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=?Skip Record If...?
则有
?Skip Record If...?（1）其中?Skip Record If...?，?Skip Record If...?是终端反射系数，?Skip Record If...?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
?Skip Record If...?
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，?Skip Record If...?＝0，?Skip Record If...?传的是行波，?Skip Record If...?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。?Skip Record If...?亦即?Skip Record If...?，（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?Skip Record If...?，波导中形成纯驻波。在驻波波节处，?Skip Record If...?，驻波波腹处，?Skip Record If...?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。?Skip Record If...?﹤1，ρ﹤1，?Skip Record If...?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S0（反射极与栅网间的距离），谐振腔电压V0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τ0等于微波振荡周期的3/4时，即：
τ
=(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。显然渡越时间满足下列关系式：
τ
（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/?（?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?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
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 ? i e Γ=Γ0， Γ是终端反射系数，?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。
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=?Skip Record If...? 则有 ?Skip Record If...?（1）其中?Skip Record If...?，?Skip Record If...?是终端反射系数，?Skip Record If...?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 ?Skip Record If...? 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，?Skip Record If...?＝0，?Skip Record If...?传的是行波，?Skip Record If...?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。?Skip Record If...?亦即?Skip Record If...?，（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?Skip Record If...?，波导中形成纯驻波。在驻波波节处，?Skip Record If...?，驻波波腹处，?Skip Record If...?这种状态称为驻波状态。
实验2.1 微波波导管内的电磁场分布测量实验 §2.1.1实验目的 通过测量微波波导管内的电磁场分布，了解微波的产生、传播等基本特性，掌握微波测量的基本方法和技术。 §2.1.2实验原理与方法 一、微波与体效应微波振荡器 1、微波 按照国际电工委员会（IEC）的定义，微波（Microwaves）是“波长足够短，以致在发射和接收中能实际应用波导和谐振腔技术的电磁波”。实际应用中，微波通常指频率在300GHz到300MHz、波长范围1毫米到1米的电磁波，可分为分米波、厘米波、毫米波三个波段。 自上世纪40年代以来，微波科学技术表现出巨大的应用价值。例如， ? 雷达的诞生与成熟（1939一1945年）； ? 微波波谱学与量子电子学的巨大进步（1944年－至今）； ? 射电天文学大发展（1946—1971年）； ? 微波能量利用及微波医学（1947年－至今）； ? 卫星通信及卫星广播的建立与普及（1964年－至今）； ? 遥感、气象监测等； ? 高功率微波武器。