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.doc
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1、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:,微波的频率在300GHz300MHz之间,(其中1MHz106Hz,1GHz109Hz)。 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
2、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 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。 波长短。微波的波长远小于一般宏观物体的尺
3、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。 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
4、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
5、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KG1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: (1) 根据能量守恒,电子所获得的动能为: (2) (3) 电子在KG1空间的平均速度为,因此电子从K运动到G1的时间为: (4) 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G1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
6、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 = umsinw 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t1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V0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V0,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
7、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t1t3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
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