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1、中国石油大学 近代物理一实验报告 班级：材料物理11-1姓名：同组者：_教师：实验B1 微波测量系统调试与频率测量【实验目的】1了解微波测量系统的基本组成，学会调试测量系统的基本方法。2了解反射式速调管微波信号源的工作原理及工作特性，掌握正确调整微波源实现最 佳工作状态的基本方法。3了解微波谐振腔的基本特性，掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本方法。4 学会用谐振腔波长表测量微波频率。【实验原理】、反射式速调管微波信号源 极的高频电场调剂，电子以不同的速度从谐振腔飞出来而进入反射极空间。1 反射式速调管的工作原理 反射式速调管有阴极、阳极（谐振腔）、反射 极三个电极，结构原理如图 B1-2
2、所示。阴极发射电 子；阳极利用耦合环和同轴线输出微波功率；反射 极用以反射电子。由阴极发出的电子束，受直流电场加速后，以 一定速度进入谐振腔，并在其中激起感应电流脉冲，从而在谐振腔内建立衰减振荡，这些振荡在谐振腔 的两个栅网之间产生交变电场。由于受到谐振腔栅 IJIH 图 B1-2 反射式速调管的结构原理 图 B1-3反射式速调管的功率和频率特性曲线 反射极的电压 般比谐振腔低很多；因此，在谐振腔和反射极之间，形 成了一个很强的直流排斥电 场，使电子未飞到反射极就 被迫停下来，又反射回谐振 腔。因为不同时刻穿过谐振 腔的各个电子有不同的速 度，所以他们在飞向反射极 和返回谐振腔的过程中，就 发
3、生了电子群聚。2.反射式速调管的工作特性 和工作状态 在一定条件下，反射式速调管的功率和频率特性曲线如图 B1-3所示。（1）反射式速调管并不是在任意的反射极电压值下都能产生振荡，只有在某些特定的反射 极电压值时才能产生振荡。每一个有振荡输出功率的区域叫做速调管的振荡模，用 n 表示震 荡模的序号。（2）对于每一个振荡模，当反射极电压 VR变化时，速调管的输出功率 P和振荡频率 f 都随之变化；在振荡模中心的反射极电压上，输出功率达到极大值，而且输出功率和振荡频 率随反射极电压的变化也比较缓慢。（3）输出功率最大的振荡模叫最佳振荡模，例如图 B1-3中 n=3的振荡模。通常使速 调管工作在最佳
4、振荡模的中心。（4）各个振荡模的中心频率 fo相同，通常称为速调管的工作频率。反射式速调管的工作状态一般有三种：连续振荡（等幅）状态、方波（或矩形脉冲）调 幅状态、锯齿波（或正弦波）调频状态。（1）连续振荡（等幅）工作状态 连续振荡状态就是我们在上面讨论过的工作状态，亦即在反射极上不加任何调制电压使 反射式速调管处在最佳工作状态。（2）方波（或矩形脉冲）调幅工作状 反射式速调管在锯齿波调频时的特性如图 B1-4所示。使速调管处在连续震荡的最佳位 （3）锯齿波（或正弦波）调频工作状态 反射式速调管在锯齿波调频时的特性如图 B1-5所示。速调管反射极电压的直流工作点 选择在某一振荡模的功率最大点，
5、即选择在频率变化曲线的当中，当锯齿波的幅度比振荡模 的宽度小得多时，可以得到近似直线性的调频信号输出，而附加的调幅很小。当速调管处在 微波测量系统的基本组成学会调试测量系统的基本方法了解反射式速调管微波信号源的工作原理及工作特性掌握正确调整微波源实现最佳工作状态的基本方法了解微波谐振腔的基本特性掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本有阴极阳极谐振腔反射极三个电极结构原理如图所示阴极发射电子阳极利用耦合环和同线输出微波功率反射极用以反射电子由阴极发出的电子束受直流电场加速后以一定速度进入谐振腔并在其中激起感应电流脉冲从而在谐振腔内建度从谐振腔飞出来而进入反射极空间图反射式速调管的结构原理图反射
6、式速调管的功率和频率特性曲线反射极的电压般比谐振腔低很多因此在谐振腔和反射极之间形成了一个很强的直流排斥电场使电子未飞到反射极就被迫停下来又调频工作状态时，可用示波器观察微波系统的动态特性。【实验器材】反射式速调管微波信号源（反射式速调管电源和速调管座）、隔离器、谐振腔波长表、微波测量系统的基本组成学会调试测量系统的基本方法了解反射式速调管微波信号源的工作原理及工作特性掌握正确调整微波源实现最佳工作状态的基本方法了解微波谐振腔的基本特性掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本有阴极阳极谐振腔反射极三个电极结构原理如图所示阴极发射电子阳极利用耦合环和同线输出微波功率反射极用以反射电子由阴极发出的