1984年美国国防部制定定向能发展计划（定向能包括高能激光、粒子束和高功率微波（HPM）三个方面）。“微波武器” 将在反卫星、反精确制导武器等方面发挥重要作用。 2、体效应微波振荡器 目前，常用的产生微波振荡器的有两大类，电真空器件与固体器件。其中，电真空器件主要包括微波电真空三极管、反射速调管、磁控管和返波管等；固体器件有晶体三极管、体效应二极管（也称耿氏二极管，由于体效应管中微波电流振荡现象是耿式（J.B Gunn）于1963年首先发现的）和雪崩二极管。由于固体器件具有体积小、重量轻、耗电省及便于集成等优点，近几十年来发展迅速，尤其在中小功率范围内它已经取代电真空器件。固体器件中，采用体效应振荡器制成的微波信号源具有噪声低、工作电压低和便于调谐的优点，目前在实验室中广泛采用该类微波信号源。 1）负阻效应 体效应管的工作原理是基于N型砷化镓(GaAs)的导电能谷——高能谷和低能谷结构，如图2.1-1所示，高低能谷间的能量差0.36eV。处于这两类能谷中的电子具有不同的有效质量和不同的迁移率。在常温下低电场时，大部分导电的电子处在电子迁移率高而有效质量较低的低能谷中，当随外加电场增大，许多电子被激发跃迁到高能谷中，在那里电子迁移率低而有效质量较大。因此，低电场时，导电率高，而在高电场时导电率低。这种效应的结果使电子迁移率急剧下降。这种随电场的增加而导致电流下降的现象称为负阻效应，如图2.1-2
第３０卷第２期２００８年２月 电子与信息学报 Ｊ叫ｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆工ｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３０Ｎｏ．２ Ｆｂｂ．２００８ Ｘ波段速调管功率合成输出结构研究（ＴＥｏ。模输出窗设计） 孙鹏＠②丁耀辛艮①赵鼎①② ①（中国科学院电子学研究所北京１０００８０） ②（中国科学院研究生院北京１０００３９） 摘要：在对ｘ波段高峰值功率微波源迫切需求的牵引下，该文为ｘ波段高峰值功率速调管功率合成输出结构设计了一个工作在９ＧＨｚ的ＴＥｎｌ模输出窗，输出窗相对带宽大于７％，通带内插入驻波比小于１．２。此外，该文还建立了ＴＥ０】模输出窗窗片稳态温度分布的计算方法。理论分析表明，该输出窗传输５０ＭＷ的高峰值功率不会由于温升而出现窗片的破裂。 关键词：速调管；高功率输出窗；温升效应 中图分类号：ＴＮｌ２２文献标识码：Ａ文章编号：１００９．５８９６ｆ２００８）０２—０５０１一０４ＤｅｓｉｇｎｏｆＴＥ０１ Ｗｉｎｄ０Ⅵｒｆ．０ｒＸ—ＢａｎｄＨｉｇｈＰｏｗｅｒＫｌｙｓｔｒｏｎ ＳｕｎＰｅｎｇ∞’ＤｉｎｇＹａｏ＿ｇｅｎ①ＺｈａｏＤｉｎｇ①③ …（屁ｓ￡托∥剧ｅｃ￡ｍ竹记ｓ，Ｃ住饥ｅ８ｅＡｃａｄｅｍ可０，＆施佗ｃｅｓ，日ｅ彬佗９１０００８０，Ｃｈ讯ｎ） …（Ｇｍ砒。匏ｉ托研ｌ锄ｅｒｓ托可吖￡九ｅＧ胁佗ｅｓｅＡｃｏｄｅｍ可吖Ｓｃ钯ｎｃｅｓ，Ｂｅ咖珊１０００３９，（冼撕ｏ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａＪｎ）（－ｂａｎｄＴＥ０１ｏｕｔｐｕｔｗｉｎｄｏｗｉ８ｄｅ８ｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｉ８ｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｈｉｇｈｐｏｗｅｒｋｌｙ８ｔｒｏｎ．ＴＥ０１ｗｉｎｄｏｗｈａ８ｉｔｓｕｎｉｑｕｅｎｅｓ８ｔｏａⅣｏｉｄｖｏｌｔａｇｅｂｒｅａｋｄｏｗｎｄｕｅｔｏｉｔｓｍｏｄｅｐａｔｔｅｒｎａｎｄｗｉｎｄｏｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｃｅｎｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｏｒｔｈｉｓｗｉｎｄｏｗｉｓ９ＧＨｚａｎｄ ｂａｎｄｗｉｄｔｈｃａｎｒｅａｃｈａｓｈｉｇｈａ８７％ｗｉｔｈｓｔａｎｄｉｎｇⅥｒａⅣｅｒａｔｉｏｂｅｌｏｗ１．２：１．Ｔｈｅｏｒｙａｂｏｕｔｈｅａ七ｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｎｄｏｗｈａ８ｂｅｅｎｅ８ｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗ８ｔｈａｔｗｉｎｄｏｆｗｃｒａｃｋｉｎｇｄｕｅｔｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇａｐｗｉｌｌｎｏｔｏｃｃｕｒｗｈｅｎｈｉ曲ｐｏｗｅｒｍｉｃｒｏｗａＶｅｗｉｔｈｉｔ８ｐｅａｋＶａｌｕｅｏｆ５０Ｍｗ，ｐｕｌｓｅｌｅｎｇｔｈｏｆ１．５ｕ８ａｎｄｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅｏｆ１８０Ｈｚｉ８ｐａ８ｓｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｋｌｙｓｔｒｏｎ；Ｈ遮ｈｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔｗｉｎｄｏｗ；ＨｅａｔｉＩ曙ｅｆ艳ｃｔ １引言 高峰值功率单注速调管需要很高的电压源，容易产生Ｘ射线㈠并且由于电压很高，击穿现象时有发生；在ｘ波段，由于传统的多注速调管体积小，电子注之间的相互作用常常导致电子注的断裂和不必要的高次模式的出现，工作起来也很不稳定。