微波測量系統(tǒng)調(diào)試與頻率測量

中國石油大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績：班級(jí)：姓名：同組者：教師：實(shí)驗(yàn)B1微波測量系統(tǒng)調(diào)試與頻率測量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．了解微波測量系統(tǒng)的根本組成，學(xué)會(huì)一般的調(diào)試方法。2．了解反射速調(diào)管微波信號(hào)源原理及特性，掌握調(diào)整參數(shù)使微波源實(shí)現(xiàn)最正確工作狀態(tài)的方法。3．了解微波諧振腔的根本特性，掌握測量諧振腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的根本方法。4．學(xué)會(huì)用諧振腔波長表測量微波頻率。【實(shí)驗(yàn)原理】一．微波測量系統(tǒng)微波測量系統(tǒng)通常由等效電源、測量裝置、指示儀器三局部組成。微波等效電源局部即微波發(fā)送器，包括微波信號(hào)源、工作狀態(tài)〔頻率、功率等〕監(jiān)視單元、隔離器等。測量裝置局部也稱測量電路，包括測量線、調(diào)配元件、待測元件、輔助器件〔如短路器、匹配負(fù)載等〕以及電磁能量檢測器〔如晶體檢波架、功率插頭等〕。測量指示儀器是顯示測量信號(hào)特性的儀表，如直流電流表、測量放大器、選頻放大器、功率計(jì)、示波器、數(shù)字頻率計(jì)等。圖2反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)原理圖2反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)原理微波信號(hào)源有許多類型，本實(shí)驗(yàn)中使用的是反射式速調(diào)管信號(hào)源1．反射速調(diào)管的工作原理反射式速調(diào)管有陰極、陽極〔諧振腔〕、反射極三個(gè)電極，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。陰極發(fā)射電子；陽極利用耦合環(huán)和同軸線輸出微波功率；反射極用以反射電子。由陰極發(fā)出電子束，受直流電場加速后，進(jìn)入諧振腔。電子以不同的速度從諧振腔飛出來而進(jìn)入反射極空間。在諧振腔和反射極間的直流排斥電場，使電子未飛到反射極就停下來，反射回諧振腔。2．反射式速調(diào)管的工作特性和工作狀態(tài)在一定條件下，反射式速調(diào)管的功率和頻率特性曲線如圖3所示?！?〕反射式速調(diào)管只有在某些特定的反射極電壓值才能振蕩。有振蕩輸出功率的區(qū)域叫做速調(diào)管的振蕩模，用n表示震蕩模的序號(hào)?！?〕對(duì)于振蕩模，當(dāng)反射極電壓VR變化時(shí)，速調(diào)管的輸出功率P和振蕩頻率f都隨之變化?！?〕輸出功率最大的振蕩模叫最正確振蕩?！矆D3中n＝3的振蕩模〕?！?〕各個(gè)振蕩模的中心頻率f0相同通常稱為速調(diào)管的工作頻率。通常調(diào)整速調(diào)管的振蕩頻率有電子調(diào)諧和機(jī)械調(diào)諧兩種方法?？衫梅瓷錁O電壓的變化無慣性的進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，這種方法稱為“電子調(diào)諧〞。如果要在比擬大的范圍內(nèi)改變速調(diào)管的振蕩頻率，采用“機(jī)械調(diào)諧〞的方法，改變腔體的固有諧振頻率。反射式速調(diào)管的工作狀態(tài)一般有三種：連續(xù)振蕩狀態(tài)、方波調(diào)幅狀態(tài)、鋸齒波調(diào)頻狀態(tài)?！?〕連續(xù)振蕩工作狀態(tài)在反射極上不加任何調(diào)制電壓使反射式速調(diào)管處在最正確工作狀態(tài)。〔2〕方波〔或矩形脈沖〕調(diào)幅工作狀態(tài)。使速調(diào)管處在連續(xù)振蕩最正確位置，從連續(xù)狀態(tài)變到調(diào)幅狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)方波幅度使輸出功率為連續(xù)狀態(tài)的一半，此時(shí)幅度適宜?！?〕鋸齒波調(diào)頻工作狀態(tài)速調(diào)管反射極電壓的直流工作點(diǎn)選擇在某一振蕩模的功率最大點(diǎn)，當(dāng)鋸齒波的幅度比振蕩模的寬度小得多時(shí)，可以得到近似直線性的調(diào)頻信號(hào)輸出，而附加的調(diào)幅很小。