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。
二、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。
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
改变谐振腔两个
栅网的距离来改
变调谐频率。
图 0—15反射式速调管的结构原理图图 0—16反射式速调管 K-27 的结构图
左图0—17反射式速
调管K-27的特性曲线
左图0—18电子调谐
范围（阳极电压
V0=300V,波长λ
=3.2Cm）
反射式速调管的
特性曲线（在一定的
阳极电压情况下，输
出功率P以及振荡频
率f与反射极电压V R
的关系曲线）如图0
－17所示，由图可以
看出下列特性：具有分立的振荡模；改变反射极电压会引起微波功率和频率的变化；存在最佳振荡模；各个振荡模的中心频率相同等等。
可归纳为：
（l ）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，只有在某些特定值才能
振荡。每一个有振荡输出功率的区域，叫做速调管的振荡模，n 表示振荡模的序号。
（2）对于每一个振荡模，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。在振荡换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，叫做最佳振荡模（图0－17中n ＝3的振荡模）。为了使速调管
具有最大的输出功率和稳定的工作频率，通常使速调管工作在最佳振荡模的中心反射极电压上。
（4）各个振荡模的中心频率相同，（为什么？想想振荡模的中心频率决定于什么？）通常称为速调管的工作频率。
调整反射式速调管的振荡频率有两种方法：“电子调谐”和“机械调谐”。
用改变反射级电压来实现振荡频率变化的方法，称为“电子调谐”（可使频率小范围内变化，一般Δf ≤0.005f 0）。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”（图0—18中的21f f -），半功率点所对应的频率宽度的比值212
1V V f f --称为“平均电子调谐率”。
要使速调管的频率有较大的变化，可以通过慢慢转动调谐螺钉（图0—16）改变谐振腔的大小来实现，这种方法称为“机械调谐”。
反射式速调管的工作状态一般有三种：
（ⅰ）连续振荡状态：就是我们在上面讨论过的工作状态，亦即在反射板上不加任何调制电压，
调节反射极电压使反射式速调管处在最佳工作状态（在最佳振荡模的最大输出功率处，具有较好的功率和频率稳定性）。
（ⅱ）方波（或矩形脉冲）调幅状态：图0－19表示反射式速调管在方波调幅时的特性。为了获得纯粹的调幅振荡，避免引起附加的调频，调制电压必须为严格的方波，而且要选择合适的反射极电压（直流工作点），使调制波形的一个半周处在两个振荡模的不振荡区域内，而另一个半周处在振荡模的功率最大点。在实验中是这样做的：先使速调管处在连续振荡的最佳位置，当从连续状态变到调幅状态时，调节方波的幅度使得输出功率为连续状态的一半，此时的调制幅度为合适。
图0—19 反射式速调管在方波调幅时的特性 图0—20 反射式速调管在锯齿调频时的特性
当速调管处在调幅工作状态时，在微波测量线路中配合使用测量放大器，可以提高测量灵敏度。
（ⅲ）锯齿波（或正弦波）调频状态：图0－20表示反射式调速管在锯齿波调频时的特性。速调管反射极电压的直流工作点选择在某一振荡模的功率最大点，亦即选在频率变化曲线的当中，当锯齿波的幅度比振荡模的宽度小得多时，可以得到近似直线性的调频信号输出，而附加的调幅很小。
当速调管处在调频工作状态时，可用示波器观测微波系统的动态特性。
㈡反射式速调管的工作原理
图 0 — 21 反射式速调管内电子的运动轨迹
为什么反射式速调管会产生微波振荡？为什么只有在某些特定的反射极电压数值时才有输出功率（存在着分立的振荡模）？为什么能够对反射式速调管进行电子调谐和机械调谐？……，为了回答这些问题，这里简单介绍反射式速调管的工作原理。
要研究振荡的产生，就必须分析速调管中电子的运动过程和能量转换机构。
参看图0－21，从阴极飞出的电子被谐振腔上的正电压所加速，这时直流电源的能量转化为真空中运动电子的动能。问题就在于：怎样把运动电子的动能变成微波振荡的能量？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，亦即电子受到速度调制。在正半周内电子被微波电场加速，微波电场把能量传给电子；在负半周内电子被微波电场减速，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，微波电场净得的能量为零，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为少。那么，关键就在于：（1）怎样把密度均匀的电子流变成疏密相间的电子流（电子的密度调制）？（2）怎样使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。为了解释电子团的形成，让我们来研究四个在不同时刻飞过栅网的电子的运动并画出它们运动的空间时间图（图0－21）：电子1通过栅网时，微波电场=0，速度不变，进入反射空间，到达反射平面（假想的）后返转；电子2通过栅网时，微波电场=ξmax ，受到加速，越过反射平面后返转；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返转；电子4通过栅网时，微波电场=﹣ξmax ，受到减速，未到达反射平面就返转。电子3成为群聚中心，它的运动轨迹如图0－21中的粗线所示。
在反射空间，距离S 0、谐振腔电压V 0和反射极电压V R 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挣得的能量最大。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（以τ表示），则与群聚中心电子的渡越时间τ0与微波振荡周期T 满足下式：
τ0=（n +3/4）T, n =1,2,3,… （0－19）
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。显然，渡越时间τ0与电子的电量e ，和质量m 、反射空间的距离S 。、反射极电压V R 以及谐振腔电压V 0等有关，它们满足下式：
R V V e mV S +=00