因此我们拟采用功率合成输出结构（图１）来实现工作频率为９ＧＨｚ，输出功率为５０ＭＷ的高峰值功率。８个电子注相互独立，构成的８个支路呈圆周对称分布，分别与各自的群聚腔和输出腔相互作用，来产生６．２５ＭＷ的峰值功率。本文着重来介绍功率合成输出结构中ＴＥｏ】模输出窗的设计。 图１功率合成方法实现高峰值功率模型 ２００６－０８＿１１收到，２００７．０５—２８改回 传统的宽带速调管多采用长盒形窗输出结构∽但是，当传输功率增大时，陶瓷片和金属圆波导交界处的强电场会由于封装和焊接出现的不均匀而畸变，出现轴向强电场，造成输出窗的电场击穿。除此以外，在矩形波导和圆波导交界处也会由于结构不连续而出现电场畸变和鬼模振荡，造成陶瓷窗击穿和破裂例。ＴＥ０】模输出窗可以完全避免这些问题，由于ＴＥ０】模式在圆波导壁处电场为零，因此对封接没有严格的要求。除此之外，因为ＴＥｎ】输出窗环形膜片均匀且离陶瓷片较远，所以也不存在电场畸变和击穿问题。 ２Ｘ波段ＴＥｏ。模输出窗的优化设计 图２为ＴＥ０ｌ模输出窗的剖面图，它由两边的环形金属薄片、传输波导和中间的陶瓷窗片组成，这５部分作为一个整体共同构成了输出窗。整个输出窗可视为二端口网络，其转移参量矩阵Ａ有如下关系式： ｌｏ６ｌ Ａ２ｆ。ｄｌ５ ４４如ＡＡ 万方数据
实验B1 微波测量系统调试与频率测量 【实验目的】 1．了解微波测量系统的基本组成，学会一般的调试方法。 2．了解反射速调管微波信号源原理及特性，掌握调整参数使微波源实现最佳工作状态的方法。 3．了解微波谐振腔的基本特性，掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本方法。 4．学会用谐振腔波长表测量微波频率。 【实验原理】 一．微波测量系统 微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成。微波等效电源部分即微波发送器，包括微波信号源、工作状态（频率、功率等）监视单元、隔离器等。测量装置部分也称测量电路，包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等）以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率插头等）。测量指示仪器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等。 二．反射速调管微波信号源 微波信号源有许多类型，本实验中使用的是反射式速调管信号源 1．反射速调管的工作原理 反射式速调管有阴极、阳极（谐振腔）、反射极三个电 极，结构原理如图2所示。阴极发射电子；阳极利用耦合环和同轴线输出微波功率；反射极用以反射电子。由阴极发出电子束，受直流电场加速后，进入谐振腔。电子以不同的速度从谐振腔飞出来而进入反射极空间。在谐振腔和反射极间的直流排斥电场，使电子未飞到反射极就停下来，反射回谐振腔。 2．反射式速调管的工作特性和工作状态 在一定条件下，反射式速调管的功率和频率特性曲线如图3所示。 （1）反射式速调管只有在某些特定的反射极电压值才能振荡。有振荡输出功率的区域叫做速调管的振荡模，用n 表示震荡模的序号。 （2）对于振荡模，当反射极电压V R 变化时，速调管的输出功率P 和振荡频率f 都随之变化。 （3）输出功率最大的振荡模叫最佳振荡模（图3中n ＝3的振荡模）。 （4）各个振荡模的中心频率f 0相同通常称为速调管的工作频率。 通常调整速调管的振荡频率有电子调谐和机械调谐两种方法。可利用反射极电压的变化无惯性的进行频率调节，这种方法称为“电子调谐”。如果要在比较大的范围内改变速调管的振荡频率，采用“机械调谐”的方法，改变腔体的固有谐振频率。 反射式速调管的工作状态一般有三种：连续振荡状态、方波调幅状态、锯齿波调频状态。 图2 反射式速调管的结构原理
实验十六反射式速调管工作特性和波导的工作状态 【实验目的】 1.熟悉微波测试系统中各种常用的微波器件的原理及使用方法。 2.了解速调管振荡的基本原理。 3.观察和测量速调管的工作特性曲线。 4.掌握微波测试系统中频率、驻波比、功率等基本参量的测量方法。 【实验仪器】 3cm波段速调管振荡器、常用波导元件、微波测量线、波长计、示波器和选频放大器等。 【实验原理】 一.反射式速调管工作原理及工作特性 反射式速调管的结构原理图如 图1所示。当电源接通时，从阴极出 发并经聚焦电极形成的电子束，受其 前方带正电的谐振腔吸引，通过该腔 底部由两片金属栅网构成的间隙，使 腔中产生富有谐波的冲击电流，与腔 体谐振的谐波分量便被腔体选出，在 两栅之间便出现谐振频率的交变电场。通过其间的电子，在正半周得到加速，负半周得到减速，即发生“速度调制”。被加速的电子离开其后面被减速的电子，并赶上其前面被减速的电子，形成一蔟蔟 图1 反射式速调管的结构原理图 的电子团，即形成电子的“群聚”。经 过群聚的电子团继续前进，受到前方带 负电压的反射极的排斥而逐渐减速，终