7、电子束受直流电场加速后以一定速度进入谐振腔并在其中激起感应电流脉冲从而在谐振腔内建度从谐振腔飞出来而进入反射极空间图反射式速调管的结构原理图反射式速调管的功率和频率特性曲线反射极的电压般比谐振腔低很多因此在谐振腔和反射极之间形成了一个很强的直流排斥电场使电子未飞到反射极就被迫停下来又可变衰减器、波导测量线、环形器、谐振腔、单螺钉调配器、匹配负载、短路片、晶体检波 器、检波指示器，双踪示波器、选频放大器、数字万用表等。【基础性实验内容】一微波测量系统的认识 熟悉微波测量系统的基本组成和各种微波器件。仔细阅读微波信号源和各微波器件的使 用说明书，了解其作用、性能及使用方法。二微波测量系统的调试 实
8、验所用微波测量系统基本组成如图 B1-8所示，衰减器置于衰减量较大的位置（约 20 至 30dB），指示器灵敏度置于较低位置，以防止电表过载而损坏。1 测量系统基本匹配状态的调整 开启速调管电源至“预热”，约 3 分钟后再打至“高压”。调节反射极电压，使速调管 进入振荡工作模区，即谐振腔邙日极）电流突然增到最大。调整系统的始端、终端的短路活 塞，使检波指示器的指示为最大。这时，微波测量系统大致处于匹配状态。2 反射式速调管连续振荡工作状态的观测 在连续振荡（等幅）工作状态下，测量谐振腔邙日极）电压 V。，从 0250V逐步增加 反射极电压VR，确定反射式速调管的工作模区，参考图 B1-9。用检
9、波指示器或测量放大器 指示各工作模区输出功率的相对大小，测出各区输出功率的最大值 Pmax,同时测出各区输出 功率为零和最大值时对应的反射 极电压 VR。测量输出功率最大 的工作模区的中心振荡频率 fo。调节反射极电压，当信号源输出 功率最大时，参考图测量吸收式 谐振腔波长表的谐振曲线，根据 波长表的频率与调谐刻度的校准 关系，确定中心振荡频率。微调反射极电压改变量为 犬 V，测量对应的振荡频率 f，观察反射极电压变化对振荡频 率 f 和输出功率 P的影响，求|?P/?VR|和|?f/?VR|。3 反射式速调管锯齿波调频工作状态的观测 在“锯齿波”调制工作方式下，连续缓慢地改变反射极电压，用示
10、波器观察工作模区图 图 B1-8实验用微波测量系统 微波测量系统的基本组成学会调试测量系统的基本方法了解反射式速调管微波信号源的工作原理及工作特性掌握正确调整微波源实现最佳工作状态的基本方法了解微波谐振腔的基本特性掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本有阴极阳极谐振腔反射极三个电极结构原理如图所示阴极发射电子阳极利用耦合环和同线输出微波功率反射极用以反射电子由阴极发出的电子束受直流电场加速后以一定速度进入谐振腔并在其中激起感应电流脉冲从而在谐振腔内建度从谐振腔飞出来而进入反射极空间图反射式速调管的结构原理图反射式速调管的功率和频率特性曲线反射极的电压般比谐振腔低很多因此在谐振腔和反射极之间形
11、成了一个很强的直流排斥电场使电子未飞到反射极就被迫停下来又形，仔细调节晶体检波器的短路活塞和调配螺钉，使示波器上的工作模区图形对称，且输出 最大。测出输出功率最大的工作模区的中心振荡频率和电子调谐度，观察并记录（存储）示 波屏上图形。调节“调制幅度”增大锯齿波电压，观测工作模区图形的变化情况，并解释。图 B1-10 测量中心振荡频率和电子调谐度时示波屏上图形 4 反射式速调管方波调幅工作状态的观测 首先，在最佳连续振荡工作条件下，缓慢调节反射极电压使输出功率逐渐下降为 0;其 次，在“方波”调制工作方式下，调节“调制幅度”逐步增大方波电压，直到输出功率最 大。这时，反射式速调管工作在方波调制最
12、佳振荡状态。在整个调整过程中，观察示波屏上 图形，测量振荡频率，记录波形变化情况，并加以解释。【注意事项】1.使用反射式速调管电源时，应先打开电源开关，三分钟后再开高压开关；关机时,则应先关高压，后断电源。2反射式速调管电源的谐振腔邙日极）电压不得超过 300V;一般反射极电压应小于谐 振腔电压且大于 5V;谐振腔电流调至 2025mA，般不得超过 25mA。3.由于反射式速调管电源未加冷却装置等原因，电源不可使用太久。当不进行测量时，可将电源高压部分关上。4开启微波振荡源前，微波衰减器应有较大的衰减量（约 2030dB）；测量过程中，若指示器电表超过满刻度或无指示，则可调整微波衰减器的衰减量