024τ （0－20） 群聚中心电子在反射空间中的运动，就好像在重力场中铅直上抛小球的运动一样。感兴趣的话可推导一下上式。
利用式（0－19）、（0－20），并注意到T =1/f (f 位微波频率)，我们有
432400
0+=?+=n f V V e mV S R τ 上式表明：只有V 。和R V 为某些值时才能产生振荡，而且对于一定的n 和V 0，改变V R 会引起 f 的改变，因此反射式速调管具有如图 0－17所示的工作特性曲线，从而也就不难解释本节开始时提出的那些问题。值得指出的是，由式（0－19）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，这就是我们在本单元引言中讲到的微波特点之一。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。
满足了位相条件，只是说明振荡可能产生而不是一定会产生。如果直流的电子流太小，由群聚中心电子团所能传递给微波电场的功率不足以克服电路和负载中的损耗时，振荡就不发生。因此，要使振荡发生，还需要第二个条件，即要求直流电子流大于某一最小电流（起始电流），也即i ＞i 0。
这一条件相当于振荡的幅值条件，起始电流i 0与电路及外负载有关，并与（n ＋ 3／4）成比例。
式（0－19）、（0－20）就是振荡的位相条件和幅值条件，当这两个条件都满足时，微波振荡常常会发生。 使用速调管振荡器时要注意爱护仪器，熟悉仪器面板上各个开关、旋钮的作用，并采取正确的使用方法（注意施加电压的步骤和各极电压的极限值）。
2．电子渡越时间的测定（选做） 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。群聚中心电子的渡越时间τ0由下列关系式决定：
T n )43(0+=τ (n =1,2,3,… ) R V V e mV S +=00
024τ 这里，R V 是相应的模中心反射极电压。以上两式中含有两个未知量：n （振荡模的序号，参看图 0－17）和 S 。（反射空间距离）。利用实验数据（在我们的实验中可以观测到四个振荡模）和下式
432400
+=?+n f V V e mV S R （1—1） 可以算出n 和S 。。下面介绍两种方法。
（1）求解方程法 式（l 一1）中含有两个未知量，原则上有两个方程联立即可求解。由四个振荡模的数据可以列出四个方程，两两组合解出n 和S 。，再求平均值作为测量结果。
（2）拟合直线法 将式（l －l ）变成直线方程
y ＝a ＋bx
其中
x ＝（V 。＋R V ）-1
当式（l －l ）中的n 取值为n ，n ＋1，n ＋2，n ＋3时，相应有
y ＝ l ， 2， 3， 4
a = 0.25－n ， 00024f e
mV S b ?= （1—2） 利用计算器可以求出截距a 、斜率b 和相关系数r 。
已知电子电量e ＝－1.602×10-19C ，质量m ＝9.109×10-31kg ，由试验数据V 。。R V ，f 0以及a ，b ，可由式（1一2）求出n 和S 。，从而算出群聚中心电子的渡越时间τ0。测量结果表明，渡越时间和微波振荡周期可以比拟，甚至还要小。
（三）波导管的工作状态
l.波导管中波的传播特性 一般说，波导管中存在入射波和反射波。描述波导管中匹配和反射程度的物理量是驻波比或反射系数。由于终端情况不同，波导管中电磁场的分布情况也不同，可以把波导管的工作状态归
结为三种状态：匹配状态、驻波状态和混波状态，它们的电场分布曲线分别
图 0—6 电场随l 而变的分部曲线
如图 0－6所示。在匹配状态，由于不存在反射波，所以电场 i y E E =； 在驻波状态，终端发生全反射，r i E E =，所以在驻波波腹处r i E E E +=max ，驻波波节处0min =-=r i E E E ；在混波状态，终端是部分反射，i r E E <，所以r i E E E +=max ， 0min ≠-=r i E E E 。
我们知道，波导管中的波导波长λg 。大于自由空间波长λ。由于
C ＝λf ， v g =λg f
式中c 为光速, v g 为相速度。可见波在波导管中传播的相速度v g 大于光速c 。显然，任何物理过程都不能以超过光速的速度进行，理论分析表明，相速度只是相位变化的速度，并不是波导管中波能量的传播速度（即群速度。），
因此相速度可以大于光速。矩形波导管中TE 10波的物理图像为：一个以入射角θ（θ＝cos -1（λ／2a ））射向
波导管窄壁的平面波，经过窄壁的往复反射后，由入射波和反射波叠加而成TE 10波。由此可见，波沿波导管轴传播的相速度v g 自然要比斜入射的平面波传播速度c 来得大。由相速度v g 、群速度u 和光速c 的关系式 v g u =c 2
可以看出波能量沿波导管轴传播的速度（群速度u ）小于光速。
实验中，我们通过测量波导波长λg 和频率f 来决定光速c 、相速度v g 和群速度u 。
2．驻波测量线的调整、使用和驻波测量 驻波测量线是微波实验室不可缺少的基本仪器，可利用它来进行多种微波参量的测量。因此，我们要熟悉驻波测量线的结构，掌握它的正确使用方法（如调整探针有合适穿伸度、调谐、晶体检波律等），并利用它来测量驻波比和波导波长。
我们说过，“调节匹配”是微波测试中必不可少的概念和步骤,怎样把微波系统调到匹配状态呢？按照驻波比的定义
min max
E E =ρ
要降低ρ，须把max E 调小或把min E 调大。
在实验中，可把驻波测量线的探针放在驻波极小点或极大点处，采用把min E 调大或把max E 调小的方法进行
调配。如把探针放在极小点处，则调节接在测量线端点的调配元件，使探针的输出功率稍为增大（不要增大太多，否则会发生假象——波形移动，这时极小点功率并不增大），然后左右移动探针，看看极小功率是否真正增大。这样反复调配元件，使极小点功率逐步增大，直至达到最佳匹配状态。
3．晶体的检波特性曲线和检波律的测定（选做） 在测量驻波比时，驻波波腹和波节的大小由检波晶体的输出信号测出。晶体的检波电流I 和传输线探针附近的高频电压E 的关系必须正确测定。根据检波晶体的非线性特征，可以写出
I ＝k 1E n （1一3）
如驻波测量线晶体检波律n ＝1称为直线性检波，n ＝2称为平方律检波。n 的数值可按下法测定。
令驻波测量线终端短路，此时沿线各点驻波振幅与终端距离l 的关系为
g l
k E λπ2sin 2= （1一4）
设以线上l ＝l 。处的电场驻波波节为参考点，将探针由参考点向左移动，线上驻波电场值E 由零增大，而检波