于反向折回，又返回向栅区前进。假如反射极的负电压的大小合适，使返回经 过栅间的电子团正好被栅间交变电场减速，则电子团将把得自直流加速电源的 一部分能量交给谐振腔中的交变电场；只要交出的能量足以补偿腔体的损耗， 便可维持上述频率的振荡。据计算知：只要反射极电压U R 值正好使电子在反射 区域往返的渡越时间为： 图2 反射式速调管输出特性 T n )43 (+=τ 则腔体获得的能量最大，振荡就最强，输出功率最大。当U R 向某个最佳值两旁偏离 时，振荡便逐渐减弱而终致停振。直到U R 进一步变化到满足另一个整数n 的条件 时，便又出现另一个振荡区域。所以随着反射极电压的连续变化，会出现若干个不 同的振荡区，如图2所示。从图2中可以看出： （1）在模中心，输出功率最大，对应的频率 称之为中心频率，通常又叫做速调管的工作频率。 各振荡模的中心频率相同。对应于最大输出功率的 振荡区域，被称为最佳振荡区域（即最佳模）。 （2）当反射极电压在振荡模区域内微调时， 不仅输出功率变化，而且振荡频率也在中心频率的 左右作微小变化。即速调管振荡器频率可通过改变 反射极电压而进行“电子调谐”，但该种调谐的范 围一般只有数十兆赫，只起了频率微调的作用。 一个振荡模的半功率点所对应的频率宽度， 称为该振荡模的“电子调谐范围”（21f f -），半功率点所对应的频宽与电压宽度 的比值2 121V V f f --称为“平均电子调谐率”，见图3所示。
物理学报Acta Phys.Sin.Vol.62,No.5(2013)058402 多重电子超越现象对高功率注入大间隙速调管中束流 群聚特性的影响* 白现臣? 杨建华张建德靳振兴 (国防科学技术大学光电科学与工程学院,长沙410073)(2012年9月18日收到;2012年10月16日收到修改稿) 当注入功率较高时,大间隙速调管输入腔的基频电流分布中,除常规意义上的最佳群聚电流峰值(第一峰值电流)外,出现了与第一峰值电流幅值相当的第二峰值电流.结合群聚理论和粒子模拟结果,研究和讨论了第二峰值电流产生的机理.研究结果表明,第二峰值电流的出现由高电压调制系数下出现的多重电子超越效应造成.当二极管电压600kV ,束流5kA,工作频率3.6GHz 时,利用多重超越效应可在保持最佳群聚距离基本不变的前提下,把大间隙速调管的束流群聚深度由80%提高到92%,群聚束流的基频功率也从2.2GW 提高到2.8GW,增幅约27%. 关键词:大间隙速调管放大器,高功率注入,多重电子超越,束流群聚PACS:84.40.Fe,41.75.Ht,77.22.Jp,52.59.?f DOI:10.7498/aps.62.058402 1引言 为解决大型速调管功率合成阵列中种子源注入功率不足的问题[1,2],提出了利用高功率相对论返波管作为种子源驱动高功率注入两腔速调管放大器(wide-gap klystron ampli?er,WKA)的思路.两腔WKA 的结构更为紧凑,但由于增益较低因此需要高达数十MW 的注入功率,这远远超过了常规RKA 不足MW 的注入功率水平[3,4].在研究高功率注入条件下WKA 输入腔调制电子束的群聚特性时发现,随着注入功率和谐振腔间隙电压调制系数的增大,束流群聚机理由小信号线性区逐渐过渡到大信号非线性区.对于电压600kV ,束流5kA,工作频率3.6GHz 的调制电子束,当电压调制系数大于0.6时,在常规意义上的最佳群聚电流峰值附近,出现了第二个峰值电流.为区别比较,这里把通常意义上的最佳群聚电流称为第一峰值电流.随着注入功率继续增大,第二峰值电流迅速增大,并最终取代第一峰值电流成为实际意义上的最佳群聚电流. 这是在高功率注入情况下特有的束流群聚现象,尚 未见到公开的文献报道对该群聚现象进行分析和研究. 本文结合束流群聚理论和粒子模拟程序,对高功率注入条件下第二峰值电流的形成机理进行了定性分析和研究.分析结果表明,第二峰值电流的形成与高电压调制系数下的多重电子超越效应密切相关.如果仅考虑常规意义上的第一峰值电流,随着注入功率的增加,WKA 束流群聚深度逐渐趋于饱和值约80%.而在计及第二峰值电流后,可借助于多重电子超越机理,通过继续增强电压调制系数把WKA 的群聚深度提高到约92%.同时,可用于微波提取的群聚束流功率也由2.2GW 提高到2.8GW,增幅超过27%,这对于相对论器件来说是相当可观的. 2速调管中调制电子束的能量群聚 首先,在考虑群聚电子之间空间电荷场的情况下,给出调制束流达到最佳群聚的基本条件.速度为v 0的直流电子束在速调管输入腔间隙内,因受到 *国家高技术研究发展计划资助的课题.?通讯作者.E-mail:fcc3798@https://www.doczj.com/doc/029635806.html, c ? 2013中国物理学会Chinese Physical Society https://www.doczj.com/doc/029635806.html, 网络出版时间：2013-01-08 09:34 网络出版地址：https://www.doczj.com/doc/029635806.html,/kcms/detail/11.1958.O4.20130108.0934.007.html
