反射式速调管的工作特性和微波的基本测量

反射式速调管的工作特性和微波的基本测量摘要本实验通过反射式速调管产生微波振荡和波导管传输微波。利用各种部件对微波不同的吸收和反射的强弱，测量微波最基本参数：频率、功率和微波波导的性能指标，及波导管的驻波比。实验中测得最佳振荡模中心对应𝑈𝑅为-150.8V，测量的三个部件的驻波比分别是：全匹配负载为1.48、短路负载为3.02、晶体检波器最差匹配状态为2.18和最佳匹配状态为1.41。关键词反射式速调管微波驻波比一、引言微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用。微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。与无线电波相比，微波有下述几个独特性质：短波性(1m—1mm)、高频特性、量子特性和似光性（有类似光的吸收、反射现象）。综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同，且有巨大的应用价值。本实验中采用的微波是波长在3cm左右的厘米波。二、原理A.实验物理原理1．反射式速调管速调管的工作原理是将直流电源的能量转化电子动能，进而转化为微波波段的电磁场能量。其结构组成如图1所示，由三部分组成：阴极部分（形成电子细束）、谐振腔（调制电子速度，输出微波能量）和反射极（阻挡穿过栅网的电子）。反射式速调管的工作过程为电子细束在上下栅网间来回运动，形成振荡电流，即形成振荡电场，进而圆环里形成相应的磁场，利用耦合环引线即可将微波能量输出。虽然电子流与高频场能量相互作用过的总效应在正负半周期内是完全抵消的，但因为电子速度受微波场的调制，导致离开栅极的速度不同，不同速度的电子在拒斥场的作用下返回栅极的时间则不同，我们可以通过调整拒斥场的大小可以控制电子返回谐振腔的密度流。也就是通过调整反射极电压和谐振腔电压，反射空间距离，改变渡越时间，使得在返回栅极时受到微波场最大减速的电子团密度最大，电子流与高频场能量相互作用过的总效应在正负半周期内不完全抵消，即微波场从运动电子钟获得的净能量最大。(a)(b)图1反射式速调管的结构简图(a)和电路图(b)速调管中涉及的三个公式：𝑓=12𝜋√𝐿𝐶(1)τ=(n+34)T(2)τ=4𝑠0√𝑚𝑈02𝑒𝑈0+|𝑈𝑅|(3)其中公式(1)为由谐振腔决定的微波频率；(2)为渡越时间τ和微波振荡周期的关系；(3)为反射极电压𝑈𝑅、谐振腔电压𝑈0、反射空间距离𝑠0，三者共同决定渡越时间。根据上述原理分析，我们可以知道若固定𝑈0和𝑠0，则仅对应某些特定的𝑈𝑅才能产生满足公式(2)条件的渡越时间，产生微波振荡。速调管的输出功率有如下特点：𝑈𝑅值特定，才能有微波输出；振荡模中心输出功率最大；不同的振荡模，其输出功率不相等（因为n较小时，电子流在反射空间飞行的时间很短，电子来不及很好的聚在一起形成电子团，当n很大的时候，电子流飞行时间太长，以至于电子间的静电排斥力又将对群聚影响明显）。速调管有三种工作状态：连续振荡状态（连续，等幅，单频的微波振荡）；调幅状态（输出频率随方波幅值的变化而变化）和调频状态（机械调频和电子调频）。2．微波的传输矩形波导管中的𝑇𝐸10波，其磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。特性如下：存在一个临界波长𝜆0=2a(a为波导管的长边)，只有当自由空间的波长λ小于临界波长𝜆0时，电磁波才能在矩形波导中得到传播；波导波长𝜆𝑔大于自由空间波长λ；电场只有𝐸𝑦量，而磁场则有𝐻𝑥和𝐻𝑧分量；在x=𝑎2处,𝐸𝑦最大，在两侧为零，故电场在x方向形成一个驻立半波；电磁场在波导的纵方向上形成行波。波导终端接入负载后，由于负载性质的不同，电磁波就将在终端产生不同程度的反射，即波导中存在入射波和反射波。