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：c f =λ?，微波的频率在3０0GH ｚ—３０0M Ｈz 之间,（其中１ＭHz=１06Hz ，1G Ｈｚ＝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，它是利用电子与电场相互作用的原理制成的,其结构如图1所示。
反射速调管一般由灯丝、阴极、加速极、谐振腔及反射极等几个部分组成。阴极经灯丝加热后，发射热电子。加速极的作用是使阴极发射出来的电子获得较高、较均匀的速度。谐振腔的作用有两个:一是用来对被加速后的均匀电子流进行“速度调制”，另一个功能是接受“群聚”后的电子流所提供的能量,使其建立并维持着周期性的高频振荡。反射极上加有一个对阴极而言是负的直流电压，对经过速度调制后的电子流来讲,它是一个减速场。
2．反射速调管工作原理
反射速调管工作时，电阴极发射出来的每一个电子都要越过几个不同的电场，下面研究一下电子在各个电场中的运动情况。
如图2所示,在K －G 1空间。电场是均匀的，电子将做匀加速运动，在此空间电场对电子作功为：
0eU eEd W == （1)
根据能量守恒，电子所获得的动能为: 0202
1
eU mV = (2)
m
eU V 0
02=
∴
(3) 电子在Ｋ－Ｇ１空间的平均速度为02
1
V ，因此电子从K 运动到Ｇ1的时间为：
m
eU d
V d t 00222
1==
(4)
K
R
d
D
--
图1 反射速调管的结构
图2 电子在各电场中的运动 U R
G 1G 1
U 2
G 2
G 0
U U R
10
ωU sin t ω
m V +V sin t 0V 阴极K
灯丝
谐振腔加速极反射极R
由此可见，在忽略了周围电场对电子所产生的影响后，每个电子从阴极K 出发到达下栅极G １的过程中，都具有相同的速度，用了相同的时间。因此可以认为，进入谐振腔中的是均匀的电子流。
经过加速而达到很高速度的电子束,通过谐振腔的两栅间时,由于电子热骚动等原因,谐振腔中存在一个微弱、杂乱的电磁场,由于谐振腔的谐振作用,其中有某一频率的交变电场幅度最大。假设此交变电压为ｕ = u ｍs ｉn ω t ,则速度均匀的电子流将在谐振腔内被“调速”。
如图3所示，在t 1时刻进入谐振腔的电子要被加速,其速度要大于原来的Ｖ0，在ｔ2时刻进入谐振腔的电子仍按原来的速度V 0运动，而在ｔ3时刻进入谐振腔的电子将被减速,其速度将小于V 0，经过速度调制后的电子,从谐振腔的上栅极Ｇ２出射后，就进入了“群聚空间”。在反射极ＵR 的作用下，这些“速度调制”的电子流将被减速,并且穿入群聚空间深度不同,同时返回栅极的时间也不相同,即渡越时间不同。而在ｔ１
－t 3时间内发出的电子可能在折回过程中聚合成一个稠密的电子束,并且它正好落在谐振腔内。如果电子束的渡越时间合适,当它回到谐振腔时恰巧落在交变电压的正电场处，它对电子是起减速作
用，因而电子束速度就被减慢下来,将能量传给谐振腔,如果腔的固有频率和交变电压频率一致，就会产生谐振，于是这个由电流脉冲激起的振荡得以维持下去，便可成为一定的微波功率输出。若电子束在正电场的最大时回到腔内，则速调管产生的微波功率最大，在其它场值下，则产生的微波功率不等;如果电子束是在交变电压的负电场时进入腔内,则电子束就被吸收,不会有微波输出。
由上可见，微波的产生与“会聚”电子束在群聚空间内的渡越时间有关,如果把电子从离开栅网起至回到栅网所需要的时间—渡越时间用τ来表示，则当τ与微波振荡周期满足下式:
,3,2,1,)4
3(=+=τn T n
(５)
则电子流给出功率最大，显然渡越时间τ与电子的电量ｅ、质量m 、反射空间的距离D 、反射极电压ＵR 以及谐振腔电压U 0有关,它们满足下列关系式:
R
n
U U e mU D
+=
τ024
（6)
利用（5)、(6）式，并注意到f
T 1
=
(ｆ为微波频率）,则有： D R G t U U －1 T 34
t t 12345n
m t t t t t 图3 电子流在谐振腔内的“调速”
2
4
3240+=?+n f U U e mU D
R n
（7)
上式表明,只有U 0和U R 为某些值时才能产生振荡,而且对于一定的Ｕ0改变U Ｒ会引
起f 的改变。值得指出的是,由(5)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，这就是我们讲到的微波特点之一。反射速调管之所以能产生振荡,正是巧妙地利用了这一特点。
满足上述相位条件,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,振荡就不会发生。因此,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:
0i i > (8)
这一条件相当于振荡的幅值条件。起始电流i ０与电路以及外负载有关,并与)4
3
(+
n 成比例。
当满足振荡的相位条件和幅值条件时，微波振荡就发生。实验时可以通过调不同的U Ｒ而获得不同频率最强的微波能量输出。图４表示在一定谐振腔电压情况下,输出功率及振荡频率与反射极电压的关系曲线。对应于U R 的一系列工作区称为振荡模。