反射式速调管的工作特性和波导管的工作状态 反射式速调管是一种微波电子管，一般用作实验室的小功率微波振荡器，或者用作微波接收机的本机振荡器。反射式速调管是实验室使用的微波信号源的核心部分。熟悉速调管的原理、结构、工作特性和使用方法，是正确使用微波信号源的基础。 微波的振荡周期与电子的渡越时间可以比拟，甚至还要小，使得普通电子管在微波波段不能使用；而反射式速调管正是利用微波这一特点而设计成的微波振荡管。测量速调管中电子的渡越时间，可以加深对速调管工作原理的理解。 微波在波导管中的传播情况，可以归结为三种状态：匹配状态、驻波状态和混波状态。观测这三种状态，有助于熟悉匹配、反射和驻波等概念。 波导中波传播的相速度大于光速C。通过测量波导波长和频率的方法来决定相速度、群速度和光速，不仅提供一种测量光速的简便方法（有四位有效数字），而且可以进一步明晰微波在波导管中传播的物理图像。 本实验的目的要求是: 1.熟悉反射式速调管的结构、特性和使用方法及波导管的三种工作状态，并掌握微波的三种 基本测量； 2.测量反射式速调管中电子渡越时间及波导管中波传播的相速度、群速度和光速。 一、原理 ㈠速调管的工作特性 l．速调管的结构、特性和使用方法反射式速调管主要由阴极、谐振腔和反射极三部分组成（原理结构图参看图0－15和图0－16）。从阴极飞出的电子被谐振腔上的正电压加速，穿过栅网。在反射极反向电压的作用下，运动电子返回栅网。当满足一定条件时，在谐振腔中产生微波振荡，微波能量由同轴探针输出。 图0 —15 图0 —16 反射式速调管的结构原理图反射式速调管K-27 的结构图反射式速调管K-27常用于3 Cm波段，图中给出了其结构图。图中调谐螺钉的作用是通过改
微波实验一：反射式速调管的工作特性和波导管的工作状态 鲁东大学近代物理实验室2008/04/14 一、微波基础知识： 微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、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，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。从图1可以看出，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，微波有下述几个主要特点 图1 电磁波的分类 1．波长短(1m —1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成 方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而 确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。 2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9一10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。 3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。 4．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。(北京大华无线电仪器厂) 5．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。 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。微波实验是近代物理实验的重要组成部分。
大功率速调管的原理及应用 发表时间：2018-07-30T09:49:19.770Z 来源：《电力设备》2018年第10期作者：刘赟吴坚马源[导读] 摘要：大功率速调管由于其功率潜力无论是平均功率还是峰值功率，在微波电子管中占有极其重要的地位。 （陕西黄河集团有限公司陕西西安 710043）摘要：大功率速调管由于其功率潜力无论是平均功率还是峰值功率，在微波电子管中占有极其重要的地位。作为高功率、高增益及高效率微波放大器件，在雷达系统、加速器、广播电视及通信、国防和军事等方面获得了广泛应用。 关键词：微波；高功率；高增益在速调管中，输入腔隙缝的信号电场对电子进行速度调制，经过漂移后在电子注内形成密度调制;密度调制的电子注与输出腔隙缝的微波场进行能量变换，电子把动能交给微波场，完成放大或振荡的功能。1937年，美国物理学家瓦里安，R.H.和S.F.瓦里安制出双腔速调管振荡器。反射速调管则是1940年由苏联工程师捷瓦科、丹尼尔捷维、布斯库诺维和柯瓦连科分别研制成功的。按照电子行进的轨迹，速调管 分为直射速调管和反射速调管两类，通常将直射速调管简称为速调管。（1）直射速调管：在结构上包括以下几部分:电子枪、谐振腔、调揩系统、各腔之间的漂移管、能量耦合器、收集极和聚焦系统。具有两个谐振腔的速调管称为双腔速调管;具有两个以上谐振腔者称为多腔速调管。双腔速调管：双腔速调管仅有两个谐振腔，即输入腔和输出腔。由电子枪产生的电子注首先到达输入腔隙缝。输入的微波信号经能量耦合器送进输入腔，在谐振腔隙缝外形成微波信号电压。在这里，电子注受到微波场的速度调制，然后进入无场漂移管。在漂移过程中电子发生群聚，在电子注内形成密度调制。密度调制的电子注与输出腔隙缝的微波场进行能量交换，电子把能量交给微波场，完成放大或振荡的功能。双腔速调管增益仅为10分贝左右。为了提高增益，可以在输入腔与输出腔之间设置一个或多个中间腔，构成级联放大器。