三．諧振腔的根本參數(shù)1．諧振頻率描述電磁能量在諧振腔中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理量，指在諧振腔中激起的電磁振蕩的工作頻率。圖32．品質(zhì)因數(shù)描述諧振系統(tǒng)頻率選擇性的優(yōu)劣及電磁能量損耗程度的一個(gè)物理量。包括諧振腔品質(zhì)因數(shù)、有載品質(zhì)因數(shù)、外界品質(zhì)因數(shù)。3．耦合系數(shù)諧振腔與外界耦合的強(qiáng)弱，引入的概念，定義為外界電路中的耗能與諧振腔中的耗能之比。

四．諧振腔Q值的測量測量微波諧振腔Q值的常用方法有功率傳輸法、功率反射法、示波器法等。五．微波頻率的測量諧振腔波長表可用兩種不同方法與微波系統(tǒng)連接：傳輸型方法和吸收型方法。吸收式波長表的諧振腔只有一個(gè)輸入端與能量傳輸線相接，調(diào)諧是從能量傳輸線路接收端的指示器的讀數(shù)的降低而看出的，如圖7〔b〕所示。圖7諧振腔波長表與測量系統(tǒng)的連接及相應(yīng)的諧振曲線【實(shí)驗(yàn)器材】反射速調(diào)管微波信號(hào)源、隔離器、諧振腔波長表、可變衰減器、波導(dǎo)測量線、環(huán)形器、諧振腔、單螺釘調(diào)配器、匹配負(fù)載、短路片、晶體檢波器、檢波指示器，雙蹤示波器、選頻放大器、數(shù)字萬用表等?！靖仔詫?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1．微波測量系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)熟悉微波測量系統(tǒng)的根本組成和各種微波元件，了解其作用、主要性能及使用方法。2．微波測量系統(tǒng)的調(diào)試實(shí)驗(yàn)所用微波測量系統(tǒng)根本組成如圖8所示?！?〕測量系統(tǒng)根本匹配狀態(tài)的調(diào)整開啟速調(diào)管電源預(yù)熱3分鐘。調(diào)節(jié)反射極電壓，使速調(diào)管進(jìn)入振蕩工作模區(qū)。調(diào)整系統(tǒng)的始端、終端的短路活塞，使檢波指示器的指示為最大。這時(shí)，微波測量系統(tǒng)大致處于匹配狀態(tài)。微波信號(hào)源波長表可變衰減器晶體檢波器隔離器檢波指示器或示波器微波信號(hào)源波長表可變衰減器晶體檢波器隔離器檢波指示器或示波器〔2〕反射速調(diào)管連續(xù)振蕩工作狀態(tài)的觀測在連續(xù)振蕩〔等幅〕工作狀態(tài)下，測量諧振腔電壓即陽極Vo，從0～250V逐步增加反射極電壓VR，確定反射速調(diào)管工作模區(qū)，參考圖3。測出輸出功率的最大值Pmax、功率為零和最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的反射極電壓VR，畫出輸出功率與反射極電壓的關(guān)系曲線。測量輸出功率最大的工作模區(qū)的中心振蕩頻率f0。調(diào)節(jié)反射極電壓，當(dāng)信號(hào)源輸出功率最大時(shí)，測量吸收式諧振腔波長表的諧振曲線，確定中心振蕩頻率。微調(diào)反射極電壓改變量為±5V，重新測量振蕩頻率f，觀察反射極電壓，求?P/?|Vr|和?f/?|Vr|?！?〕反射速調(diào)管鋸齒波調(diào)頻工作狀態(tài)的觀測在“鋸齒波〞調(diào)制工作方式下，連續(xù)緩慢地改變反射極電壓，仔細(xì)調(diào)節(jié)晶體檢波器的短路活塞和調(diào)配螺釘，使示波器上的工作模區(qū)圖形對(duì)稱，輸出最大。測出功率最大的工作模區(qū)的中心振蕩頻率，觀察并記錄示波屏上圖形。調(diào)節(jié)“調(diào)制幅度〞增大鋸齒波電壓，觀測工作模區(qū)圖形的變化情況。測量中心振蕩頻率時(shí)可調(diào)節(jié)吸收式波長表，直至工作模區(qū)波形圖頂部出現(xiàn)一下降峰。這時(shí)，波長表上讀數(shù)刻度對(duì)應(yīng)的頻率即為工作模區(qū)波形的中心頻率f0。調(diào)節(jié)反射極電壓用波長表測量半功率點(diǎn)的頻率f1和f2以及對(duì)應(yīng)的反射極電壓VR1和VR2，那么反射式速調(diào)管的電子協(xié)調(diào)寬度為：那么反射速調(diào)管的電子調(diào)諧靈敏度為〔14〕〔4〕反射速調(diào)管方波調(diào)幅工作狀態(tài)的觀測首先，在最正確連續(xù)振蕩工作條件下，緩慢調(diào)節(jié)反射極電壓使輸出功率逐漸下降為0；其次，