3．反射速调管的频率特性 a ．电子调谐宽度?f
在给定的振荡区内，频率f 和输出功率P 都随反射极电压的变化而变化。在给定振荡模的中心，输出功率最大。随着反射极电压U Ｒ负值的增加。工作频率增加,但输出功率下降，当输出功率下降到最大输出功率一半时所得的两个振荡频率之差?f 叫做电子调谐宽度，如图5所示。作为使用者来说，希望电子调谐宽度越宽越好。
P
f
-U f 0R
-U R
f f P P
-U R
P 0
P 0
2
f 0
f 1
f 2Δf
图5 电子调谐斜率
图4 f-U 与P-U 曲线 R R
b.电子调谐斜率
在振荡区中心的一很小范围内，反射极电压VＲ每变化１伏所引起的振荡频率变化的数值称为电子调谐斜率。由图5可以看出,在振荡中心一个小范围内振荡频率ｆ随反射极电压V R的变化规律接近于线性。斜率的数值在管子整个工作频率范围内各频率点是不同的。但差别较小。由于管子的用处不同，对斜率的要求也不同。例如作为调制器用，希望斜率大一些，而作为本机振荡器用,则希望斜率小一些。因为斜率小振荡就会相对稳定,这样对电源的稳定度要求就可以相应的降低一些。
4.反射速调管的调制
反射速调管的调制有两种形式,一种是对输出幅度进行调制，称为“调幅”,另一种是对输出频率进行调制。称为“调频”。
无论是“调幅”或“调频”，均需在反
射极上加一定的调制电压。
a．幅度调制
例如在反射极上加一方波，就得到
了幅度调制如图6所示。当方波前沿较
差时,则在幅度调制的同时还会出现附加
的频率调制,见图６中虚线部分,调制幅度太大时，有可能同时跨在反射速调管的两个振荡区域上,必将出现两个振荡频率，调制幅度太小，则输出功率将会减小。因此在幅度调制过程中，掌握正确的调制方法是十分重要的。
b．频率调制
一般地说，除了理想的方波外，任何波形的调制电压均可得到频率调制。通常在进行频率调制时使用锯齿电压，见图７。使用锯齿波电压对频率进行调制还能使用示波器直接观察到各个振荡区域的形状。
四、微波元件
在微波实验中,除波导、速调管外还需要其它波导元件，现择主要者介绍如下:
1.全匹配负载：它是能全部吸收沿波导传输来的微波功率使其无反射的终端装置。应用全匹配负载是为了免除微波向空间辐射、对其它仪器的感应以及在测量中作为匹配标准等。
2.可变衰减器:可变衰减器也是一段波导，其结构是沿波导轴方向上放置一由吸收材料制成的薄片,当薄片位置由窄壁移至宽壁中间时,电场得到衰减。它用
P
f
f0
-U R
f0
f
-U R
t
t
t
t
t
t
t
P
t
t
t t t t t t
123456
1
2
3
4
5
6
附加调频
调幅
图6 幅度调制
P
f
f0
-U R
f0
f
-U R
t
t
t
t
t
t
P
t
t
t t t t t
12345
1
2
3
4
5
附加调幅
调频
图7 频率调制
来降低波导中的微波电压和起“去耦”作用。
３．隔离器：它利用铁氧体材料的高频特性,在外加永磁场作用下,可使微波沿正向通过隔离器时，波的衰减小，而反向时则衰减很大。其作用可除去负载对振荡器工作稳定性的影响。隔离器也称单向衰减器。
4．短路活塞：装置波导终端。活塞在波导上的位置可以调节,通常应用在激励器和探测器内实现微波匹配,使活塞表面处正好是电压波节，可减小传输损耗。
5.晶体检波器：它是检测弱微波功率的元件。应用一个灵敏的晶体二极管，根据整流后所测出的电流值可以简单地估计微波的功率值。
６．谐振腔波长计:它是利用谐振腔作为谐振系统，并用机械结构进行调谐,当谐振时，机械结构尺寸决定被测的微波频率。波长计与被测微波系统相联的方法,分通过型和吸收型两种。现只介绍吸收式波长计的工作原理。将波长计与微波传输波导耦合,当调谐时，波长计吸取微波的能量最大,使检测器所量出的功率突然减小，示数最小时所对应的波长计读数（查表知对应频率)即为被测微波频率值。
实验装置
实验装置如图8。
实验步骤
1．观察速调管各个振荡模。
按实验装置图连结好实验仪器,按速调管电源使用说明,接通电源，改变反射极电压,从微安表上观察微波功率的变化,如图4。
2．测定每个振荡区域中对应于最大输出功率的U R、ｆ和p(I ）值。
调节反射极电压ＵＲ,找出每个振荡区域，分别测出对应于最大输出功率的U R、f及ｐ(I ）值。
3．制作最佳振荡区域中ＵＲ~f、U R~ｐ(Ｉ) 曲线,并由绘制的曲线中求出电子调谐宽度?f以及电子调谐斜率?。
在最佳区域中，连续变化U R，观察电流变化，记录15组以上U R、f及Ｉ的数值,绘制UＲ~ｆ１，UＲ~I曲线,并由曲线中求出?f及?。(ＵR ~I曲线与U R~P曲线相似)
4.用示波器观察速调管动态特性。
将示波器接入装置中，分别在反射极上加方波或锯齿波调制电压，适当调整这两个电压以及ＵR的大小，观察速调管的动态特性。
速调管
电 源
电压表
反 射速调管隔离器波长计衰减器调配器
晶 体
检波器
微安计图8 实验装置方框图
思考题
1.在图3中,在t3、ｔ4、t5时刻出发的电子能否发生“群聚”现象？为什么?
２.如何理解方波调制是“调幅”,锯齿波调制是“调频”？怎样才能达到最佳效果的幅度调制?
3．在Ｕ0固定的情况下，对应于不同的反射极电压U R，为何会出现若干个相互分离的振荡区域?最佳振荡区域是如何确定的？在某一振荡区域中,为什么调节UＲ时,频率和功率均会随之而变？
(王义杰）