实验中，我们用驻波比或反射系数描述波导管中匹配和反射程度。其中，KRdD--图1反射速调管的结构图2电子在各电场中的运动URG1G10U2G2G0UUR10ωUsintωmV+Vsint0V阴极K灯丝谐振腔加速极反射极R反射系数Γ=电场的反射波的振幅电场的入射波的振幅(4)S=|𝐸𝑦|𝑚𝑎𝑥|𝐸𝑦|𝑚𝑖𝑛=1+|Γ0|1−|Γ0|(5)依据终端负载的不同，波导管具有三种工作状态：当终端接全匹配负载时微波功率全部为终端吸收，反射波不存在，波导中呈行波状态；当终端接短路负载时，终端全发射，波导中呈纯驻波状态；当终端接可调晶体负载时，既可以呈现全匹配的状态也可以呈现短路负载的状态，或者是两者的一种混合态（终端为部分反射，波导中传输的既不是行波，也不是纯驻波，而是混波状态）。3.微波测量微波测量基本出发点主要是利用各部件对微波的吸收效应。测量频率是通过调整腔长，改变其固有频率，使得此频率为微波频率相同，则发生谐振，即腔体对微波吸收强烈，微波的功率检测计读书突然变小。测量功率是利用晶体检波器将微波信号转化成直流电信号。测量驻波比使用测量线进行探寻电流的最大、最小值。B实验装置及方法1.实验仪器本实验使用的实验仪器如图2所示，主要有速调管电源，速调管座，单向器，定向耦合器，衰减器，各种终端。图2微波性能测量实验的仪器装置简图2.测量驻波比的方法1）小驻波比的测量（1.005≤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=𝐸𝑚𝑎𝑥1+𝐸𝑚𝑎𝑥2+⋯+𝐸𝑚𝑎𝑥𝑛𝐸𝑚𝑖𝑛1+𝐸𝑚𝑖𝑛2+⋯+𝐸𝑚𝑖𝑛𝑛(6)当检波晶体管满足平方检波律I∝𝑈2时，则S=√𝐼𝑚𝑎𝑥1+√𝐼𝑚𝑎𝑥2+⋯+√𝐼𝑚𝑎𝑥n√𝐼𝑚𝑖𝑛1+√𝐼𝑚𝑖𝑛2+⋯+√𝐼𝑚𝑖𝑛𝑛(7)2）中驻波比的测量（1.5≤S≤10）只需要测一个驻波腹和一个驻波节，按下式计算即可：S=𝐸𝑚𝑎𝑥𝐸𝑚𝑖𝑛=√𝐼𝑚𝑎𝑥√𝐼𝑚𝑖𝑛(8)3）大驻波比的测量（S10）本实验没有使用二倍极小功率法进行测量，测量一个驻波腹和一个驻波节，按照式(8)计算。三、实验内容实验的第一部分研究速调管特性，先是利用静态法通过使用电流计和数字万用表测量𝑈𝑅和功率，定性找到最佳振荡模，然后使用波长计测出频率，测绘出最佳振荡模的P−𝑈𝑅和𝑓−𝑈𝑅曲线。而后利用动态法，通过使用示波器，调节发射极电压和调制幅度及波长计，观察这些因素对振荡模的影响，也同时通过示波器测绘出𝑓−𝑈𝑅曲线，并比较静态法和动态法对于测绘𝑓−𝑈𝑅曲线的异同。实验的第二部分是通过使用测量线和数字万用表测量电流最小、最大值，得到全匹配负载、短路负载和可调晶体检波器的驻波比。四、实验结果分析与讨论A速调管工作特性的研究1.静态工作特性1）绘制速调管各振荡草图实验中记录的虽是各个振荡模的电流起点，最高点以及终点，但因为电流和电压满足平方检波律I∝𝑈2，即I∝P，可绘制出速调管各振荡模草图图3速调管各振荡模草图从图3可以看出，不同的振荡模，其输出功率不相等。这是因为n较小时，电子流在反射空间飞行的时间很短，电子来不及很好的聚在一起形成电子团，当n很大的时候，电子流飞行时间太长，以至于他们之间的静电排斥力又将对群聚影响明显。所以，存在一个最佳振荡模，其输出功率最大。从图中可以看出，第三个峰对应的输出功率最大，由于实验条件和仪器限制，无法观测到第三个峰之后的振荡模。所以不能确定第三个峰对应的振荡模为最佳振荡模，但可以肯定的是从左到右的振荡模是越来越接近最佳振荡模，所以，我们认为第三个峰对应的振荡模为实验中的最佳振荡模。从图3还可以看出，不同振荡模之间的∆|𝑈𝑅|不同。将公式(1)、(2)和(3)联立，可以得到4𝑠0√𝑚𝑈02𝑒𝑈0+|𝑈𝑅|∙𝑓=(n+34)(9)n和|𝑈𝑅|并非简单的线性关系而是类反比的关系。