这种速调管称为多腔速调管)。引入中间腔还可以提高效率;若使各腔频率略有差异，还可展宽频带。多腔速调管的特点是增益高、效率高、稳定性好、输出功率大，缺点是频带窄。多腔速调管的稳定增益可达80分贝，效率最高可达75%，脉冲功率可达60兆瓦，连续波功率可达1兆瓦。频带一般仅有1%~2%，个别大功率脉冲速调管可10%~12%。（2）反射速调管：用来产生微波振荡的单腔速调管。它的特点是结构简单，工作可靠，体积小，重量轻，电压低，可机械调谐和电子调谐，参数随环境温度变化小，抗辐射能力强。反射速调管输出功率为10毫瓦至2.5瓦，工作频率在800兆赫至220吉赫之间，机械调谐范围为1%~15%(毫米波管达40%)，电子调谐范围为0.1%~1.0%。效率为20%~30%。反射速调管在结构上包括阴极、谐振腔、反射极速调管和能量耦合器等部分。 电子从阴极发射出来，受到加速后穿过谐振腔隙缝。在隙缝外受到微波电场的速度调制，然后进入谐振腔与反射极之间的减速场(反射极电位负於阴极)。在减速场作用下，所有电子都将被反射回来。受到速度调制的电子注，在减速场内返转运动过程中形成密度调制。当电子注再次穿过隙缝时，群聚的电子把能量交给腔体微波场以维持振荡。振荡功率经能量耦合器送至负载。电子被腔壁或其他金属零件收集。反射速调管广泛用於小功率信号源、振荡器和各种微波设备，但因半导体器件的竞争，产量有降低的趋势。尽管如此，在80年代初它仍是微波电子管中生产数量最大的一种管型。针对速调管在工作当中的故障以及保养做出分析：（1）离子泵电流过大：发射机在开机后，未上高压前，观看离子泵电流表的数值。因为这时只有离子泵电压和灯丝电压，可排除其它因素造成读数不准。如果离子泵电流指示大而且不回落，此时管子应该更换。但有的上机新管子离子泵电流大于20uA的，这时阴极处有磁铁，将磁铁去掉。如果继续增长(约10gA左右)，可判断管子坏了。管子由于老化漏气，造成管内充满气体，破坏了管子正常工作的条件。高压线很脏也会使离子泵电流表头大于10g^。如果擦干净后还是很大，也说明管子漏气了。 （2）体电流过大：一般速调管的体电流小于50mA，当管子漏气或散焦，体电流到100mA左右，正常情况下保护电路会动作。造成体电流过大，大致有以下几种原因:(a)聚焦电流故障，造成电子束散焦;(b)激励过大，使速调管工作在饱和状态;(c)电流过大电子束变粗;(d)运输不当或安装位置不处于水平，速调管有些变形或不直;(e)励磁线圈不同心;(f)收集极或与其相连的器件触地，也会造成体电流过大。从上可看出，体电流过大不一定是管子坏了，应首先检查励磁电源、聚焦等外围电路，减小激励。收集极对地电阻应为5Q-7Q，零或太大都不合适，有时只要换上合适的电阻，故障即可排除，用不着换管子。体电流大于100mA，管子的增益很低。如果保护电路有故障而失去保护作用，散焦的电子轰击管壁某处，使之温度升高，管子有灼烧的痕迹。 （3）注电流小：在正常的控制电压下注电流相对较小。刚开机时还大一些，随后越来越小。分析有两种情况:(1)灯丝电压过低，注电流就小。因电子被强行从阴极拉出，很容易将阴极拉坏，管子的注电流就下降;(2)管子使用寿命已超过厂家的标称值(使用维护得当，寿命可达几万小时)，阴极发射能力下降，增益低不能满足播出要求。 （4）一腔增益低：影机频响曲线中间凹陷，怎么也调整不好，增益降低。图像轮廓模糊，色彩不鲜。声机情况类似，也调不出理想频响曲线。在管子使用寿命到期后，性能会正常衰退，有时表现为一腔增益下降。但灯丝电压长期过高，阴极材料蒸发过猛，会使一腔陶瓷的绝缘层变成导电氧化物，污染了陶瓷壁，导致一腔Q值下降。后一种情况是可以避免的。刚使用的速调管灯丝电压为5V，工作600小时后，降低到4。盯再长期使用。因为海绵阴极钡激活以后，可以给出较高的放射能力。这时虽然灯丝电压降低了，但放射电流并不降低，还可以延长速调管的使用寿命。
实验七 反射式速调管工作特性的研究 实验目的 1．熟悉和掌握微波测试系统中各种常用设备的结构、原理及使用方法。 2．了解反射式速调管的工作特性。 微波的基础知识 一、什么是微波 微波是一种波长很短的电磁波，其波长在0.1毫米到１米之间。通常将微波划分为分米波、厘米波、毫米波及亚毫米波这四个波段。亚毫米波又被称为超微波。根据电磁波长与频率之间的关系：c f =λ?，微波的频率在300GHz —300MHz 之间，（其中1MHz ＝106Hz ，1GHz ＝109Hz ）。 微波的低频端与普通无线电波的“超短波”波段相连结，而其高频端与红外线的“远红外”波段毗邻，因而使微波具有与普通无线电波及光波都不完全相同的特点，这样微波的研究方法和应用领域以及所用的传输系统、元件、器件和测量装置都与别的波段不同。 二、微波的特点 １．频率高。微波的频率比普通无线电波频率提高几个数量级，一些在低频段中并不显著的效应在微波波段就明显地表现出来。例如由于电子渡越时间（一般为10-9秒）与微波振荡周期相比已不可忽略，因而在微波波段内不能使用普通的电子管，必须采用电子流与微波谐振回路相互交换能量的方式。产生微波信号的方式，不能采用“低频”电路中常用的Ｌ－Ｃ振荡回路，而必须由“谐振腔”来实现。 另外，随着频率的增高，趋肤效应及传输线的辐射效应越趋严重，因而沿用普通两线式传输线传输微波已不可能，而必须采用特殊的传输线—波导管。 ２．波长短。