《11反射式速调管的工作特性和波导管的工作状态.docVIP

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: 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； 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VR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）