3微波测量系统调试方法.docx
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3微波测量系统调试方法
东北师范大学远程与继续教育学院
（网络教育）
实验报告
学习中心：
通榆县职业教育中心奥鹏学习中心
专业名称：
物理学
课程名称：
近代物理实验*
学号：
201106988253
姓名：
李大新
2014年8月17日
报告正文
课程名称：
近代物理实验
实验日期：
2014年8月17日编号NO：
3
开始时间：
7时40分；结束时间：
9时30分；
实验题目：
微波测量系统调试与频率测量
同组者：
高永学
实验题目：
微波测量系统调试与频率测量
作者及工作单位：
李大新吉林省通榆县第一中学
内容提要：
微波测量系统调试方法探索与频率测量
关键词：
微波频率测量调试
实验目的：
1．了解微波测量系统的基本组成，学会一般的调试方法。
2．了解反射速调管微波信号源原理及特性，掌握调整参数使微波源实现最佳工作状态的方法。
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．微波测量系统
微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成。
微波等效电源部分即微波发送器，包括微波信号源、工作状态（频率、功率等）监视单元、隔离器等。
测量装置部分也称测量电路，包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等）以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率插头等）。
测量指示仪器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等。
图2反射式速调管的结构原理
二．反射速调管微波信号源
微波信号源有许多类型，本实验中使用的是反射式速调管信号源
1．反射速调管的工作原理
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。
由阴极发出电子束，受直流电场加速后，进入谐振腔。
电子以不同的速度从谐振腔飞出来而进入反射极空间。
在谐振腔和反射极间的直流排斥电场，使电子未飞到反射极就停下来，反射回谐振腔。
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3所示。
（1）反射式速调管只有在某些特定的反射极电压值才能振荡。
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。
（3）输出功率最大的振荡模叫最佳振荡模（图3中n＝3的振荡模）。
（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。
通常调整速调管的振荡频率有电子调谐和机械调谐两种方法。
可利用反射极电压的变化无惯性的进行频率调节，这种方法称为“电子调谐”。
如果要在比较大的范围内改变速调管的振荡频率，采用“机械调谐”的方法，改变腔体的固有谐振频率。
反射式速调管的工作状态一般有三种：
连续振荡状态、方波调幅状态、锯齿波调频状态。
（1）连续振荡工作状态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）调幅工作状态。
使速调管处在连续振荡最佳位置，从连续状态变到调幅状态时，调节方波幅度使输出功率为连续状态的一半，此时幅度合适。
（3）锯齿波调频工作状态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，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。
图3
三．谐振腔的基本参数
1．谐振频率
描述电磁能量在谐振腔中运动规律的物理量，指在谐振腔中激起的电磁振荡的工作频率。
2．品质因数
描述谐振系统频率选择性的优劣及电磁能量损耗程度的一个物理量。
包括谐振腔品质因数、有载品质因数、外界品质因数。
3．耦合系数
谐振腔与外界耦合的强弱，引入的概念，定义为外界电路中的耗能与谐振腔中的耗能之比。
四．谐振腔Q值的测量
测量微波谐振腔Q值的常用方法有功率传输法、功率反射法、示波器法等。
五．微波频率的测量
谐振腔波长表可用两种不同方法与微波系统连接：
传输型方法和吸收型方法。
吸收式波长表的谐振腔只有一个输入端与能量传输线相接，调谐是从能量传输线路接收端的指示器的读数的降低而看出的，如图7（b）所示。
图7谐振腔波长表与测量系统的连接及相应的谐振曲线
实验器材：
反射速调管微波信号源、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。
实验内容：
1．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元件，了解其作用、主要性能及使用方法。
2．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8所示。
（1）测量系统基本匹配状态的调整
开启速调管电源预热3分钟。
调节反射极电压，使速调管进入振荡工作模区。
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。
图8实验用微波测量系统
（2）反射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，测量谐振腔电压即阳极Vo，从0～250V逐步增加反射极电压VR，确定反射速调管工作模区，参考图3。
测出输出功率的最大值Pmax、功率为零和最大值时对应的反射极电压VR，画出输出功率与反射极电压的关系曲线。
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，测量吸收式谐振腔波长表的谐振曲线，确定中心振荡频率。
微调反射极电压改变量为±5V，重新测量振荡频率f，观察反射极电压，求∂P/∂|Vr|和∂f/∂|Vr|。
（3）反射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，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，输出最大。
测出功率最大的工作模区的中心振荡频率，观察并记录示波屏上图形。
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。
测量中心振荡频率时可调节吸收式波长表，直至工作模区波形图顶部出现一下降峰。
这时，波长表上读数刻度对应的频率即为工作模区波形的中心频率f0。
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协调宽度为：
则反射速调管的电子调谐灵敏度为
（14）
（4）反射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。
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。
数据处理：
1.反射式速调管连续振荡工作状态观测。
①功率电压数据如下表所示：
表一反射式速调管连续振荡工作状态数据表
VR/V
18
24
28
40
48
56
76
88
I/μA
0
9.4
0
0
22
0
0
36.2
VR/R
98
132
146
159
220
236
253
I/μA
0
0
48
0
0
50.2
0
由上表作U–I曲线有
图9反射式速调管工作模区U—I曲线图
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f0.