13、或指示器的灵敏度。5测量反射式速调管的工作模区时，应先找出最大的工作模区，调好系统的匹配，并 使输出指示器的读数接近满度；然后从小到大改变反射极电压，测量反射式速调管的全部工 作模区输出功率的相对大小。6用万用表的直流电压档测量谐振腔电压和反射极电压时，注意谐振腔是接地的，谐 振腔电压和反射极电压均对阴极而言。微波测量系统的基本组成学会调试测量系统的基本方法了解反射式速调管微波信号源的工作原理及工作特性掌握正确调整微波源实现最佳工作状态的基本方法了解微波谐振腔的基本特性掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本有阴极阳极谐振腔反射极三个电极结构原理如图所示阴极发射电子阳极利用耦合环和同线输出微波
14、功率反射极用以反射电子由阴极发出的电子束受直流电场加速后以一定速度进入谐振腔并在其中激起感应电流脉冲从而在谐振腔内建度从谐振腔飞出来而进入反射极空间图反射式速调管的结构原理图反射式速调管的功率和频率特性曲线反射极的电压般比谐振腔低很多因此在谐振腔和反射极之间形成了一个很强的直流排斥电场使电子未飞到反射极就被迫停下来又【数据记录及处理】1.反射式速调管连续振荡工作状态的观测 表 1.输出功率与反射极电压关系数据 4 1 2 3 Vr/v P/mw Vr/v P/mw Vr/v P/mw Vr/v P/mw 24.46 0 56.29 0 109.1 0 194.9 0 29.9 2.73 65.
15、2 5.51 116.8 7.18 201.2 10.26 35.93 3.991 75 8.98 132.8 15.97 218 16.8 39.63 2.73 79.7 5.51 140.6 7.19 229.8 10.5 40.91 0 80.7 0 142.3 0 233.3 0 根据表 1 中数据作 P-VR曲线 图 1.P-VR曲线 分析：如图所示，反射式速调管并非在任意的反射级电压值下都产生震荡，只有在某些特定 的电压下才能产生震荡，从图中可以看出各振荡模的基本规律都是相同的，输出功率都实现 增大后减小至零，且最大输出功率对应一个特定的频率值。图中有 4 个波峰，最佳工作模区 为
16、 n=4,即第 4 个波峰。测出此时中心振荡频率，增加 12V电压再测出中心频率，数据见表 2。表 2.反射极电压变化对振荡频率 f 和输出功率 P的影响 VR/V V 中(218)V+5（230）P/mw 16.8 9.9:f/MHz 9028.1 9040.4 从表中可以看出当反射电压减小时，输出功率增加，中心振荡频率减小，当反射电压增加时,输出功率减小，中心振荡频率增加。|?P/?VR|=|(16.8-9.9)|/12mW/V=0.575mW/V|?f/?VR|=(9040.4-9028.1)/12MHz/V=1.78MHz/V 2.反射式速调管锯齿波调频工作状态的观测 调节仪器得下图。
17、微波测量系统的基本组成学会调试测量系统的基本方法了解反射式速调管微波信号源的工作原理及工作特性掌握正确调整微波源实现最佳工作状态的基本方法了解微波谐振腔的基本特性掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本有阴极阳极谐振腔反射极三个电极结构原理如图所示阴极发射电子阳极利用耦合环和同线输出微波功率反射极用以反射电子由阴极发出的电子束受直流电场加速后以一定速度进入谐振腔并在其中激起感应电流脉冲从而在谐振腔内建度从谐振腔飞出来而进入反射极空间图反射式速调管的结构原理图反射式速调管的功率和频率特性曲线反射极的电压般比谐振腔低很多因此在谐振腔和反射极之间形成了一个很强的直流排斥电场使电子未飞到反射极就被迫停
18、下来又 上图凸起的波形为锯齿波的模，表示有功率输出。调节吸收式波长表。工作模区波形图顶部出现一个个下降峰:Tek JL OStop M Pos:-160.0JJ5 AUTOSET 8-Apf-13 1昭4 由上图可知，下降峰表示能量被吸收，即产生了谐振。当下降峰最大时，谐振最大。3.反射速调管方波调幅工作状态的观测 反射速调管工作在方波调制最佳振荡状态。实验中观察到的波形图分别见下图 56。CH1 期 3102JUS lOOmV 取消自 岛设置 7ArnV 1 微波测量系统的基本组成学会调试测量系统的基本方法了解反射式速调管微波信号源的工作原理及工作特性掌握正确调整微波源实现最佳工作状态的基本