电流I 也相应地由零增大，每一驻波电场值便有一相应的检波电流值。如果测量时不必知道检波律n ，我们由实验测I （l ），由式（ l － 4）算出)(l E ，直接画出I —E 的关系曲线，利用它可以由实际测得的检波电流值找出相应的驻波电场相对值，从而求出正确的驻波比（参看图1－l ）。
图 1—1 晶体检波器特性的测定
如果需要知道检波律n ，可以由实验测量在两个相邻波节之间的驻波曲线I （l ），再利用下列关系式定出n ： g
l n λπ?-=cos log 3010.010 其中Δl 为驻波曲线上I ＝I m ／2两点的距离, I m 为波腹的检波电流。上式不难由式（1一3）和（1－4）求得，同学可自行证明。
二、．实验装置
考虑到观测速调管工作特性和波导管工作状态的需要，以及熟悉常用微波元件和掌握三种基本测量的要求，我们采用图l －2的实验线路。
图 1－2实验线路
速调管电源提供阳极电压、反射极电压和灯丝电压，有的还提供反射极的调制电压（方波调制和锯齿波调制）。 参考型号： WY －19A 型速调管电源。(北京大华无线电仪器厂)
速调管一般采用 K 一27型反射式速调管，工作频率为8600－9600MHz 。整个微波测量线路由3cm 波段波导元件组成，其主要元件为隔离器（GLX －2型）、波长计（BD1/035A 型）和驻波测量线（DH364A00型）。 当速调管处在连续状态时，指示器A ，B 为光点检流计或检波指示器；处于方波调幅状态时，A ，B 为测量放大器（DH388A0型）；处于锯齿波调频状态时，A ，B 为示波器。
当用示波器观测速调管的振荡模时，对速调管进行锯齿波调频，并将锯齿波输到示波器的X 输入端，终端的晶体检波接头输到Y 输入端。
图 1－2实验线路中，可以通过调节单螺调配器来改变驻波测量线的终端情况，观测波导管的三种工作状态，也可以去掉单螺调配器以后各个元件，在驻波测量线终端接上可变电抗器（短路活塞）来观测驻波状态，或接上匹配负载来观测匹配状态。
三、实验内容
（一）观测速调管的工作特性
1.观测速调管的各个振荡模按正确步骤开启电源，使速调管处于最佳工作状态。调节短路活塞、匹配螺钉和单螺调配器使晶体检波接头的输出最大。
改变反射极电压，观测速调管各个振荡模（要求：V R 从-300V 变化到-30V ）。描绘草图，注明各个振荡模的峰值以及各点所对应的反射极电压值。
2．逐点测量速调管最佳振荡模的功率P 和反射极电压V R 的关系曲线，以及频率f 和反射极电压V R 的关系曲线。
改变R V 对于每个V R 值，利用晶体检波接头测量相对功率P ，并用波长计测量频率。注意波长计测频率后要失谐。
（二）观测波导管的工作状态
1．练习调节匹配，测量小驻波比和中驻波比 把反射极电压调到最佳振荡模峰值对应的V R 值，并固定下来，以便在工作频率为f 0的情况下进行观测波导管工作状态的实验。调整好驻波测量线。
利用单螺调配器改变测量线终端的状态，练习调节匹配，调到最佳匹配状态（要求ρ＜1.10），用测量小驻波比的方法测量这时的驻波比。
利用单螺调配器改变测量线终端的状态，调到混波状态（要求 ρ＝ 2－3）后测量中驻波比。
2．观察驻波图形，测定波导波长利用单螺调配器使驻波测量线终端接近全反射，观察驻波图形，并用平均值法测定波节的位置，要求测三个相邻波节（两个λg ／2之差≤0.01 mm ），决定波导波长。利用波长计测量频率f ，以便计算光速c 、相速度v g 。和群速度u 。
3．选做：测量两个相邻波节之间的驻波曲线 I （l ）。
四、数据处理
1．画出几个振荡模的草图。
2．画出最佳振荡模的P －V R 曲线和f —V R 曲线。
3．计算最佳振荡模的电子调谐范围和平均电子调谐率。
4．选做：利用式（1一l ）计算n 和S 。，然后计算最佳振荡模群聚中心电子的渡越时间τ0。
5.利用驻波比ρ和反射系数Г0的关系式)1/()1(0+-=Γρρ分别计算测出的最小驻波比和中驻波比所对应的0Γ。
6.将驻波测量线测得的波长λg 代入下式：
2)2(1a g
g
λλλ+=
计算出自由空间波长λ，并求光速c、相速度v g。和群速度u（已知波导管宽边a＝22.86mm，计算时应保持四位有效数字。
7．选做：画出驻波曲线I（l），并作出检波晶体管的I—∣E∣曲线和检波律n。
思考题
1．怎样使速调管工作在所需要的频率（例如f＝9000MHz）？
2．怎样准确、简便地测定检波晶体管的检波律？
1.电力电子器件一般工作在__开关__状态。 2.在通常情况下，电力电子器件功率损耗主要为__通态损耗__，而当器件开关频率较高时，功率损耗主要为__开关损耗__。 3.电力电子器件组成的系统，一般由__控制电路__、_驱动电路_、_主电路_三部分组成，由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加_保护电路__。 4.按内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件可分为_单极型器件_、_双极型器件_、_复合型器件_三类。 5.电力二极管的工作特性可概括为_承受正向电压导通，承受反相电压截止_。 6.电力二极管的主要类型有_普通二极管_、_快恢复二极管_、_肖特基二极管_。 7.肖特基二极管的开关损耗_小于_快恢复二极管的开关损耗。 8.晶闸管的基本工作特性可概括为__正向电压门极有触发则导通、反向电压则截止__。 9.对同一晶闸管，维持电流IH与擎住电流IL在数值大小上有IL__大于__IH 。 10.晶闸管断态不重复电压UDSM与转折电压Ubo数值大小上应为，UDSM_大于__Ubo。 11.逆导晶闸管是将_二极管_与晶闸管_反并联_（如何连接）在同一管芯上的功率集成器件。的__多元集成__结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。 的漏极伏安特性中的三个区域与GTR共发射极接法时的输出特性中的三个区域有对应关系，其中前者的截止区对应后者的_截止区_、前者的饱和区对应后者的__放大区__、前者的非饱和区对应后者的_饱和区__。 14.电力MOSFET的通态电阻具有__正__温度系数。 的开启电压UGE（th）随温度升高而_略有下降__，开关速度__小于__电力MOSFET 。16.按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的性质，可将电力电子器件分为_电压驱动型_和_电流驱动型_两类。 的通态压降在1/2或1/3额定电流以下区段具有__负___温度系数，在1/2或1/3额定电流以上区段具有__正___温度系数。 18.在如下器件：电力二极管（Power Diode）、晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（电力MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）中，属于不可控器件的是_电力二极管__，属于半控型器件的是__晶闸管_，属于全控型器件的是_GTO 、GTR 、电力MOSFET 、IGBT _；属于单极型电力电子器件的有_电力MOSFET _，属于双极型器件的有_电力二极管、晶闸管、GTO 、GTR _，属于复合型电力电子器件得有__ IGBT _；在可控的器件中，容量最大的是_晶闸管_，工作频率最高的是_电力MOSFET，属于