对式(9)求导可知，靠近最佳振荡模的振荡模之间∆|𝑈𝑅|越大。2）绘制最佳振荡的P−𝑈𝑅关系图和𝑓−𝑈𝑅关系图根据实验中的最佳振荡模区间内各𝑈𝑅以及对应的相对功率和微波频率做出P−𝑈𝑅和𝑓−𝑈𝑅关系图。图4最佳振荡模的P−𝑈𝑅曲线图5最佳振荡模的𝑓−𝑈𝑅曲线由图4可以看到，只有当反射极电压为某些特定值（附近）时，速调管才有微波输出，同时注意到振荡模有一个分布，说明电子群聚的振荡频率也有一个分布。由图5我们可以看出，对于某一个振荡模，当𝑈𝑅发生变化时，振荡频率变化很小，且在靠近峰位电压附近有一个较明显的线性区。但稍远离峰位电压，振荡模的频率与反射极电压不再具有线性关系，原因可能是利用波长计测量时，因为电流改变非常小很难准确找到其固有频率对应的波长。图5也反映出振荡模的频率随反射极电压的变化正是速调管能够进行调频的原因这一原理。2.动态工作特性1）各振荡模情况调节反射极电压为锯齿波，反射极电压接示波器X轴，输出功率为Y轴，得到如图6。图6动态法下速调管各振荡模草图比较图3和图6可以发现，动态法从左到右的输出功率递减，而静态法从左到右输出功率递增，这是因为在动态法中横坐标是𝑈𝑅是负值，静态法中横坐标是|𝑈𝑅|。所以静态法和动态法所观测图像结论一致。2）各振荡模峰位处微波频率调节波长计腔长，观察吸收峰的变化情况，如图7所示。图7用波长计测量微波频率的吸收峰吸收峰在各振荡模上的位置相同，这和理论预言是符合的。从公式(2)可以看出，随着n取连续的整数，𝑓是𝑈𝑅的周期函数。速调管产生谐振时，谐振频率等于速调管谐振腔的固有频率，是一个定值，所以各振荡模峰位处的频率是相同的。当波长计螺旋的读数变大时，吸收峰随之向右运动，由此也可以清楚的观察到波长计测量频率的原理。当吸收峰位于各振荡模的峰位时，其对应的频率在误差允许的情况下和前面静态法测量得到的峰值频率相同。3）最佳振荡模中各点的频率和电压对于最佳振荡模，在示波器上选若干点，测量各点反射极调制电压及对应的微波频率，如图8所示。图8动态法观测最佳振荡模的𝑓−𝑈𝑅曲线比较图4和图8可以看出静态法和动态法观察所得相符。但动态法线性拟合得更好一些，因为示波器相对波长计人为因素少很多，现象明显，误差也就比静态法小。4）速调管的调幅特性若在起点电压加方波，则在方波电压为最低时对应微波功率输出最大，因为反射极电压本身为负值，加入方波，电压在方波最低处接近峰位电压。若在峰位电压加方波，则在方波电压最高和最低时微波不能同时功率为零，因为本身微波P−𝑈𝑅不是一个对称的曲线。B驻波比的测量1）全匹配测量小驻波比表1全匹配负载驻波比测量数据𝐸𝑚𝑎𝑥1（V）𝐸𝑚𝑖𝑛1（V）𝐸𝑚𝑎𝑥2（V）𝐸𝑚𝑖𝑛2（V）𝐸𝑚𝑎𝑥3（V）𝐸𝑚𝑖𝑛3（V）483549335132S=𝐸𝑚𝑎𝑥1+𝐸𝑚𝑎𝑥2+𝐸𝑚𝑎𝑥3𝐸𝑚𝑖𝑛1+𝐸𝑚𝑖𝑛2+𝐸𝑚𝑖𝑛3=1.48实验中利用数字万用表测量电压来计算驻波比，实验值在理论值的范围内，说明全匹配负载对微波吸收强，反射弱。2）短路负载测量大驻波比表2短路负载驻波比测量数据𝐸𝑚𝑎𝑥=408（V）𝐸𝑚𝑖𝑛=135（V）S=3.02从实验结果看出与理论值不符合，更换短路负载后，所测得的驻波比仍然小于10，我猜测可能的原因有：一可能是仪器有一定损坏，传输过程对微波的吸收较大；二是仪器受到外界的电磁场分布的影响，使得驻波系数有影响。3）可调晶体检波器测量中驻波比表3可调晶体检波器驻波比测量数据可调晶体检波器的最佳匹配状态和最差匹配状态实际就是接近全匹配负载和短路负载，实验值与1）和2）中的实验值非常接近。五、结论和建议本实验通过反射式速调管产生微波振荡和波导管传输微波，并通过测量微波最基本参数：频率和功率，来研究反射式速调管的工作特性。实验中采用了静态法和动态法两种方法观察各振荡模的情况以及实验中的最佳振荡模P−𝑈𝑅关系图和