特性。微波的应用领域、研究方法和所用的传输元件、测量装置都与别的波段的电磁波不同而自成体系，微波技术发展迅速，在许多领域有重要的应用。常用的小功率微波振荡器有反射式速调管和体效应管振荡器，本实验用的是前者。二、 实验原理1、反射式速调管反射式速调管是利用运动的电子将直流电源能量转换为高频振动能量的器件，是实验室中常用的小功率微波信号源。（1）速调管的工作原理反射式速调管由阴极部分、谐振腔和反射极三部分组成。阴极部分发射电子形成电子束，谐振腔类似于LC振荡电路，相对于阴极有正电位，电子在栅网间来回运动形成振荡电流，进而形成振荡电场，圆环就产生相应的磁场。谐振腔反过来对电子速度进行调制。反射极相对于阴极有负电位，将穿过栅网的电子阻挡回去。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了一个微弱的微波电场。穿过栅网的电子受到微波电场的作用，可能受到加速或减速，速度发生变化。在正半周内电子被微波电场加速，微波电场从电子取得能量。因为电子是均匀连续地从阴极发出的，所以在正半周内电子取得的能量等于负半周内电子失去的能量。总起来说微波电场得到的能量为零，微波振荡不发生。为了产生振荡，必须在加速的半周内，使电子完全不通过间隙，或者通过的电子数比减速的半周时少。关键就在于要把密度均匀的电子流变成疏密相间的电子流，同时要让密集的电子团在通过栅网时正好受到微波电场的减速。上述的两点要求是通过反射极来实现的。电子从阴极均匀连续地发出，经加速极加速获得足够能量，当电子穿越谐振腔栅网时，在腔中激起感应电流脉冲，产生了电磁振荡，即在两个栅网间产生了一个微弱的微波电场。穿过栅网的电子将受到微波电场的作用。其速度受到微波场的调制，当微波场为+8max时，通过栅网的电子获得能量被加速，在反射空间经过较长距离才被反射回栅网，如图1中1。图1反射式速调管电子运动图当微波场为-£ma时寸，通过栅网的电子被减速，如图1中3,当微波场为0时，电子速度不变，被反射极反射回栅网如图1中2,选择合适的反射极电压«,,可使不同时间通过栅网的电子同时回到栅网形成所谓群聚现象。显然，微波场为0时，通过栅网的电子成为群聚中心。要使谐振腔内微波场持续的振荡并输出最大的微波功率，必须使围绕群聚中心电子的电子群回到栅网时受到微波场的最大减速使微波场从运动电子中获得最大的能量。在反射空间，距离S。、谐振腔电压U0和反射极电压气合适的情况下，就有可能做到：围绕着群聚中心电子的密集电子团回到栅网时受到微波电场的最大减速这样微波电场从运动电子净得的能量最大。如果把电子从离开栅网至回到栅网所需的时间叫做渡越时间70,则当群聚中心电子的渡越时间70与微波振荡周期T满足, 3、一…八10=（n+4）T，n=0，1，2...（1）m、

4代如。2°质量土射及电压匕、以及谐振腔电压匕等有关，它们满足下式（2）时，电子流给出的功率最大，这一条件相当于振荡的位相条件，其中T为微波振荡周期。渡越时间m、

4代如。2°质量土射及电压匕、以及谐振腔电压匕等有关，它们满足下式（2）由（1）（2）两式得片”=n+3（3）0Ir|此处，f=1T为微波震荡频率。（2）速调管的工作特性

由（3）式可知，当〃o固定时，只有对某些特定的^火值才能产生震荡。当〃0及n皆固定时，Ur的小变化，必然引起f的小变化。反射式速调管的特性曲线如图2所示。P（册）图2速调管输出功率特性曲线速调管的输出功率具有以下特点：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，Ur只有为某些特定值速调管才有微波输出，每一个输出功率的区域叫做一个振荡模。2） 对于每一个振荡模，当反射极电压Ur变化时，速调管的输出功率P和振荡频率f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） 不同振荡模输出功率不同，输出功率最大的振荡模叫最佳振荡模（图2中n=3的振荡模）。为了使速调管具有最大的输出功率和较稳定的工作频率，通常要求速调管工作在最佳振荡模中心的反射极电压上。（3）反射式速调管的三种工作状态：1） 连续振荡状态：Ur恒定，输出连续、等幅、单频的微波振荡。2） 调幅状态：Ur叠加理想方波电压，方波幅值变化，输出功率亦变化。3） 调频状态：Ur叠加锯齿波。图3（a）表示反射式速调管在方波调幅时的特性，图3（b）表示反射式速调管在锯齿波调频时的特性。图3（a）方波调幅 图3（b）锯齿波调频2、微波的传输一一波导管波导管是一种空心金属管，常见的波导管有矩形和圆柱形两种。在波导管中能够传播的电磁波可以归