能够在波导管内传播的电磁波型的最低角频率c ω，称为该波形的截止频率。 已知波数μεω22=K ，即K 决定于激发频率ω。由式.....2,1,0,,,z ===n m b n K a m K y ππ知x K 、y K 决定于波导管的几何尺寸ɑ、b 和波型m 、n 。从式με ω22222==++K K K K z y x 和.....2,1,0,,,z ===n m b n K a m K y ππ可知，对一定波形的波，其z K 为 2222 ,)()(b n a m C K mn z ππω--= 当2222 )()(b n a m C ππω+<时，z K 为虚数，此时传播因子z iK z e 变为衰减因子z K z e -。此情形下，电磁场振幅沿z 轴方向不断衰减，这种电磁波就不能在波导中传播。由此可见，角频率不能小于某一临界值，该值称为截止频率，所以 2222)()()()(b n a m b n a m c +=+=μεππυω 为明确起见，把对应的（m,n) 标出，有 22,)()(b n a m mn c +=μεπ ω 设ɑ>b,选0=z E 的横电波10TE ,得最低截止频率为 a c μεπω=10, 若管内为真空，则相应的频率和截止波长为 a C f c 2210,==πω a f C c 210,== λ 可见，波导管中能传输的最大波长取决于波导管的尺寸。由于波导管的几何尺寸不能做的过大，所以波长在厘米波段，波导管的应用最广。 心得：本次实验过程中，老师将书本上的理论知识生动形象地讲解出来，让我对书本上的知识有了更加深刻的理解。理论加实践的教学方式对于《勘探电磁场论》的学习有着非常大的帮助！
一、晶闸管的基本结构 晶闸管（SemiconductorControlled Rectifier 简称SCR ）是一种四层结构（PNPN ）的大功率半导体器件,它同时又被称作可控整流器或可控硅元件。它有三个引出电极，即阳极（A ）、阴极（K ）和门极（G ）。其符号表示法和器件剖面图如图1所示。 图1 符号表示法和器件剖面图 普通晶闸管是在N 型硅片中双向扩散P 型杂质（铝或硼），形成211P N P 结构，然后在2P 的大部分区域扩散N 型杂质（磷或锑）形成阴极，同时在2P 上引出门极，在1P 区域形成欧姆接触作为阳极。 图2、晶闸管载流子分布 二、晶闸管的伏安特性 晶闸管导通与关断两个状态是由阳极电压、阳极电流和门极电流共同决定的。通常用伏安特性曲线来描述它们之间的关系，如图3所示。 图3 晶闸管的伏安特性曲线 当晶闸管AK V 加正向电压时，1J 和3J 正偏，2J 反偏，外加电压几乎全部降落在2J 结上，2J 结起到阻断电流的作用。随着AK V 的增大，只要BO AK V V <，通过阳极电流A I 都很小，因而称此区域为正向阻断状态。当AK V 增大超过BO V 以后，阳极电流突然增大，特性曲线过负阻过程瞬间变到低电压、大电流状态。晶闸管流过由负载决定的通态电流T I ，器件压降为1V 左右，特性曲线CD 段对应的状态称为导通状态。通常将BO V 及其所对应的BO I 称之为正向转折电压和转折电流。晶闸管导通后能自身维持同态，从通态转换到断态，通常是不用门极信号而是由外部电路控制，即只有当电流小到称为维持电流H I 的某一临界值以下，器件才能被关断。 当晶闸管处于断态（BO AK V V <）时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流G I ，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压BO V 以及转折电流BO I 都是G I 的函数，G I 越大，BO V 越小。如图3所示，晶闸管一旦导通后，即使去除门极信号，器件仍然然导通。
如何快速确定三极管的工作状态三极管的三种工作状态分析判断有放大、饱和、截止三种工作状态，放大电路中的三极管是否处于放大状态或处于何种工作状态，对于学生是一个难点。笔者在长期的教学实践中发现，只要深刻理解三极管三种工作状态的特点，分析电路中三极管处于何种工作状态就会容易得多，下面结合例题来进行分析。 一、三种工作状态的特点 1.三极管饱和状态下的特点 要使三极管处于饱和状态，必须基极电流足够大，即IB≥IBS。三极管在饱和时，集电极与发射极间的饱和电压(UCES)很小，根据三极管输出电压与输出电流关系式UCE=EC-ICRC，所以IBS=ICS/β=EC-UCES/β≈EC/βRC。三极管饱和时，基极电流很大，对硅管来说，发射结的饱和压降UBES=0.7V(锗管UBES=-0.3V)，而UCES=0.3V，可见，UBE>0，UBC>0，也就是说，发射结和集电结均为正偏。三极管饱和后，C、E 间的饱和电阻RCE=UCES/ICS，UCES 很小，ICS 最大，故饱和电阻RCES很小。所以说三极管饱和后G、E 间视为短路，饱和状态的NPN 型三极管等效电路如图1a 所示。 2.三极管截止状态下的特点要使三极管处于截止状态，必须基极电流IB=0，此时集电极IC=ICEO≈0(ICEO 为穿透电流，极小)，根据三极管输出电压与输出电流关系式UCE=EC-ICRC，集电极与发射极间的电压UCE≈EC。 三极管截止时，基极电流IB=0，而集电极与发射极间的电压UCE≈ECO 可见，UBE≤0，UBC1V 以上，UBE>0，UBC 二、确定电路中三极管的工作状态 下面利用三极管三种工作状态的特点和等效电路来分析实际电路中三极管的工作状态。 例题：图2 所示放大电路中，已知EC=12V，β=50，Ri=1kΩ，Rb=220kΩ，Rc=2kΩ，其中Ri 为输入耦合电容在该位置的等效阻抗。问：1.当输入信号最大值为+730mV，最小值为-730mV 时，能否经该电路顺利放大?2.当β=150 时，该电路能否起到正常放大作用?
晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定一、实验目的 （1）熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。 （2）掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。 二、实验原理 晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发动机组等组成。 在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压U g作为触发器的移相控制电压U ct，改变U g的大小即可改变控制角α，从而获得可调直流电压，以满足实验要求。实验系统的组成原理如图1所示。 图1 晶闸管直流调速试验系统原理图
三、实验内容 （1） 测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R 。 （2） 测定晶闸管直流调速系统主电路电感值L 。 （3） 测定直流电动机-直流发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD 2。 （4） 测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数T d 。 （5） 测定直流电动机电势常数C e 和转矩常数C M 。 （6） 测定晶闸管直流调速系统机电时间常数T M 。 （7） 测定晶闸管触发及整流装置特性()ct d U f U =。 （8） 测定测速发电机特性()n f U TG =。 四、实验仿真 晶体管直流调速实验系统原理图如图1所示。该系统由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。图2是采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流调速系统的仿真模型。下面介绍各部分的建模与参数设置过程。 4.1 系统的建模和模型参数设置 系统的建模包括主电路的建模与控制电路的建模两部分。 （1）主电路的建模与参数设置 由图2可见，开环直流调速系统的主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模。 ①三相对称交流电压源的建模和参数设置。首先从电源模块组中选取一个交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，并用模块标题名称修改方法将模块标签分别改为“A 相”、“B 相”、“C 相”，然后从元件模块
三极管的工作原理（转载） 三极管的工作原理 对三极管放大作用的理解，切记一点：能量不会无缘无故的产生，所以，三极管一定不会产生能量。 但三极管厉害的地方在于：它可以通过小电流去控制大电流。 放大的原理就在于：通过小的交流输入，控制大的静态直流。 假设三极管是个大坝，这个大坝奇怪的地方是，有两个阀门，一个大阀门，一个小阀门。小阀门可以用人力打开，大阀门很重，人力是打不开的，只能通过小阀门的水力打开。 所以，平常的工作流程便是，每当放水的时候，人们就打开小阀门，很小的水流涓涓流出，这涓涓细流冲击大阀门的开关，大阀门随之打开，汹涌的江水滔滔流下。 如果不停地改变小阀门开启的大小，那么大阀门也相应地不停改变，假若能严格地按比例改变，那么，完美的控制就完成了。 在这里，Ube就是小水流，Uce就是大水流，人就是输入信号。当然，如果把水流比为电流的话，会更确切，因为三极管毕竟是一个电流控制元件。 如果某一天，天气很旱，江水没有了，也就是大的水流那边是空的。管理员这时候打开了小阀门，尽管小阀门还是一如既往地冲击大阀门，并使之开启，但因为没有水流的存在，所以，并没有水流出来。这就是三极管中的截止区。 饱和区是一样的，因为此时江水达到了很大很大的程度，管理员开的阀门大小已经没用了。如果不开阀门江水就自己冲开了，这就是二极管的击穿。 在模拟电路中，一般阀门是半开的，通过控制其开启大小来决定输出水流的大小。没有信号的时候，水流也会流，所以，不工作的时候，也会有功耗。 而在数字电路中，阀门则处于开或是关两个状态。当不工作的时候，阀门是完全关闭的，没有功耗。 结构与操作原理
三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，如图1所示，可有pnp和npn 两种组合。三个接出来的端点依序称为射极（emitter, E）、基极（base, B）和集 极（collector, C），名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出 npn与pnp三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体， 和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中 性的p型区和n型区隔开。 图1 pnp(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。 三极管的电特性和两个pn接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里 我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”(forward active)，在此区EB极间的pn接 面维持在正向偏压，而BC极间的pn接面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管 都以此方式偏压。图2(a)为一pnp三极管在此偏压区的示意图。 EB接面的空乏 区由于在正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的电洞会注入到基极，基 极的电子也会注入到射极；而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大， 故本身是不导通的。图2(b)画的是没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形 下，电洞和电子的电位能的分布图。 三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢？其间最大的不同部分就在 于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例， 射极的电洞注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极 方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时， 会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流 到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。 IC的大小和BC间反向偏压的大小 关系不大。基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流IBrec，与由基极注入 射极的电子流InB? E（这部分是三极管作用不需要的部分）。 InB? E在射极与与电 洞复合，即InB? E=I Erec。pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地 在图3(a)中看出。