微波的波长远小于一般宏观物体的尺寸（如建筑物、船、飞机、导弹等）。这就使微波在空间的传播方面具有类似光波的特性—反射。因此就有可能将微波电磁场的能量集中在一个很狭窄的波束中，进行定向发射，它能透过地球上空的电离层向太空传播。 ３．微波的参数和测量技术是独特的。在低频电路中的基本参数是电压、电流、和频率，在微波系统中，电流、电压的概念已失去了确切的含义，而且根本无法直接测量，必须从三维空间场的理论着手，用“场”的观念，求解在一定边界条件下，一定介质填充的系统中的电磁场方程。因而在微波系统中主要参数为阻抗、波长和功率。微波阻抗是通过测量电场强度的相对值（即：驻波比）而得到的，波长的测量可使用校过刻度的波长计，而功率测量是将微波所产生的热效应转换成一定的电能后去测量的。 三、微波源 用以产生小功率微波振荡的器件，通常有反射式速调管和体效应管两种，本实验所用微波源是以反射式速调管为振荡器件，为此对反射式速调管做一简单介绍。 1．反射速调管是一种结构简单、实用价值较高的微波振荡器件，它是利用电子与电
研究与专题论述 真空中绝缘子表面电荷分布的测量ΞM easu rem en t of the Charge D istribu ti on on the In su lato r Su rface in V acuum 丁立健,屠幼萍,李成榕,王景春,吕金壮 (华北电力大学电力工程系,北京102206) 摘 要 介绍静电场探头测量电介质表面电荷的原理,并研制了一套在线测量真空中绝缘子表面电荷分布的测量系统,经校验和实用表明它线性特性很好,完全满足真空中绝缘子表面带电测量的要求,还能研究通常情况下绝缘材料(器件)的表面带电状况。 Abstract T h is paper describes the p rinci p le of electro static capacitive p robe fo r the charge distribu ti on m easu rem en t on the dielectric su rface,and a m easu rem en t system has been developed fo r the su rface charge m easu rem en t of the in su la2 to r in vacuum.T he experi m en tal resu lts show that th is m easu rem en t system has excellen t learner perfo rm ance,and it also can be u sed to m easu re the charge distribu ti on of di2 electric su rface in no rm al conditi on. 关键词 测量 表面电荷 绝缘子 真空 Key words m easu rem en t su rface charge in su lato r vac2 uum 中图分类号 TM216+11;TM933123 文献标识码 A 0 引 言 X射线管、高功率速调管、中子束二极管、脉冲功率开关、粒子加速器等众多高功率器件和大型尖端设备上的绝缘子都应用在真空中,而真空中绝缘子的沿面闪络现象制约了上述器件和设备的电气绝缘性能。目前研究中不少学者提出的有关闪络机理的假说都涉及电荷产生和激增过程,认为绝缘子沿面闪络现象与其表面带电特性有关。本文研制的在线测量系统能测量真空中高电压下绝缘子表面带电情况而不影响真空度,从而研究真空中绝缘子表面带电特性与沿面闪络现象之间的关系。 1 表面电荷测量原理 常见电介质带电情况测量方法有激光光强调制法(L I M M)、静电电容探头测量技术、压力脉冲法(包括激光诱导压力波法L IPP、声波探测法等)、电子束探测法、光电场效应法等多种[1～4]。为在真空中测量绝缘子表面带电情况,且测量前试品还需另作一系列试验,整个过程不得破坏真空度(约10-4Pa),因此选用静电场探头法。 图1 测量等效电路静电电容探头可视为 一电容性分压器,探头正 对面的被测带电表面对地 可等效为一已充电的电容 C s,探头的端部与被测带 电表面间的电容构成分压 器的高压侧电容C p s,低压 侧等效电容C e由测量仪表的输入电容和引线电容构成(μC p s),其测量等效电路见图1。C s上的电压U s(与其表面电荷密度密切相关)会影响C e上的电压,测出C e上电压变化的情况即可得到被测表面电荷密度Ρ的分布。 设被测表面面积为A(即探头等效面积)则 U s(C s+C e C p s (C p s+C e))=ΡA, 而输出电压U e=C p s U s (C p s+C e),即 U e=(C p s C e)ΡA (C s+C p s), 因C sνC p s,故Ρ≈U e C e A。 可见,Ρ和C e及U e有关。一个确定的静电场探头的C e及A都是一定的,测量出U e的变化即可知Ρ的变化,最低可测电荷密度取决于电压测量的灵敏度。电场探头的等效面积大则Ρ测量灵敏度高,但Ρ测量的空间分辨率降低。 3 测量系统的设计及测量过程 与普通的分压器测量电压不同,本系统是通过测量绝缘子表面电荷引起的表面静电电位来获得表面电荷密度的,故低压侧的电压测量系统必须具有足够大的输入阻抗,以免测量系统的泄漏导致无法有效测量。 为保证静电电压探头、连接头以及探头引线等的等效阻抗和电压测量仪表的输入阻抗构成的整个电压测量系统的高阻抗特性,静电电容探头采用聚 ? 1 ? 2003年4月 高电压技术 第29卷第4期 Ξ国家自然科学基金项目(50107002)
