速調(diào)管的工作特性

反射式速調(diào)管的工作特性魯東大學(xué)物理學(xué)院近代物理實驗室

1、了解微波基本知識。2、了解反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)、特性，掌握使用方法。3、深入理解電子渡越時間和運動過程的物理圖像，學(xué)會使用波長表和功率計。實驗?zāi)康?微波簡介從上圖可以看出，微波的頻率范圍是處于光波和廣播電視所采用的無線電波之間，因此它兼有兩者的性質(zhì)，卻又區(qū)別于兩者。與無線電波相比，微波有下述幾個主要特點。什么是微波？微波特點1．波長短(1m—1mm)：具有直線傳播的特性，應(yīng)用于雷達定位、導(dǎo)航等領(lǐng)域。2．頻率高：頻率300MHz-300GHz，微波的電磁振蕩周期(10-9一10-12s)很短，已經(jīng)和電子管中電子在電極間的飛越時間(約10-9s)可以比擬，甚至還小，因此普通電子管不能再用作微波器件。L和C組成的振蕩回路改為諧振腔。3．微波在研究方法上不像無線電那樣去研究電路中的電壓和電流，而是研究微波系統(tǒng)中的電磁場，以波長、功率、駐波系數(shù)等作為基本測量參量。

4．量子特性：在微波波段，電磁波每個量子的能量范圍大約是10-6～10-3eV，而許多原子和分子發(fā)射和吸收的電磁波的波長也正好處在微波波段內(nèi)。量子放大器和準確的分子鐘，原子鐘。

5．能穿透電離層：微波可以暢通無阻地穿越地球上空的電離層，為衛(wèi)星通訊，宇宙通訊和射電天文學(xué)的研究和發(fā)展提供了廣闊的前途。應(yīng)用廣泛總之微波具有自己的特點，不論在處理問題時運用的概念和方法上，還是在實際微波系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)上，都與普通無線電不同，成為獨立的學(xué)科。國防軍事（雷達、導(dǎo)彈、導(dǎo)航）、國民經(jīng)濟（移動通信、衛(wèi)星通信、微波遙感、工業(yè)干燥、酒老化）、科學(xué)研究（原子分子晶體結(jié)構(gòu)、射電天文學(xué)、微波波譜學(xué)、量子電子學(xué)、微波氣象學(xué)）、醫(yī)療衛(wèi)生（腫瘤微波熱療、微波手術(shù)刀），以及家庭生活（微波爐）等各個領(lǐng)域。微波輻射對人體有害，實驗過程中應(yīng)盡量避免微波輻射！反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)反射式速調(diào)管主要由陰極、諧振腔和反射極三部分組成（原理結(jié)構(gòu)圖參看上圖）。從陰極飛出的電子被諧振腔上的正電壓加速，穿過柵網(wǎng)。在反射極反向電壓的作用下，運動電子返回柵網(wǎng)。當滿足一定條件時，在諧振腔中產(chǎn)生微波振蕩，微波能量由同軸探針輸出。

速調(diào)管的工作特性曲線

速調(diào)管的工作特性

（l）反射式速調(diào)管并不是在任意的反射極電壓數(shù)值都能發(fā)生振蕩，只有在某些特定值才能振蕩。每一個有振蕩輸出功率的區(qū)域，叫做速調(diào)管的振蕩模，n表示振蕩模的序號。（2）對于每一個振蕩模，當反射極電壓VR變化時，速調(diào)管的輸出功率P和振蕩頻率f都隨之變化。在振蕩換中心的反射極電壓上，輸出功率最大，而且輸出功率和振蕩頻率隨反射極電壓的變化也比較緩慢。（3）輸出功率最大的振蕩模，叫做最佳振蕩模（上圖中n＝3的振蕩模）。為了使速調(diào)管具有最大的輸出功率和穩(wěn)定的工作頻率，通常使速調(diào)管工作在最佳振蕩模的中心反射極電壓上。（4）各個振蕩模的中心頻率相同，（為什么？想想振蕩模的中心頻率決定于什么？）通常稱為速調(diào)管的工作頻率。調(diào)整反射式速調(diào)管的振蕩頻率有兩種方法：“電子調(diào)諧”和“機械調(diào)諧”。反射式速調(diào)管的工作狀態(tài)（?。┻B續(xù)振蕩狀態(tài)：就是我們在上面討論過的工作狀態(tài)，亦即在反射板上不加任何調(diào)制電壓，調(diào)節(jié)反射極電壓使反射式速調(diào)管處在最佳工作狀態(tài)。在最佳振蕩模的最大輸出功率處，具有較好的功率和頻率穩(wěn)定性。（ⅱ）方波（或矩形脈沖）調(diào)幅狀態(tài)：下圖表示反射式速調(diào)管在方波調(diào)幅時的特性。為了獲得純粹的調(diào)幅振蕩，避免引起附加的調(diào)頻，調(diào)制電壓必須為嚴格的方波，而且要選擇合適的反射極電壓（直流工作點），使調(diào)制波形的一個半周處在兩個振蕩模的不振蕩區(qū)域內(nèi)，而另一個半周處在振蕩模的功率最大點。在實驗中是這樣做的：先使速調(diào)管處在連續(xù)振蕩的最佳位置，當從連續(xù)狀態(tài)變到調(diào)幅狀態(tài)時，調(diào)節(jié)方波的幅度使得輸出功率為連續(xù)狀態(tài)的一半，此時的調(diào)制幅度為合適。當速調(diào)管處在調(diào)幅工作狀態(tài)時，在微波測量線路中配合使用測量放大器，即選頻放大器，可以提高測量靈敏度。調(diào)幅、調(diào)頻特性