晶闸管的基本检测方法 1.判别单向晶闸管的阳极、阴极和控制极 脱开电路板的单向晶闸管，阳极、阴极和控制极3个引脚一般没有特殊的标注，识别各个脚主要是通过检测各个引脚之间的正、负电阻值来进行的。晶闸管各个引脚之间的阻值都较大，当检测出现唯一一个小阻值时，此时黑表笔接的是控制极(G)，红表笔接的是阴极(K)，另外一个引脚就是阳极(A)。 2.判别单向晶闸管的好坏 脱开电路板的单向晶闸管，阳极(A)、阴极(K)和控制极(G)明确标示；正常的单向闸管，阳极(A)、阴极(K)两个引脚之间的正、反向电阻，阳极(A)、控制极(G)两个引脚之间的正、反向电阻的阻值应该都很大，阴极(K)、控制极(G)两个引脚之间的正向电阻应该远小于反向电阻。并且阳极(A)、阴极(K)两个引脚之间的正向电阻越大，单向晶闸管阳极的正向阻断特性越好;反向电阻越大，单向晶闸管阳极的反向阻断特性越好。 3.判别双向晶闸管的好坏 脱开电路板的双向晶闸管，第一电极(T1)、第二电极(T2)、控制极(G)明确。判断双向晶闸管的好坏，主要是看短路前第二电极(T2)和第一电极(T1)之间阻值接近无穷大，第二电极（T2)与控制极(G)引脚短路，短路后晶闸管触发导通，第二电极(T2)·和第一电极（T1）之间的电阻变小，有固定值。可以断定该双向晶闸管具备双向触发能力，性能基本良好。 4.晶闸管的代换原则 晶闸管的品种繁多，不同的电子设备与不同的电子电路，采用不同类型的晶闸管。选用与代换晶闸管时，主要应考虑其额定峰值电压、额定电流、正向压降、门极触发电流及触发电压、开关速度等参数，额定峰值电压和额定电流均应高于工作电路的最大工作电压和最大工作电流1.5～2倍，代换时最好选用同类型、同特性、同外形的晶闸管替换。 普通晶闸管一般被用于交直流电压控制、可控整流、交流调压、逆变电源，开关电源保护等电路。 双向晶闸管一般被用于交流开关、交流调压、交流电动机线性凋速、灯具线性调光及固态继电器、固态接触器等电路。 逆导晶闸管一般被用于电磁灶、电子镇流器、超声波电路、超导磁能贮存系统及开关电源等电路。 光控晶闸管一般被用于光电耀合器、光探测器、光报警器、光计数器、光电逻辑电路及自动生产线的运行监控电路等。 BTC晶体管一般被用于锯齿波发生器、长时间延时器、过电压保护器及大功率晶体管触发电路等。 门极关断晶闸管一般被用于交流电动机变频调速、斩波器、逆变电源及各种电子开关电路等。
可控硅元件的工作原理及基本特性 1、工作原理 可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示 图1 可控硅等效图解图 当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。 由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表1 状态条件说明 从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位 2、控制极有足够的正向电压和电流 两者缺一不可 维持导通1、阳极电位高于阴极电位 2、阳极电流大于维持电流 两者缺一不可 从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流 任一条件即可 2 可控硅的基本伏安特性见图2 图2 可控硅基本伏安特性 （1）反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图3），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。
三极管状态判断 NPN管:放大状态Vc>Vb>Ve,饱和状态Vb>ve,Vb>vc,截止状态Vc=+V,Vb=0 PNP管:放大状态Ve>Vb>Vc,饱和状态Vb
单向晶闸管的基本结构及工作原理 晶闸管有许多种类，下面以常用的普通晶闸管为例，介绍其基本结构及工作原理。 单向晶闸管内有三个PN 结，它们是由相互交叠的4 层P区和N区所构成的.如图17-1(a) 所示。晶闸管的三个电极是从P1引出阳极A，从N2引出阳极K ，从P2引出控制极G ，因此可以说它是一个四层三端 半导体器件。 为了便于说明.可以把图17-1 (a) 所示晶闸管看成是由两部分组成的[见图17-1(b)]，这样可以把晶闸管等效为两只三极管组成的一对互补管.左下部分为NPN型管，在上部分为PNP 型管[见图17-1 (c)]。 当接上电源Ea后，VT1及VT2都处于放大状态，若在G 、K 极间加入一个正触发信号，就相当于在V T1基极与发射极回路中有一个控制电流IC，它就是VT1的基极电流IB1。经放大后，VT1产生集电极电流ICI。此电流流出VT2 的基极，成为VT2 的基极电流IB2。于是， VT2 产生了集电极电流IC2。IC2再流入VT1 的基极，再次得到放大。这样依次循环下去，一瞬间便可使VT1和VT2全部导通并达到饱和。所以，当晶闸管加上正电压后，一输入触发信号，它就会立即导通。晶闸管一经导通后，由于导致VT1基极上总是流过比控制极电流IG大得多的电流，所以即使触发信号消失后，晶闸管仍旧能保持导通状态。只有降低电源电压Ea，使VT1、VT2 集电极电流小于某一维持导通的 最小值，晶闸管才能转为关断状态。 如果把电源Ea反接，VT1 和VT2 都不具备放大工作条件，即使有触发信号，晶闸管也无法工作而处于关断状态。同样，在没有输入触发信号或触发信号极性相反时，即使晶闸管加上正向电压.它也无法导通。 上述的几种情况可参见图17-2 。
《铜及铜合金波导管》国家标准 送审稿编制说明 1、标准修订情况简介 根据中国有色金属工业标准计量研究所，有色标委（2006）第13号《关于下达2006-2008年有色金属国家标准制、修订计划的通知》的文件精神，编号20061100-T-610《铜及铜合金波导管》的国家标准，由沈阳有色金属加工厂负责整合修订。 波导管在微波传输线中属于第二类，为具有均匀填充介质的传输线，传播横电波（TE）或横磁波（TM），在微波行业又称为色散波传输线，主要形状有矩形和圆形等，主要应用于军工、通信、卫星地面站、微波测量等领域。它具有频带宽，损耗小，便于连接，并起缓冲作用，是微波电子设备中不可缺少的传输线。特别是矩形波导管，随着我国通信行业的日渐强大，其应用范围越来越广泛。 沈阳有色金属加工厂从1957年开始研制波导管到60年代大批量生产，已有近五十年的生产历史，并在上个世纪八十年代末期将波导管的产品技术条件完善并制订了GB/T8893和GB/T8894两个波导管国家标准。其后又经过近二十年的发展，波导管生产系统日臻完善，工艺已成熟稳定。所以本次修订根据国家标准格局的需要，将圆形波导管标准与方形和矩形波导管标准整合一个《铜及铜合金波导管》标准，便于用户的使用与查找，生产厂家与用户的沟通协调。 2、主要技术指标说明 多年来，沈阳有色金属加工厂在生产常规波导管产品时，不断改进生产工艺，提高产品质量，将波导管产品在做细做精的基础上，开发出了许多型号不在原国家标准范围内，但在用户中已有一定需求量、占有一定市场份额的产品，在本次修订时加入到新标准中。 在高功率系统、毫米波系统和一些精密测试设备中，主要采用紫铜矩形波导管，因为其在实际应用中的损耗很小，近似为理想导体。一般b/a=2，即宽为高的2倍的波导管为标准波导管，因为b=a/2的波导能在保证频带宽度下达到最大通过功率。而根据要求的不同，在波导尺寸的选择上，有时在大功率时，为了提高功率容量，选b>a/2的高波导；为了减小体积，减轻重量，在小功率的情况下，要求选用b 矩形波导模式和场结构分析 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。若将同轴线的内导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。矩波导加工方便，具有损耗小和双极化特性，常用于要求双极化模的天线的馈线中，也广泛用作各种谐振腔、波长计，是一种较常用的规则金属波导。 矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。 本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。 1.2国内外研究概况及发展趋势 由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作用。 