实验测得中心振荡频率f0的波长λ0=8.86mm,查表得f0=9210（MHz）。
②实验测得最大功率附近±5V对应检波电流，列出表二：
表二反射极电压，振荡频率和功率数据表
-VR/V
141
146
151
I/uA
43.2
48.5
42.8
λ/mm
8.92
8.86
8.71
f/MHz
9202
9210
9228
由表可知
︱
P/
VR︱=︱（48.5-43.2）/（146-141）︱=1.06
︱
f/
VR︱=︱（9210-9202）/（146-141）︱=1.6
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：
上图凸起的波形为锯齿波的模，表示有功率输出。
选择较大的一个模，调节吸收式波长表。
工作模区波形图顶部出现一个下降峰：
由上图可知，下降峰表示能量被吸收，即产生了谐振。
此时下降峰最大，谐振最大。
此时调谐尺寸为8.82mm.查表得中心振荡频率f0=9210MHz.
根据检波特性求得f1,f2
-VR1=148Vλ1=9.01mmf1=9190MHz
-VR2=173Vλ2=8.65mmf2=9210MHz
则反射式速调管电子调谐宽度为:
=9190-9210=20MHz
电子调谐灵敏度为:
=20÷25=0.8MHz∕v
3.反射式速调管方波调幅工作状态的观测
在方波状态下，调节调制幅度，至输出功率最大，此时示波屏上的图案如下图所示：
此时：
λ=8.85mmf=9210MHz
上图不是严格的方波，可能原因为所取得反射极电压不是最佳。
思考与讨论：
1.反射式速调管有哪几种工作状态？
应分别选用什么仪表作指示器？
答：
一般有三种：
连续振荡（等幅）状态，方波（或矩形脉冲）调幅状态和锯齿波（或正弦波）调幅状态。
可使用检波指示器观察连续振荡状态，示波器观察方波和锯齿波调幅状态。
2.调整反射式速调管微波信号源的工作频率有哪几种常用方法？
答：
通常调整速调管的振荡频率有电子调谐和机械调谐两种方法。
“电子调谐”是改变反射极电压，使电子渡越时间改变，电子团的电纳改变，速调管的振荡频率也随之改变，同样也可以改变阳极电压从而改变速调管的振荡频率。
“机械调谐”是通过改变腔的大小和形状，从而改变其腔体的固有谐振频率。
3.一个典型的微波测量系统一般包括哪几部分？
简述其主要元件、仪器设备。
答：
微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成。
微波等效电源部分即微波发送器，包括微波信号源、工作状态（频率、功率等）监视单元、隔离器等。
测量装置部分也称测量电路，包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等）以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率插头等）。
测量指示仪器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等。
4.微波谐振腔波长表测量频率的基本原理是什么？
答：
谐振腔波长表可用两种不同方法与微波系统连接：
传输型方法（最大读数法）和吸收型法（最小读数法）。
传输式谐振腔有两个耦合元件，一个将能量从微波系统输入谐振腔，另一个将能量从谐振腔输出到指示器，当谐振腔调谐于待测频率时，能量传输最大，指示器的读数也是最大。
吸收式波长表的谐振腔只有一个输入端与能量传输线相接，调谐是从能量传输线路接收端的指示器的读数的降低而看出的。
5.有时晶体检波器在速调管和检波二极管都完好的情况下，会出现输出信号很小的现象，如何调节？
答：
（1）速调管并没有处于工作模区，而处于非工作模区，此时输出功率很低，接近于零，方法是：
调节速调管电压，当指示器的示数变到到最大时，即得到了匹配状态。
（2）为了调大信号可适当调节衰减器，并且调节反射极电压以及始、终端短路活塞，使输出增大。
实验总结：
1通过本实验，了解到微波测量系统的基本组成，并对各部件的用法有了了解。
2学会了如何调节“匹配状态”，并在实验中调试了系统的匹配状态，并对匹配状态进行了测量。
3观察测量了反射式速调管的三种不同工作状态，并分别测量了中心振荡频率f.