纳成两大类。其一为横电波（或磁波），简写为TE波（或H波），磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量；其二为横磁波（或电波），简称^TM波（或E波）。它的电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。至于电场和磁场的纵向分量都不为零的电磁波则可以看成由横电波、横磁波迭加而成。在实际应用中，总是把波导管设计成只能传输单一波型。现在使用的标准矩形波导管中，都只能传播TE10波。考虑一个横截面为ab的矩形波导管其管壁为理想导体，则管内沿着Z轴传播的TE10波的各个分量可以写W77-PW77-PX,■-E=Esin——ei(wt-bz)^y。“:;Ex=Ez=°'口bpxHx=-wmE。sin;g顼⑷:丁。Pe PX••H=i Ecos——ei(wt-bz)：;zwma0 a其中，相位常数b=2p/1g波导波长lg=小-®。）2（截止波长）I。工a自由空间波长l=c/f对于临界波长10=2a，只有波长l<l。的电磁波才能在波导管中传播。电场矢量垂直于波导宽臂Ey,而磁场矢量在平行于波导宽臂的平面内（H，H）。电磁场在x方向形成一个半驻波，而沿y方向是均匀的。电磁场振幅随x、y的分布如图4所示。 „电力线 >磁力蝶.磁力线“朝着我们”*磁力线“背着我们”图4TE1。波的电磁场结构波导管的终端一般接有晶体检波器或其他负载。当入射的电磁波没有全部被负载吸收，即所谓不匹配时，就有一部分波被反射。波导中的任何不均匀性也会产生反射波。一般说来，波导中同时存在着入射波Ei与反射波E，E与E会产生干涉，形成驻波。为描述驻波，引入反射系数与驻波比的概念。波导中某截面处的电场反射波与入射波之比称为反射系数「=E叫(削〃==exp(-i2Pl)=「exp(—1201)⑸Eexp(iPl) E 0

其中’「广R|exp伽），「。是终端的反射系数，中是在终端反射波与入射波的位相差。驻波比S定义为：r与s有如下关系:r与s有如下关系:E_!_Eymin1+r—0-1-r0（6）（7）当微波功率全部为终端负载所吸收时（这种负载称为“匹配负载”），波导中不存在反射波。r=00 ，S=1，传播的是行波。当波导终端是理想导体板时（微波技术中叫“终端短路”）形成全反射，因在终端处Ey=0，E=-E。此时r=1，ST3，于是IE|=2\Esinpl，这时波导中形成纯驻波。在驻波波节处E\=0，驻波0 y 1 ymin波腹处|E =2|E|，这种状态称为驻波状态。ymax 1一般情况下，波导中传播的不是单纯的行波和驻波，于是r°i<1， 一般情况下，波导中传播的不是单纯的行波和驻波，于是r°i<1， s>1。场分布是一个行波和一个驻波的叠加，称为混波状态。图5给出波导在上述三种状态下电场随l而变化的分布曲线。图5电场随L而变的分布曲线3、微波的测量（1） 频率的测量一一谐振式频率计：频率计于微波功率发生强烈的共振吸收，会使输出功率明显减小，由频率计谐振腔长度可得到微波的频率。（2） 功率测量一一晶体检波器：晶体检波器中的微波二极管将微波信号转换成直流电信号.检波二极管用平方律检波，即I次U2。（3） 驻波比的测量一一测量线：测量线的探针在水平槽中移动，将一部分功率耦合出来，可以测得沿槽线方向电场的相对强度分布。三、实验内容1、实验装置本次实验使用的仪器主要有速调管，晶体检波器，波长计，测量线，电源，速调管座，单向器，定向耦合器，可调衰减器，各种终端，微安计，检流计，示波器等。其中速调管产生微波，波长计测量微波频率，检波器测功率，测量线测量驻波比，各种终端形成不同的微波传输状态，示波器观察速调管调频调幅特性。图6特性。图6实验装置图2、测量驻波比的方法（1）小驻波比的测量（L005<S<1.5）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节和波腹，按下式计算S的平均值:S=maximax2 maxx （8）'mini*Emin2*…+'minx当检波晶体管满足平方检波律时，则（9）（9）（2）中驻波比的测量（1.5<S<10）此时只需测一个驻波腹和一个驻波节，按下式计算即可:（3）大驻波比的测量S（3）大驻波比的测量S='max=*.max-min min（S>10）（10）波腹振幅与波节振幅的差别很大，测量线不能同时测量波腹和波节，此时可以用二倍极小功率法进行测量。利用探针测量极小点两旁，功率为极小功率二倍的两点的距离W，波导波长4g，可按下式计算驻波比:（11）（4）波节位置和波导波长的测定极小点的位置受探针影响很小，只要驻波测量器灵敏度足够高以及极小点足够尖锐，一般很容易测定。为了精确测定极小点的位置，可采用平均值法，即测极小点附近两点的坐标，取其平均值。而波导波长可由相邻两个极小点的距离决定。四、数据处理与分析1、速调管工作特性的研究（1）静态法1）定性测绘速调管的P-Ur曲线