英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。汤姆逊成为历史上第一位预言波导的科学家。这证明科学预言可以大大早于技术的发展, 同时也表明了应用数学的威力。英国物理学家瑞利在1897 年发表了论文, 讨论矩形截面和矩形截面“空柱”中的电磁振动, 它们对应后来的矩形波导和矩波导, 并引进了 1、三极管的正偏与反偏：给PN结加的电压和PN结的允许电流方向一致的叫正偏，否则就是反偏。即当P区（阳极）电位高于N区电位时就是正偏，反之就是反偏。例如NPN型三极管，位于放大区时，Uc>Ub集电极反偏，Ub>Ue发射极正偏。总之，当p型半导体一边接正极、n型半导体一边接负极时，则为正偏，反之为反偏。 NPN和PNP主要是电流方向和电压正负不同。 NPN是用B—E的电流（IB）控制C—E的电流（IC），E极电位最低，且正常放大时通常C极电位最高，即VC>VB>VE。 PNP是用E—B的电流（IB）控制E—C的电流（IC），E极电位最高，且正常放大时通常C极电位最低，即VC 2、三极管的三种工作状态：放大、饱和、截止 （1）放大区：发射结正偏，集电结反偏。对于NPN管来说，发射极正偏即基极电压Ub>发射极电压Ue，集电结反偏就是集电极电压Uc>基极电压Ub。放大条件：NPN管：Uc>Ub>Ue；PNP管：Ue>Ub>Uc。 （2）饱和区：发射结正偏、集电结正偏--BE、CE两PN结均正偏。即饱和 导通条件：NPN管：Ub>Ue,Ub>Uc，PNP型管：Ue>Ub,Uc>Ub。饱合状态的特征是：三极管的电流Ib、Ic 都很大，但管压降Uce 却很小，Uce≈0。这时三极管的c、e 极相当于短路，可看成是一个开关的闭合。饱和压降，一般在估算小功率管时，对硅管可取0.3V，对锗管取0.1V。此时的，iC几乎仅决定于Ib，而与Uce无关，表现出Ib对Ic的控制作用。 （3）截止区：发射结反偏，集电结反偏。由于两个PN 结都反偏，使三极 管的电流很小，Ib≈0，Ic≈0，而管压降Uce 却很大。这时的三极管c、e 极相当于开路。可以看成是一个开关的断开。 3、三极管三种工作区的电压测量 如何判断电路中的一个NPN硅晶体管处于饱和,放大,截止状态？用电压表 测基极与射极间的电压Ube。 饱和状态 eb有正偏压约0.65V左右,ce电压接近0V. 放大状态 eb有正偏压约0.6V,ce电压大于0.6V小于电源电压. 截止状态 eb电压低于0.6V,ce电压等于或接近电源. 在实际工作中，可用测量BJT各极间电压来判断它的工作状态。NPN型硅管的典型数据是：饱和状态Ube=0.7V，Uce=0.3V；放大区Ube=0.7V；截止区Ube=0V。这是对可靠截止而言，实际上当Ube<0.5V时，即已进入截止状态。对于PNP管，其电压符号应当相反。 截止区：就是三极管在工作时，集电极电流始终为0。此时，集电极与发射极间电压接近电源电压。对于NPN型硅三极管来说，当Ube在0～0.5V 之间时，Ib很小，无论Ib怎样变化，Ic都为0。此时，三极管的内阻（Rce）很大，三极管截止。当在维修过程中，测得Ube低于0.5V或Uce接近电源电压时，就可 知道三极管处在截止状态。 晶闸管的主要参数 (1) 断态不重复峰值电压U DSM 门极开路时，施加于晶闸管的阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧转折处所对应的电压值UDSM 。 它是一个不能重复，且每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压。UDSM值应小于转折电压U b0。 (2) 断态重复峰值电压U DRM 晶闸管在门极开路而结温为额定值时，允许重复加于晶闸管上的正向断态最大脉冲电压。 每秒50次每次持续时间不大于10ms， 规定U DRM为U DSM的90%。 (3) 反向不重复峰值电压U RSM 门极开路，晶闸管承受反向电压时，对应于反向伏安特性曲线急剧转折处的反向峰值电压值U RSM。 它是一个不能重复施加且持续时间不大于10ms的反向脉冲电压。反向不重复峰值电压U RSM 应小于反向击穿电压。 (4) 反向重复峰值电压U RRM 晶闸管在门极开路而结温为额定值时，允许重复加于晶闸管上的反向最大脉冲电压。 每秒50次每次持续时间不大于10ms。 规定U RRM为U RSM的90%。 (5) 额定电压UR 断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM两者中较小的一个电压值规定为额定电压U R。 在选用晶闸管时，应该使其额定电压为正常工作电压峰值U M的2~3倍，以作为安全裕量。 (6)通态峰值电压U TM 规定为额定电流时的管子导通的管压降峰值。 一般为1.5~2.5V，且随阳极电流的增加而略为增加。 额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。 (7) 通态平均电流I T(AV） 在环境温度为+40℃和规定的散热冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170°电阻性负载的单相、工频正弦半波导电，结温稳定在额定值125°时，所允许通过的最大电流平均值。 ——允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 选用一个晶闸管时，要根据所通过的具体电流波形来计算出容许使用的电流有效值，该值要小于晶闸管额定电流对应的有效值。晶闸管才不会损坏。 设单相工频正弦半波电流峰值为Im 时通态平均电流为： 正弦半波电流有效值为： 有效值与通态平均电流比值为： 则有效值为： 根据有效值相等原则来计算晶闸管的额定电流。 若电路中实际流过晶闸管的电流有效值为I ，平均值I d ， 定义 波形系数： 则 由于晶闸管的热容量小，过载能力低，因此在实际选择时，一般取1.5~2倍的安全系数， (8) 维持电流I H (针对关断过程) ——是指晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为几十到几百毫安。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。 (9) 断态电压临界上升率du/dt ——电压上升率过大，就会使晶闸管误导通。 ——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。 (10) 通态电流临界上升率di/dt ——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏 如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！ m T(AV)m 0I 1I I sin td(t)2πωωππ == ?m I 2I ==T(AV) I 1.57 I 2π= =T(AV)1.57I I =f d I K I =T(AV)T(AV)I 1.57I 1.57I f d K I ≤?≤T(AV)T(AV)1.57I (1.5~2.0) 1.57I (1.5~2.0) f d d f K I I K ≤?≤ 波导管通信技术在重型机械智控领域的应用关于波导管及其通信的基础知识可参照文章《波导管通信技术及应用浅析》。本文旨在探索波导管通信技术在重型机械智控（包含远程人工控制、机械自动驾驶、AI智能生产等场景）领域的应用问题和前景。 本文所指的波导管，主要是指裂缝波导管，由于铜价高昂，铝相对较便宜，且易于加工和运输，所以目前裂缝波导管的材料以铝合金为最多，与iMAX无线系统配合使用最多的是矩形铝合金波导管。 为什么要使用波导管通信系统呢？何种情况下最适合采用波导管通信系统呢？ 其一、因为需要通信的目标是移动的，采用有线方式，例如光纤（配合拖链）使用，可靠性与寿命都不高，造价却很高，所以使用无线通信才是首选。 