4在测量中心振荡频率中，利用了多种测量方法，波长表法，示波器法，以及方法状态下最佳振荡的方法。
参考文献：
实验题目：
微波测量系统调试与频率测量
作者及工作单位：
李增奇山西省介休市义安一中
内容提要：
微波测量系统调试方法探索与频率测量
关键词：
微波频率测量调试
实验目的：
1．了解微波测量系统的基本组成，学会一般的调试方法。
2．了解反射速调管微波信号源原理及特性，掌握调整参数使微波源实现最佳工作状态的方法。
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．微波测量系统
微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成。
微波等效电源部分即微波发送器，包括微波信号源、工作状态（频率、功率等）监视单元、隔离器等。
测量装置部分也称测量电路，包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等）以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率插头等）。
测量指示仪器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等。
图2反射式速调管的结构原理
二．反射速调管微波信号源
微波信号源有许多类型，本实验中使用的是反射式速调管信号源
1．反射速调管的工作原理
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。
由阴极发出电子束，受直流电场加速后，进入谐振腔。
电子以不同的速度从谐振腔飞出来而进入反射极空间。
在谐振腔和反射极间的直流排斥电场，使电子未飞到反射极就停下来，反射回谐振腔。
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3所示。
（1）反射式速调管只有在某些特定的反射极电压值才能振荡。
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。
（3）输出功率最大的振荡模叫最佳振荡模（图3中n＝3的振荡模）。
（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。
通常调整速调管的振荡频率有电子调谐和机械调谐两种方法。
可利用反射极电压的变化无惯性的进行频率调节，这种方法称为“电子调谐”。
如果要在比较大的范围内改变速调管的振荡频率，采用“机械调谐”的方法，改变腔体的固有谐振频率。
反射式速调管的工作状态一般有三种：
连续振荡状态、方波调幅状态、锯齿波调频状态。
（1）连续振荡工作状态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）调幅工作状态。
使速调管处在连续振荡最佳位置，从连续状态变到调幅状态时，调节方波幅度使输出功率为连续状态的一半，此时幅度合适。
（3）锯齿波调频工作状态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，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。
图3
三．谐振腔的基本参数
1．谐振频率
描述电磁能量在谐振腔中运动规律的物理量，指在谐振腔中激起的电磁振荡的工作频率。
2．品质因数
描述谐振系统频率选择性的优劣及电磁能量损耗程度的一个物理量。
包括谐振腔品质因数、有载品质因数、外界品质因数。
3．耦合系数
谐振腔与外界耦合的强弱，引入的概念，定义为外界电路中的耗能与谐振腔中的耗能之比。
四．谐振腔Q值的测量
测量微波谐振腔Q值的常用方法有功率传输法、功率反射法、示波器法等。
五．微波频率的测量
谐振腔波长表可用两种不同方法与微波系统连接：
传输型方法和吸收型方法。
吸收式波长表的谐振腔只有一个输入端与能量传输线相接，调谐是从能量传输线路接收端的指示器的读数的降低而看出的，如图7（b）所示。
图7谐振腔波长表与测量系统的连接及相应的谐振曲线
实验器材：
反射速调管微波信号源、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。
实验内容：
1．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元件，了解其作用、主要性能及使用方法。
2．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8所示。
（1）测量系统基本匹配状态的调整
开启速调管电源预热3分钟。
调节反射极电压，使速调管进入振荡工作模区。
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。
图8实验用微波测量系统
（2）反射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，测量谐振腔电压即阳极Vo，从0～250V逐步增加反射极电压VR，确定反射速调管工作模区，参考图3。
测出输出功率的最大值Pmax、功率为零和最大值时对应的反射极电压VR，画出输出功率与反射极电压的关系曲线。
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，测量吸收式谐振腔波长表的谐振曲线，确定中心振荡频率。
微调反射极电压改变量为±5V，重新测量振荡频率f，观察反射极电压，求∂P/∂|Vr|和∂f/∂|Vr|。
（3）反射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，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，输出最大。
测出功率最大的工作模区的中心振荡频率，观察并记录示波屏上图形。
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。
测量中心振荡频率时可调节吸收式波长表，直至工作模区波形图顶部出现一下降峰。
这时，波长表上读数刻度对应的频率即为工作模区波形的中心频率f0。
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协调宽度为：
则反射速调管的电子调谐灵敏度为
（14）
（4）反射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。
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。
数据处理：
1.反射式速调管连续振荡工作状态观测。
①功率电压数据如下表所示：
表一反射式速调管连续振荡工作状态数据表
VR/V
18
24
28
40
48
56
76
88
I/μA
0
9.4
0
0
22
0
0
36.2
VR/R
98
132
146
159
220
236
253
I/μA
0
0
48
0
0
50.2
0
由上表作U–I曲线有
图9反射式速调管工作模区U—I曲线图
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f0.
