速調(diào)管工作特性

1、反射式速調(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(shí)驗(yàn)室 1、了解微波基本知識(shí)。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(shí)間和運(yùn)動(dòng)過(guò)程的物理圖像，學(xué)會(huì)使用波長(zhǎng)表和功率計(jì)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?微波簡(jiǎn)簡(jiǎn)介 從上圖可以看出，微波的頻率范圍是處于光波光波和廣播電視所采用的無(wú)線(xiàn)電波無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電波相比，微波有下述幾個(gè)主要特點(diǎn)。 什么是微波？微波特點(diǎn)1 1波長(zhǎng)短波長(zhǎng)短(1m 1mm)(1m 1mm)：具有直線(xiàn)傳播的特性，應(yīng)用于雷達(dá)定位、導(dǎo)航等領(lǐng)域。2 2頻率高頻率高：頻率300MHz-300 GHz，微波的電磁振蕩周

2、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(shí)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 3微波在研究方法上微波在研究方法上不像無(wú)線(xiàn)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(chǎng)，以波長(zhǎng)、功率、駐波系數(shù)等作為基本測(cè)量參量。 4 4量子特性量子特性：在微波波段，電磁波每個(gè)量子的能量范圍大約是10-610-3eV，而許多原子和分子發(fā)射和吸收的電磁波的波長(zhǎng)也正好處在微波波段內(nèi)。量子放大器和準(zhǔn)確的分子鐘，原子鐘。 5 5能穿透電離層能穿透電離層：微波可以暢通無(wú)阻地穿越地球上空的電離層，為衛(wèi)星通訊，宇宙通訊

3、和射電天文學(xué)的研究和發(fā)展提供了廣闊的前途。 應(yīng)應(yīng)用廣泛 總之微波具有自己的特點(diǎn)，不論在處理問(wèn)題時(shí)運(yùn)用的概念和方法上，還是在實(shí)際微波系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)上，都與普通無(wú)線(xiàn)電不同，成為獨(dú)立的學(xué)科。 國(guó)防軍事（雷達(dá)、導(dǎo)彈、導(dǎo)航）、國(guó)民經(jīng)濟(jì)（移動(dòng)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(gè)領(lǐng)域。 微波輻輻射對(duì)對(duì)人體有害，實(shí)驗(yàn)過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)盡應(yīng)盡量避免微波輻輻射！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

4、子被諧振腔上的正電壓加速，穿過(guò)柵網(wǎng)。在反射極反向電壓的作用下，運(yùn)動(dòng)電子返回柵網(wǎng)。當(dāng)滿(mǎn)足一定條件時(shí)，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(xiàn) 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(gè)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(hào)。 （2）對(duì)于每一個(gè)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。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n3的振蕩模）。為了

5、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(gè)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(chēng)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：調(diào)整反射式速調(diào)管的振蕩頻率有兩種方法：“電子調(diào)諧電子調(diào)諧”和和“機(jī)械調(diào)諧機(jī)械調(diào)諧”。反射式速調(diào)管的工作狀態(tài)反射式速調(diào)管的工作狀態(tài) （）連續(xù)振蕩狀態(tài)）連續(xù)振蕩狀態(tài)：就是我們?cè)谏厦嬗懻撨^(guò)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)在最佳振蕩模的最大輸出功率處，具有較好

6、的功率和頻率穩(wěn)定性。定性。 （）方波（或矩形脈沖）調(diào)幅狀態(tài)）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(shí)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(yán)格的方波，而且要選擇合適的反射極電壓（直流工作點(diǎn)），使調(diào)制波形的一個(gè)半周處在兩個(gè)振蕩模的不振蕩區(qū)域內(nèi)，而另一個(gè)半周處在振蕩模的功率最大點(diǎn)。 在實(shí)驗(yàn)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(dāng)從連續(xù)狀態(tài)變到調(diào)幅狀態(tài)時(shí)，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(shí)的調(diào)制幅度為合適。 當(dāng)速調(diào)管處在調(diào)幅工作狀態(tài)時(shí)，在微波測(cè)量線(xiàn)路中配合使用當(dāng)速調(diào)管處在調(diào)幅工作狀態(tài)時(shí)，在微波測(cè)量線(xiàn)路中配合使用測(cè)量放大器，即選頻

7、放大器，可以提高測(cè)量靈敏度。測(cè)量放大器，即選頻放大器，可以提高測(cè)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(shí)的特性 反射式速調(diào)管在鋸齒調(diào)頻時(shí)的特性 （）鋸齒波（或正弦波）調(diào)頻狀態(tài)）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(shí)的特性。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)，亦即選在頻率變化曲線(xiàn)的當(dāng)中，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(xiàn)性的調(diào)頻信號(hào)輸出，而附加的調(diào)幅很小。 當(dāng)速調(diào)管處在調(diào)頻工作狀態(tài)時(shí)，可用示波器觀測(cè)微波系統(tǒng)的當(dāng)速調(diào)管處在調(diào)頻工作狀態(tài)時(shí)，可用示波器觀測(cè)微波系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性。 為什么反射式速調(diào)管會(huì)產(chǎn)生微波振蕩？ 為什