其二、因为无线电通信最经常遇到的问题之一就是电磁干扰，在无线通信领域一般称之为“同频干扰”、“邻频干扰”。波导管因为其系统设计很好的利用了静电屏蔽和全反射原理，保证在腔体里的无线电信号传输质量，从而保证通信系统的稳定性和可靠性。 遇到干扰，从无线通信角度讲，最简单直接的解决方案就是频率规避，即采用“干净的频率”，新竹科技iMAX无线系统支持5GHz宽频设计，所以可选频率较多，一般可以通过更换工作频率方式解决干扰问题。对于干扰超强场景，各工作频率都面临干扰，一些专业无线通信系统厂商的设备，例如：新竹科技的iMAX 无线系统，可以启用专有的“抗干扰模式”，降低干扰的影响，保证系统的稳定性，但是，其代价可能是大幅牺牲了有效带宽。但从根本性上讲，波导管通信是解决干扰问题，保证无线通信稳定性的最佳手段。 其三、从保证通信稳定角度来看，与波导管类似的还有漏波电缆等通信手段，但是因为漏波电缆的设计等方面的原因，其通常用于低带宽的窄带通信，需要高带宽、大容量高清视频传输的场合，还得靠波导管通信系统才可以。 总结以上几个方面的论述，在高可靠性、高带宽、高容量的“三高通信”需求场合，如果想规避电磁干扰，最合适的通信手段就是波导管通信系统。 传统上，波导管通信最常见的应用场景是轨道交通，在地铁车地通信等领域的应用已经成为主流解决方案之一。近些年，港口、物流、造船、钢铁、化工、 三极管的工作原理 对三极管放大作用的理解，切记一点：能量不会无缘无故的产生，所以，三极管一定不会产生能量。 但三极管厉害的地方在于：它可以通过小电流去控制大电流。放大的原理就在于：通过小的交流输入，控制大的静态直流。 假设三极管是个大坝，这个大坝奇怪的地方是，有两个阀门，一个大阀门，一个小阀门。小阀门可以用人力打开，大阀门很重，人力是打不开的，只能通过小阀门的水力打开。 所以，平常的工作流程便是，每当放水的时候，人们就打开小阀门，很小的水流涓涓流出，这涓涓细流冲击大阀门的开关，大阀门随之打开，汹涌的江水滔滔流下。如果不停地改变小阀门开启的大小，那么大阀门也相应地不停改变，假若能严格地按比例改变，那么，完美的控制就完成了。在这里，Ube就是小水流，Uce就是大水流，人就是输入信号。当然，如果把水流比为电流的话，会更确切，因为三极管毕竟是一个电流控制元件。如果某一天，天气很旱，江水没有了，也就是大的水流那边是空的。管理员这时候打开了小阀门，尽管小阀门还是一如既往地冲击大阀门，并使之开启，但因为没有水流的存在，所以，并没有水流出来。这就是三极管中的截止区。饱和区是一样的，因为此时江水达到了很大很大的程度，管理员开的阀门大小已经没用了。如果不开阀门江水就自己冲开了，这就是二极管的击穿。在模拟电路中，一般阀门是半开的，通过控制其开启大小来决定输出水流的大小。没有信号的时候，水流也会流，所以，不工作的时候，也会有功耗。而在数字电路中，阀门则处于开或是关两个状态。当不工作的时候，阀门是完全关闭的，没有功耗。 结构与操作原理 三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，如图1所示，可有pnp和npn 两种组合。三个接出来的端点依序称为射极（emitter, E）、基极（base, B）和集极（collector, C），名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出 npn与pnp三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体，和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中性的p型区和n型区隔开。 图1 pnp(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。 快速确定三极管工作状态的方法 重庆易天龙 三极管有放大、饱和、截止三种工作状态，放大电路中的三极管是否处于放大状态或处于何种工作状态，对于学生是一个难点。笔者在长期的教学实践中发现，只要深刻理解三极管三种工作状态的特点，分析电路中三极管处于何种工作状态就会容易得多，下面结合例题来进行分析。 一、三种工作状态的特点 1．三极管饱和状态下的特点 要使三极管处于饱和状态，必须基极电流足够大，即Is≥IBs。三极管在饱和时，集电极与发射极间的饱和电压(Uces)很小，根据三极管输出电压与输出电流关系式Uce＝Ec－IcRc，所以 三极管饱和后，C、E间的饱和电阻RcEs=UcEs／Ics，UcEs很小，Ics最大，故饱和电阻RcEs很小。所以说三极管饱和后C、E问视为短路，饱和状态的NPN型三极管等效电路如图1a所示。 2．三极管截止状态下的特点 三极管截止后，C、E间的截止电阻Rce＝UcE／Ic，UcEs很大，等于电源电压，Ics极小，C、E间电阻RcE很大，所以，三极管截止后C、E间视为开路，截止状态的NPN型三极管等效电路如图1b。 3．三极管放大状态下的特点 要使三极管处于放大状态，基极电流必须为：0 声学波导管 食不厌精 脍不厌细 1、恒定截面波导内的声传播 1.1、矩形波导管 1.2 、圆柱形波导管 设有一半径为a 的圆柱形管，一端延伸到无限远。圆柱形管的声波方程应以柱坐标系来描述。设管的径向坐标为r ，极角为θ，管轴用z 来表示。直角坐标与柱坐标之间有如下关系 ?? ???===z z r y r x θθsin cos 而柱坐标系的拉普拉斯算符可表示为 22 2222 1)(1z r r r r r ??+??+????=?θ (1-2-1) 于是三维声波动方程就可变换为： 2 222222211)(1t p c z p p r r p r r r ??=??+??+????θ (1-2-2) 根据分离变量法，令解 ,)()()(),,,(t j e z Z r R t z r p ωθθΘ= 将其代入（1-2-2）式可得如下三个常微分方程 ?????????=-++=Θ+Θ=+0)(10022222222222R r m k dr dR r dr R d m d d Z k dz Z d r z θ (1-2-3) 其中 .2222 2r z k k c k +==ω (1-2-4) 由于圆柱管道向无限远处延伸，对于Z 的方程可取行波解： ;)(z jk z z e A z Z -= (1-2-5) 对于Θ的方程可取解为 ),cos()(m m A ?θθθ+=Θ (1-2-6) 因为)2()(πθθ+Θ=Θ的关系应该满足，所以式中m 一定要为正整数。 对于R 的方程我们作一适当变换，令x r k r =,则方程就化为 0)1(122 22=-++R x m dx dR x dx R d . (1-2-7) 这是一个标准的m 解贝塞尔方程，其一般解可表示为 ),()()(r k N B r k J A r k R r m r r m r r += (1-2-8) 这里)(r k J r m 与)(r k N r m 分别代表宗量为)(r k r 的m 阶柱贝塞尔函数与柱诺伊曼函数。按照柱诺伊曼函数在零点发散的性质，式中应取0=r B ,于是（1-2-8）式简化为 ，)()(r k J A r k R r m r r = （1-2-9） 由此求得管中声压解为: ,)cos()()(z k t j m r m m m z e m r k J A p --=ω?θ (1-2-10) 由运动方程r p U j r ??- =ρω可求得对应的径向速度为: ,)cos(]) ()([)(00z k t j m r r m r m m rm z e m r k d r k dJ jk A r p j v --=??=ω?θωρωρ (1-2-11) 设管壁为刚性，即在a r =处有0=r v ,由此条件可得知如下关系: ,0]) ()([)(==a r r r m r k d r k dJ 按照贝塞尔函数的递推关系矩形波导的设计讲解
三极管原理全总结
晶闸管的主要参数
波导管通信技术在重型机械智控领域的应用
三极管的工作原理
快速确定三极管工作状态的方法
声学波导管
相关主题
文本预览