在“方波〞調(diào)制工作方式下，調(diào)節(jié)“調(diào)制幅度〞逐步增大方波電壓，直到輸出功率最大。在整個(gè)調(diào)整過程中，觀察示波屏上圖形，測量振蕩頻率，記錄波形變化情況，并加以解釋?！緮?shù)據(jù)處理】〔1〕分析：如下圖，反射式速調(diào)管并非在任意的反射級(jí)電壓值下都產(chǎn)生震蕩，只有在某些特定的電壓下才能產(chǎn)生震蕩，從圖中可以看出各振蕩模的根本規(guī)律都是相同的，輸出功率都實(shí)現(xiàn)先增大后減小至零，且最大輸出功率對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的頻率值f0.實(shí)驗(yàn)測得中心振蕩頻率f0的波長λ0=6.830mm,查表得f0=9489〔MHz〕〔2〕反射式速調(diào)管鋸齒波調(diào)頻工作狀態(tài)的觀測。上圖凸起的波形為鋸齒波的模，表示有功率輸出。而且隨著陰極電壓的變化，模區(qū)的范圍也不斷發(fā)生變化，從而在變化過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)上圖中箭頭所指的凹陷！選擇較大的一個(gè)模，調(diào)節(jié)吸收式波長表。工作模區(qū)波形圖頂部出現(xiàn)一個(gè)下降峰：由上圖可知，下降峰表示能量被吸收，即產(chǎn)生了諧振。此時(shí)下降峰最大，諧振最大。此時(shí)調(diào)諧尺寸為λ0=6.830mm,查表得f0=9489〔MHz〕。VR1/vVR2/v41.53λ1/mm6.771λ2/mm6.810f1/MHz9498f2/MHz9492所以：電子調(diào)諧寬度為：Δf=│f1-f2│=│9498-9492│MHz=6MHz電子調(diào)諧靈敏度為：We=Δf/ΔVR=│f1-f2│/│VR1-VR2│=153.85MHz/v〔4〕 由上圖可知：當(dāng)λ=6.790mm時(shí)，f=10465-142.86*6.790MHz=9494.98MHz反射式速調(diào)管鋸齒波調(diào)頻工作狀態(tài)的觀測，在方波狀態(tài)下，調(diào)節(jié)調(diào)制幅度，至輸出功率最大，并觀在方波狀態(tài)下，調(diào)節(jié)調(diào)制幅度，至輸出功率最大，并觀察其變化；從以上圖像中我們可以看出，圖像中的橘黃色區(qū)域仍然是鋸齒波下模區(qū)的變化過程，知識(shí)在方波的模式下，模區(qū)好似被方形波切割了一樣！【思考與討論】調(diào)整反射式速調(diào)管微波信號(hào)源的工作頻率有哪幾種常用方法？答：通常調(diào)整速調(diào)管的振蕩頻率有電子調(diào)諧和機(jī)械調(diào)諧兩種方法?！半娮诱{(diào)諧〞是改變反射極電壓，使電子渡越時(shí)間改變，電子團(tuán)的電納改變，速調(diào)管的振蕩頻率也隨之改變，同樣也可以改變陽極電壓從而改變速調(diào)管的振蕩頻率?！皺C(jī)械調(diào)諧〞是通過改變腔的大小和形狀，從而改變其腔體的固有諧振頻率。微波諧振腔波長表測量頻率的根本原理是什么？答：諧振腔波長表可用兩種不同方法與微波系統(tǒng)連接：傳輸型方法〔最大讀數(shù)法〕和吸收型法〔最小讀數(shù)法〕。傳輸式諧振腔有兩個(gè)耦合元件，一個(gè)將能量從微波系統(tǒng)輸入諧振腔，另一個(gè)將能量從諧振腔輸出到指示器，當(dāng)諧振腔調(diào)諧于待測頻率時(shí)，能量傳輸最大，指示器的讀數(shù)也是最大。吸收式波長表的諧振腔只有一個(gè)輸入端與能量傳輸線相接，調(diào)諧是從能量傳輸線路接收端的指示器的讀數(shù)的降低而看出的。【實(shí)驗(yàn)總結(jié)】本實(shí)驗(yàn)是開始近代物理實(shí)驗(yàn)以來遇到的最復(fù)雜的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，首先以前的學(xué)習(xí)中對(duì)于微波這一局部幾乎沒有什么接觸，預(yù)習(xí)時(shí)也是云里霧里的，預(yù)習(xí)完后都不知所云，因?yàn)橛泻芏嘧约簭奈唇佑|過的概念和知識(shí)點(diǎn)，所以做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候遇到了不少的麻煩，多虧了老師和以