8、么只有在某些特定的反射極電壓數(shù)值時(shí)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(jìn)行電子調(diào)諧和機(jī)械調(diào)諧？ 為了回答這些問(wèn)題，下面介紹反射式速調(diào)為了回答這些問(wèn)題，下面介紹反射式速調(diào)管的工作原理管的工作原理 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(yùn)動(dòng)過(guò)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(yùn)動(dòng)過(guò)程和能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。問(wèn)題就在于：怎樣把運(yùn)動(dòng)怎樣把運(yùn)動(dòng)電子的動(dòng)能變成微波振蕩的能量？電子的動(dòng)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(tuán)在通過(guò)柵網(wǎng)時(shí)正好受到微波電場(chǎng)的減速？即相位條件。 上述

9、的兩點(diǎn)要求是通過(guò)反射極來(lái)實(shí)現(xiàn)的上述的兩點(diǎn)要求是通過(guò)反射極來(lái)實(shí)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(tuán)回到柵網(wǎng)時(shí)受到微波電場(chǎng)的最大減速，這樣微波電場(chǎng)從運(yùn)動(dòng)電子掙得的能量最大。 振蕩發(fā)生的兩個(gè)條件 1、位相條件 如果把電子從離開(kāi)柵網(wǎng)至回到柵網(wǎng)所需的時(shí)間叫做渡越時(shí)間（以表示），則與群聚中心電子的渡越時(shí)間0與微波振蕩周期T滿(mǎn)足下式： 0=（n+3/4）T, n=1,2,3, 時(shí)，電子流給出的功率最大，這一條件相當(dāng)于振蕩的位相條件。顯然，振蕩發(fā)生時(shí)下面兩式同時(shí)成立：RVVemVS0000242、幅值條件第二個(gè)條件，即要求直流電子

10、流大于某一最小電流（起始電流），也即ii0。Tn)43(0相位條件和速調(diào)管內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡相位條件和速調(diào)管內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡電子渡越時(shí)間的測(cè)定 測(cè)量速調(diào)管中電子的渡越時(shí)間，可以加深對(duì)速調(diào)管工作原理的理解。群聚中心電子的渡越時(shí)間0同樣由前一關(guān)系式計(jì)算： 4324000nfVVemVSR 利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在我們的實(shí)驗(yàn)中可以觀測(cè)到的四個(gè)振蕩模，可以算出n、S。和 0。 兩種方法：求解方程法和擬合直線(xiàn)法。（選做）Tn)43(0RVVemVS000024)sin21 ()sin(2000tVevmteVevmmm0Vemn值與反射極電壓的關(guān)系244300mVDndVdfffR-321 、n振蕩蕩模中心附近小

11、范圍內(nèi)圍內(nèi)振蕩蕩頻頻率與與反射極電壓極電壓成線(xiàn)線(xiàn)性變變化，斜率隨隨n的增加而增大。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置 考慮到觀測(cè)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(cè)量的要求，我們采用下圖實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路。當(dāng)速調(diào)管處在連續(xù)狀態(tài)連續(xù)狀態(tài)時(shí)，指示器A，B為光點(diǎn)檢流計(jì)或檢波指示器；處于方波方波調(diào)幅狀態(tài)時(shí)，A，B為選頻放大器（DH388A0型）；處于鋸齒波鋸齒波調(diào)頻狀態(tài)時(shí)，A，B為示波器。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 觀測(cè)速調(diào)管的工作特性觀測(cè)速調(diào)管的工作特性 本實(shí)驗(yàn)將采用兩種方法對(duì)速調(diào)管的特性進(jìn)行觀察研究。 按正確步驟開(kāi)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

12、減（確保后級(jí)電路工作于小功率狀（確保后級(jí)電路工作于小功率狀態(tài)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)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(jì)時(shí)，可適當(dāng)增加功率。 第一種方法是動(dòng)態(tài)觀察法第一種方法是動(dòng)態(tài)觀察法，采用這種方法直接在示波器上顯示各個(gè)振蕩模的形狀，進(jìn)行測(cè)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(cè)速調(diào)管各個(gè)振蕩模（要求：VR從-300V變化到-30V）。描繪草圖，注明各個(gè)振蕩模的峰值以及各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的反射極電壓值。第二種方法是逐點(diǎn)描述法第二種方法是逐點(diǎn)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(jì)，波長(zhǎng)表測(cè)頻率。逐點(diǎn)改變反射極電壓，測(cè)量在不同反射極電壓時(shí)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(xiàn)，即 P- VR 曲線(xiàn)和 f- VR 曲線(xiàn)。這是一個(gè)比較精確的方法，但由于本實(shí)驗(yàn)所用的信號(hào)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(gè)振蕩模，因而只適用于研究最佳振蕩模的特性。在對(duì)系統(tǒng)調(diào)匹配，并適當(dāng)調(diào)節(jié)可變衰減器使示數(shù)合適后，即可進(jìn)行測(cè)量。注意波長(zhǎng)計(jì)測(cè)頻率后要盡快失諧！注意波長(zhǎng)計(jì)測(cè)頻率后要盡快失諧！思考題和數(shù)據(jù)處理思考題和數(shù)據(jù)處理 1.怎樣根據(jù)需要