实验一、微波测试系统的认识与调试 一、实验目的： １．了解微波测试系统的组成及各部分的作用。 ２．正确认识与使用实验仪器。 ３．了解微波振荡管――反射速调管振荡器特性。 ４．了解微波信号源的工作方式及信号的检测方法。 ５．掌握用交叉读数法测波导波长的过程。 二、实验原理： （１）微波测试系统的基本组成： 等效信号源部分： 测量电路部分： 指示检测部分： 等效源测量电路 （２）反射速调管的振荡特性： 三种工作方式：等幅（连续波）方式，方波调制方式，锯齿波调制方式。 三种方式的工作情况及适用环境，信号的检测手段，信器、仪表及号特征。 （３）交叉读数法测量波导波长： ①检查系统连接的平稳，工作方式选择为方波调制，使信号源工作于最佳状态。 ②用直读式频率计测量信号频率，并配合信号源上的频率调谐旋钮调整信号源的工作 频率，使信号源的工作频率为９３７０MHZ。 ③测量线终端换接短路板，使系统处于短路状态。将测量线探针移至测量线的一端。 ④按交叉读数法测量波导波长：
I 交叉读数法测量 波导波长 I 0 d 01=(d11+d12)/2 d 02=(d21+d22)/2 则得：λg=2*|d02-d01| 三、强调及注意事项： （１） 频率计的使用：频率计是用来测量频率的仪器，而不是用来调整频率的微波元器 件。 （２） 注意反射速调管信号源及耿氏管信号源的区别，以及对反射速调管信号源中的锯 齿波调制方式。 （３） 波导波长的测量方法中要注意I 值不要太大，尽量不要在测量线的两端进行测量， 读数要细心。 四、数据处理及报告总结： （１） 正确画出微波测试系统的基本框图； （２） 简要正确地描述测试系统中各个元器件的性能及用途。 （３） 计算用交叉读数法测得的波导波长： ?? ? ??-=a g 20120 λλλ 其中， 0λ＝C/f 0 ,a=22.86mm 。
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U R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。
反射式速调管工作特性的研究反射式速调管工作特性的研究
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实验七反射式速调管工作特性的研究 实验目的 1 .熟悉和掌握微波测试系统中各种常用设备的结构、原理及使用方法。 2 .了解反射式速调管的工作特性。 微波的基础知识 一、 什么是微波 微波是一种波长很短的电磁波， 其波长在0.1毫米到1米之间。通常将微波划分为 分米波、厘米波、毫米波及亚毫米波这四个波段。亚毫米波又被称为超微波。根据电磁 波长与频率之间 的关系： f C ,微波的频率在 30 0GH Z — 3 0 0M H z 之间,（其中 1M Hz= 1 06 Hz , 1G Hz= 1 0 9 Hz ）。 微波的低频端与普通无线电波的“超短波”波段相连结，而其高频端与红外线的 “远红外”波段毗邻，因而使微波具有与普通无线电波及光波都不完全相同的特点，这 样微波的研究方法和应用领域以及所用的传输系统、元件、器件和测量装置都与别的波 段不同。 二、 微波的特点 1. 频率高。微波的频率比普通无线电波频率提高几个数量级 著的效应在微波波段就明显地表现出来。例如由于电子渡越时间 振荡周期相比已不可忽略，因而在微波波段内不能使用普通的电子管，必须采用电子流 与 微波谐振回路相互交换能量的方式。产生微波信号的方式，不能采用“低频”电路中 常用的L-C 振荡回路，而必须由“谐振腔”来实现。 另外，随着频率的增高，趋肤效应及传输线的辐射效应越趋严重 ，因而沿用普通两线式 传输线传输微波已不可能，而必须采用特殊的传输线一波导管。 2 .波长短。微波的波长远小于一般宏观物体的尺寸（如建筑物、船、飞机、导弹 等）。这就使微波在空间的传播方面具有类似光波的特性一反射。因此就有可能将微波 电磁场的能量集中在一个很狭窄的波束中 ，进行定向发射，它能透过地球上空的电离层向 太空传播。 3 .微波的参数和测量技术是独特的。 在低频电路中的基本参数是电压、 电流、和频 率，在微波系统中，电流、电压的概念已失去了确切的含义 ，而且根本无法直接测量，必 须从三维空间场的理论着手，用“场”的观念 ，求解在一定边界条件下，一定介质填充的系 统中的电磁场方程。因而在微波系统中主要参数为阻抗、波长和功率。微波阻抗是通过 测量电场强度的相对值（即：驻波比）而得到的，波长的测量可使用校过刻度的波长计，而 功率测量是将微波所产生的热效应转换成一定的电能后去测量的。 三、 微波源 用以产生小功率微波振荡的器件，通常有反射式速调管和体效应管两种 ，本实验所 用微波源是以反射式速调管为振荡器件 ，为此对反射式速调管做一简单介绍。 1. 反射速调管是一种结构简单、 实用价值较高的微波振荡 器件， 它是利用电子与电场 相互作用的原理制成的，其结构如图1所示。 ，一些在低频段中并不显 （一般为1 0 -9秒）与微