反射式速調(diào)管在方波調(diào)幅時的特性

反射式速調(diào)管在鋸齒調(diào)頻時的特性

（ⅲ）鋸齒波（或正弦波）調(diào)頻狀態(tài)：上圖表示反射式調(diào)速管在鋸齒波調(diào)頻時的特性。速調(diào)管反射極電壓的直流工作點選擇在某一振蕩模的功率最大點，亦即選在頻率變化曲線的當中，當鋸齒波的幅度比振蕩模的寬度小得多時，可以得到近似直線性的調(diào)頻信號輸出，而附加的調(diào)幅很小。當速調(diào)管處在調(diào)頻工作狀態(tài)時，可用示波器觀測微波系統(tǒng)的動態(tài)特性。為什么反射式速調(diào)管會產(chǎn)生微波振蕩？為什么只有在某些特定的反射極電壓數(shù)值時才有輸出功率（存在著分立的振蕩模）？為什么能夠?qū)Ψ瓷涫剿僬{(diào)管進行電子調(diào)諧和機械調(diào)諧？

……為了回答這些問題，下面介紹反射式速調(diào)管的工作原理

反射式速調(diào)管的工作原理

電子的運動過程和能量轉(zhuǎn)換要研究振蕩的產(chǎn)生，就必須分析速調(diào)管中電子的運動過程和能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)。問題就在于：怎樣把運動電子的動能變成微波振蕩的能量？（1）怎樣把密度均勻的電子流變成疏密相間的電子流（電子的密度調(diào)制）？（2）怎樣使密集的電子團在通過柵網(wǎng)時正好受到微波電場的減速？即相位條件。上述的兩點要求是通過反射極來實現(xiàn)的

在反射空間，距離S0、諧振腔電壓V0和反射極電壓VR合適的情況下，就有可能做到：圍繞著群聚中心電子的密集電子團回到柵網(wǎng)時受到微波電場的最大減速，這樣微波電場從運動電子掙得的能量最大。

振蕩發(fā)生的兩個條件1、位相條件如果把電子從離開柵網(wǎng)至回到柵網(wǎng)所需的時間叫做渡越時間（以τ表示），則與群聚中心電子的渡越時間τ0與微波振蕩周期T滿足下式：τ0=（n+3/4）T,n=1,2,3,…

時，電子流給出的功率最大，這一條件相當于振蕩的位相條件。顯然，振蕩發(fā)生時下面兩式同時成立：2、幅值條件第二個條件，即要求直流電子流大于某一最小電流（起始電流），也即i＞i0。相位條件和速調(diào)管內(nèi)電子的運動軌跡電子渡越時間的測定測量速調(diào)管中電子的渡越時間，可以加深對速調(diào)管工作原理的理解。群聚中心電子的渡越時間τ0同樣由前一關(guān)系式計算：

利用實驗數(shù)據(jù)，在我們的實驗中可以觀測到的四個振蕩模，可以算出n、S。和

τ0。

兩種方法：求解方程法和擬合直線法。（選做）n值與反射極電壓的關(guān)系振蕩模中心附近小范圍內(nèi)振蕩頻率與反射極電壓成線性變化，斜率隨n的增加而增大。實驗裝置

考慮到觀測速調(diào)管工作特性和波導(dǎo)管工作狀態(tài)的需要，以及熟悉常用微波元件和掌握三種基本測量的要求，我們采用下圖實驗線路。當速調(diào)管處在連續(xù)狀態(tài)時，指示器A，B為光點檢流計或檢波指示器；處于方波調(diào)幅狀態(tài)時，A，B為選頻放大器（DH388A0型）；處于鋸齒波調(diào)頻狀態(tài)時，A，B為示波器。實驗內(nèi)容

觀測速調(diào)管的工作特性本實驗將采用兩種方法對速調(diào)管的特性進行觀察研究。按正確步驟開啟電源，先預(yù)熱5分鐘以上，然后加高壓，使速調(diào)管處于最佳工作狀態(tài)。先調(diào)節(jié)衰減器盡量衰減（確保后級電路工作于小功率狀態(tài)），調(diào)節(jié)短路活塞、匹配螺釘和單螺調(diào)配器使晶體檢波接頭處的輸出最大（處于靈敏接收狀態(tài)）。接晶體檢波頭情況下，務(wù)必確保小功率。檢波頭拆下，接功率計時，可適當增加功率。第一種方法是動態(tài)觀察法，采用這種方法直接在示波器上顯示各個振蕩模的形狀，進行測量分析，直觀方便。晶體檢波頭輸出接示波器，改變反射極電壓，觀測速調(diào)管各個振蕩模（要求：VR從-300V變化到-30V）。描繪草圖，注明各個振蕩模的峰值以及各點所對應(yīng)的反射極電壓值。第二種方法是逐點描述法（即靜態(tài)法）方法是速調(diào)管工作于連續(xù)狀態(tài)，晶體檢波頭拆下，接功率計，波長表測頻率。逐點改變反射極電壓，測量在不同反射極電壓時振蕩器的輸出功率和振蕩頻率，這樣就可以繪制出速調(diào)管的工作特性曲線，即P-VR曲線和f-VR曲線。這是一個比較精確的方法，但由于本實驗所用的信號源中反射極電壓調(diào)節(jié)范圍較窄，用這種方法只能觀察到很少幾個振蕩模，因而只適用于研究最佳振蕩模的特性。在對系統(tǒng)調(diào)匹配，并適當調(diào)節(jié)可變衰減器使示數(shù)合適后，即可進行測量。注意波長計測頻率后要盡快失諧！思考題和數(shù)據(jù)處理

1.怎樣根據(jù)需要組合微波線路？2.學(xué)會使用波長表和功率計。3．畫出幾個振蕩模的草圖。