微波反射式速调管的工作状态和工作特性

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

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

Γ=电场的入射波电场的反射波

则有

L

i L

zi i

r L

i i L i e

e

E E e

E e

E ββββ20--Γ==

=

Γ （1）

其中

ϕ

i e

Γ=Γ0，

Γ是终端反射系数，ϕ表示在终端反射波与λ射波的相差。

2、驻波比ρ：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

011Γ

-Γ+=

ρ

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，

Γ＝0，1=ρ传的是行波，i

y E E =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。

y

i r i y E E E E E -==+=,0亦即

π

i e

=-=Γ10，（终端处电场反射波与入射波的相位差为

π，却相位相反），此时α

β==Γ,10，波导中形成纯驻波。在驻波波节处，

min

=Γ，

驻波波腹处，

i

E 2max

=Γ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。0

Γ﹤1，ρ﹤1，

)

1(),1(0min

0max

Γ-=Γ+=i y

i y

E E E E 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＝εmax ，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＝－εmax ），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S 0（反射极与栅网间的距离），谐振腔电压V 0和反射极电压V R 选择合适的情况下，当群聚中心电子的渡越时间τ

等于微波振荡周期的3/4时，即：

τ0=(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τ0

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T ＝1/ƒ（ƒ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：i>i0 （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ƒ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 1.005≤ρ≤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腹和波节，按下式计算ρ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 1.5≤ρ≤10