初步测量速调管的功率随电压的变化后，找到最佳震荡模，微调晶体检波器的旋钮，使其达到最大后，再次测量速调管的功率随电压变化情况，数据记录如表1,图形如图7所示表1速调管P-Ur关系表反射极电压Ur/V峰位所对应的最大功率P/pA起点峰位终点-16.29-23.70-28.8715.8-37.20-48.70-55.335.0-70.40-85.30-97.5053.2-123.70-141.50-158.7070.5图7速调管的P-Ur曲线由图7可以看出，只有当某些特定的Ur值时才有功率输出，每个振荡模都有一个输出功率最大的地方。在四个振荡模中，最左边的那个输出功率是最大的，是最佳振荡模，其Ur=-141.5V，所对应的最大功率为70.5mAo2）仔细测绘最佳振荡模的P-Ur和f-Ur曲线测量数据如表2所示，测量图形如图8所示。Ur/VP/uA波长/mmUr/VP/uA波长/mmf/MHz-123.708.2029005.5-12721.88.1259013-12939.28.0589020-13146.58.0089025.5-13352.97.9789029.5-13760.17.9159035-139.368.97.8809039-141.570.27.8409042表2 速调管最佳振荡模P-Ur、f-Ur关系表Ur/VP/uA波长/mmf/MHz-141.570.27.8489042-144697.8029047-14664.27.7589051.5-14852.97.6989057.5-15028.27.5989070-15125.07.5729072-1522.57.5569073-15307.4609084从图8中我们可以看到最佳振荡模的功率有一个峰值，此时对用的Ur为-141.5V,当Ur偏离-141.5V时，P会迅速衰减，振荡频率也会发生相应的变化，最佳震荡模曲线并不是完全对称的，可能是由于速调管本身的问题。（2）动态工作特性终端接晶体检波器，速调管电源置锯齿波，反射极电压接示波器X轴，晶体检波器接示波器Y轴，把振荡曲线在示波器上显示出来，扫描幅度大可以看到多个振荡模，如图9所示；也可以调节直流电压和扫描幅度，只观察某一个模或一个模的局部。如果这时调节频率计，使其谐振频率落在P-Ur曲线上，可以观察到一个吸收峰，用这种方法观察所有的振荡模的中心点，可以发现，所有的中心点都有着一样的频率。测出最佳振荡峰部分位置点的频率为：起点的频率为9083MHz，峰值处频率为9044MHz，终点的频率为8994.5MHz，。对照图9及静态法数据可发现两种方法得到的结果很接近。图9动态法调频特性图2、驻波比的测量（1）小驻波比（理论上1.005#S1.5）的测量（终端接全匹配负载）：当微波功率全部为终端负载所吸收，波导中传播的是行波，称为匹配状态.此时波导中不存在反射波。实验测量数据如表3所示。表3小驻波比测量数据表1ma仙2.82.72.82.71min"A2.42.32.42.3由公式可得S= maximax2=