微波测量系统调试与频率

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 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】

一、反射式速调管微波信号源

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

图B1-2 反射式速调管的结构原理

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。反射极的电压一般比谐振腔低很多；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。

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图B1-3 反射式速调管的功率和频率特性曲线

（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振荡模的中心。

（4）各个振荡模的中心频率f0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

图B1-4 反射式速调管在方波调幅时的特性 图B1-5 反射式速调管在锯齿波调频时的特性

图B1-4表示反射式速调管在方波调幅时的特性。 （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，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、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。

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【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（阳极）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。

微波信号源 检波指示器或示波器 隔离器 可变衰减器 波长表 图B1-8 实验用微波测量系统

晶体检波器 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（阳极）电压Vo，从0～250V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f0。调节反射极电压，当信号源输出功率最大时，参考图B1-7（b）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。

5V，测量对应的振荡频率f，观察反射极电压变化对振荡频微调反射极电压改变量为±

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，用示波器观察工作模区图形，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

图B1-9 反射式速调管的工作模区示意图

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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。

测量电子调谐宽度时，先把检波器输出接到指示器μA表上，当μA表指示小于10μA时，半功率点位置如图B1-10（b）所示；当μA表指示大于10μA时，半功率点位置如图B1-10（c）所示。再调节反射极电压用波长表测量半功率点的频率f1和f2以及对应的反射极电压VR1和VR2，则反射式速调管的电子调谐宽度为

?f?|f1?f2| （B1-13）

电子调谐灵敏度为

We?|f?f|?f ?12 （B1-14） ?VR|VR1?VR2|

（a） （b） （c） 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（阳极）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20～25mA，一般不得超过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20～30dB）； 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。

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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。 【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

VR P 组数 max/V 左/V 右/V max/μA 左/μA 右/μA 1 14.43 11.63 21.49 5.8 0 0 2 41.56 32.43 47.44 15 0 0 3 77.5 63.7 86 28.1 0 0 4 132.1 114.7 144.1 42.2 0 0 5 214.8 195 233 52.5 0 0 根据表1中数据作P-VR曲线

555045403530P2520151050050100150200250 V

图1. P-VR曲线 图中有5个波峰，最佳工作模区为n=5，即第5个波峰。测出此时中心振荡频率，增加5V电压再测出中心频率，再减小10V电压，测量此时中心频率，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 P/W f/MHz V中（220.9） V+5（220.9） V-5（220.9） 11.42 11.365 11.47 8936 8941 8931 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|=|（11.365-11.47）|/10W/V=0.0105W/V |?f/?VR|=(8941-8931)/10MHz/V=1.000MHz/V

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