实验测得中心振荡频率f0的波长λ0=8.86mm,查表得f0=9210（MHz）。
②实验测得最大功率附近±5V对应检波电流，列出表二：
表二反射极电压，振荡频率和功率数据表
-VR/V
141
146
151
I/uA
43.2
48.5
42.8
λ/mm
8.92
8.86
8.71
f/MHz
9202
9210
9228
由表可知
︱
P/
VR︱=︱（48.5-43.2）/（146-141）︱=1.06
︱
f/
VR︱=︱（9210-9202）/（146-141）︱=1.6
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：
上图凸起的波形为锯齿波的模，表示有功率输出。
选择较大的一个模，调节吸收式波长表。
工作模区波形图顶部出现一个下降峰：
由上图可知，下降峰表示能量被吸收，即产生了谐振。
此时下降峰最大，谐振最大。
此时调谐尺寸为8.82mm.查表得中心振荡频率f0=9210MHz.
根据检波特性求得f1,f2
-VR1=148Vλ1=9.01mmf1=9190MHz
-VR2=173Vλ2=8.65mmf2=9210MHz
则反射式速调管电子调谐宽度为:
=9190-9210=20MHz
电子调谐灵敏度为:
=20÷25=0.8MHz∕v
3.反射式速调管方波调幅工作状态的观测
在方波状态下，调节调制幅度，至输出功率最大，此时示波屏上的图案如下图所示：
此时：
λ=8.85mmf=9210MHz
上图不是严格的方波，可能原因为所取得反射极电压不是最佳。
思考与讨论：
6.反射式速调管有哪几种工作状态？
应分别选用什么仪表作指示器？
答：
一般有三种：
连续振荡（等幅）状态，方波（或矩形脉冲）调幅状态和锯齿波（或正弦波）调幅状态。
可使用检波指示器观察连续振荡状态，示波器观察方波和锯齿波调幅状态。
7.调整反射式速调管微波信号源的工作频率有哪几种常用方法？
答：
通常调整速调管的振荡频率有电子调谐和机械调谐两种方法。
“电子调谐”是改变反射极电压，使电子渡越时间改变，电子团的电纳改变，速调管的振荡频率也随之改变，同样也可以改变阳极电压从而改变速调管的振荡频率。
“机械调谐”是通过改变腔的大小和形状，从而改变其腔体的固有谐振频率。
8.一个典型的微波测量系统一般包括哪几部分？
简述其主要元件、仪器设备。
答：
微波测量系统通常由等效电源、测量装置、指示仪器三部分组成。
微波等效电源部分即微波发送器，包括微波信号源、工作状态（频率、功率等）监视单元、隔离器等。
测量装置部分也称测量电路，包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等）以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率插头等）。
测量指示仪器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、选频放大器、功率计、示波器、数字频率计等。
9.微波谐振腔波长表测量频率的基本原理是什么？
答：
谐振腔波长表可用两种不同方法与微波系统连接：
传输型方法（最大读数法）和吸收型法（最小读数法）。
传输式谐振腔有两个耦合元件，一个将能量从微波系统输入谐振腔，另一个将能量从谐振腔输出到指示器，当谐振腔调谐于待测频率时，能量传输最大，指示器的读数也是最大。
吸收式波长表的谐振腔只有一个输入端与能量传输线相接，调谐是从能量传输线路接收端的指示器的读数的降低而看出的。
10.有时晶体检波器在速调管和检波二极管都完好的情况下，会出现输出信号很小的现象，如何调节？
答：
（1）速调管并没有处于工作模区，而处于非工作模区，此时输出功率很低，接近于零，方法是：
调节速调管电压，当指示器的示数变到到最大时，即得到了匹配状态。
（2）为了调大信号可适当调节衰减器，并且调节反射极电压以及始、终端短路活塞，使输出增大。
实验总结：
5通过本实验，了解到微波测量系统的基本组成，并对各部件的用法有了了解。
6学会了如何调节“匹配状态”，并在实验中调试了系统的匹配状态，并对匹配状态进行了测量。
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