19、方法了解微波谐振腔的基本特性掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本有阴极阳极谐振腔反射极三个电极结构原理如图所示阴极发射电子阳极利用耦合环和同线输出微波功率反射极用以反射电子由阴极发出的电子束受直流电场加速后以一定速度进入谐振腔并在其中激起感应电流脉冲从而在谐振腔内建度从谐振腔飞出来而进入反射极空间图反射式速调管的结构原理图反射式速调管的功率和频率特性曲线反射极的电压般比谐振腔低很多因此在谐振腔和反射极之间形成了一个很强的直流排斥电场使电子未飞到反射极就被迫停下来又Tsk JL Stop 1*1 Pg 勿加少 AUTOSET 21fmV 平均値92就 取消目 耳期痕也巴，；撫比-1 gjri
20、SS M 9SS Apr-13 17:09 lek JX,砂 M POT:AUTDSET 4 4 CHI 平均值 伽mV i LH-3S0mV II fl t*q 取消目 丄劫设置 CHI IQCniV M SKMN 1-Apr-13 1655 CHI Z 173mV 讪则Hl 图 6 通过以上实验图象可以看出，在调节“调制幅度”增大方波电压时，知直到输出功率功率最 大，次过程中示波器的波形变化情况如上面图所示，当刚将工作状态扳到方波状态时，会有 一个出现锯齿波形的过程，图 5，随着方波电压的增大，会渐渐向方波图形变化，直到变成 了方波。【思考与讨论】1.反射速调管有哪几种工作状态？应分别选用
21、什么仪表作为指示器？答：反射速调管一般有三种工作状态：连续震荡状态，方波调幅状态和锯齿波调频状态。用等幅状态工作时选用检流计作为指示仪表，方波和锯齿波状态工作时选用示波器作为 指示仪器。2 微波谐振腔波长表测量频率的基本原理是什么？常用的谐振腔波长表有哪几种？答：基本原理：当腔内的频率与待测频率一致时，两者会发生谐振，在示波器上显示为 最大或最小。常用的谐振腔波长表有两种：传输式波长表和吸入式波长表。【实验总结】本实验是关于微波的实验，由于之前先做过晶体检波率的实验，对微波实验的仪器，原理1W1 CHI 微波测量系统的基本组成学会调试测量系统的基本方法了解反射式速调管微波信号源的工作原理及工作
22、特性掌握正确调整微波源实现最佳工作状态的基本方法了解微波谐振腔的基本特性掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本有阴极阳极谐振腔反射极三个电极结构原理如图所示阴极发射电子阳极利用耦合环和同线输出微波功率反射极用以反射电子由阴极发出的电子束受直流电场加速后以一定速度进入谐振腔并在其中激起感应电流脉冲从而在谐振腔内建度从谐振腔飞出来而进入反射极空间图反射式速调管的结构原理图反射式速调管的功率和频率特性曲线反射极的电压般比谐振腔低很多因此在谐振腔和反射极之间形成了一个很强的直流排斥电场使电子未飞到反射极就被迫停下来又都有所了解，故做起来容易了许多。有关微波实验主要是通过测量其波长与频率了解微波的 相
23、关性质，在测量中需要测量的数据比较精确，故操作中需要仔细测量，有时候改变探针的 位置时示数会发生突变，但如果探针位置改变的太快就会使示数来不及变化，故在改变探针 位置时应该慢一点，在确定微波频率时是一样的操作方法。-1 小 2冯 D 斗風 Ml _ 叫/|&锯|s/J 电聊:?K?Q g :7J Q 2 _ 一皿 也施 1张 0 1|_ to 匸 _._ .域1 I Jj 丿OM5册（m、0 v),C 1 f/4*圧霜（工占Q、o U）0钳？楝 q琳9 V./一七匸几.微波测量系统的基本组成学会调试测量系统的基本方法了解反射式速调管微波信号源的工作原理及工作特性掌握正确调整微波源实现最佳工作状态的基本方法了解微波谐振腔的基本特性掌握测量谐振腔的谐振频率和品质因数的基本有阴极阳极谐振腔反射极三个电极结构原理如图所示阴极发射电子阳极利用耦合环和同线输出微波功率反射极用以反射电子由阴极发出的电子束受直流电场加速后以一定速度进入谐振腔并在其中激起感应电流脉冲从而在谐振腔内建度从谐振腔飞出来而进入反射极空间图反射式速调管的结构原理图反射式速调管的功率和频率特性曲线反射极的电压般比谐振腔低很多因此在谐振腔和反射极之间形成了一个很强的直流排斥电场使电子未飞到反射极就被迫停下来又