摘要本实验通过反射式速调管产生微波振荡和波导管传输微波。利用各种部件对微波不同的吸收和反射的强弱，测量微波最基本参数：频率、功率和微波波导的性能指标，及波导管的驻波比。实验中测得最佳振荡模中心对应U R为-150.8V，测量的三个部件的驻波比分别是：全匹配负载为1.48、短路负载为3.02、晶体检波器最差匹配状态为2.18和最佳匹配状态为1.41。 关键词反射式速调管微波驻波比
一、引言
微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，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。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，微波有下述几个独特性质：短波性(1m —1mm)、高频特性、量子特性和似光性（有类似光的吸收、反射现象）。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，且有巨大的应用价值。
本实验中采用的微波是波长在3cm左右的厘米波。
二、原理
A.实验物理原理
1．反射式速调管
硅片清洗速调管的工作原理是将直流电源的能量转化电子动能，进而转化为微波波段的电磁场能量。其结构组成如图1所示，由三部分组成：阴极部分（形成电子细束）、谐振腔（调制电子速度，输出微波能量）和反射极（阻挡穿过栅网的电子）。反射式速调管的工作过程为电子细束在上下栅网间来回运动，形成振荡电流，即形成振荡电场，进而圆环里形成相应的磁场，利用耦合环引线即可将微波能量输出。
cd4543虽然电子流与高频场能量相互作用过的总效应在正负半周期内是完全抵消的，但因为电子速度受微波场的调制，导致离开栅极的速度不同，不同速度的电子在拒斥场的作用下返回栅极的时间则不同，我们可以通过调整拒斥场的大小可以控制电子返回谐振腔的密度流。也就是通过调整反射极电压和谐振腔电压，反射空间距离，改变渡越时间，使得在返回栅极时受到微波场最大减速的电子团密度最大，电子流与高频场能量相互作用过的总效应在正负半周期内不完全抵消，即微波场从运动电子钟获得的净能量最大。
(a) (b)一下一下的顶开
图 1 反射式速调管的结构简图(a)和电路图(b)
速调管中涉及的三个公式：
f =12π√LC
τ=(n +34
)T (2) τ=4s 0√mU 02e U 0+|U R |
(3) 其中公式(1)为由谐振腔决定的微波频率；(2)为渡越时间τ和微波振荡周期的关系；(3)为反射极电压U R 、谐振腔电压U 0、反射空间距离s 0，三者共同决定渡越时间。
dddt
根据上述原理分析，我们可以知道若固定U 0和s 0，则仅对应某些特定的U R 才能产生满足公式(2)条件的渡越时间，产生微波振荡。速调管的输出功率有如下特点：U R 值特定，才能有微波输出；振荡模中心输出功率最大；不同的振荡模，其输出功率不相等（因为n 较小时，电子流在反射空间飞行的时间很短，电子来不及很好的聚在一起形成电子团，当n 很大的时候，电子流飞行时间太长，以至于电子间的静电排斥力又将对聚影响明显）。
速调管有三种工作状态：连续振荡状态（连续，等幅，单频的微波振荡）；调幅状态（输出频率随方波幅值的变化而变化）和调频状态（机械调频和电子调频）。
2．微波的传输
矩形波导管中的TE 10波，其磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。特性如下：存在一个临界波长λ0=2a(a 为波导管的长边)，只有当自由空间的波长λ<；小于临界波长λ0时，电磁波才能在矩形波导中得到传播；波导波长λg >大于自由空间波长λ；电场只有E y 量，而磁场则有H x 和H z 分量；在x =a 2处, E y 最大，在两侧为零，故电场在x 方向形成一个驻立半波；电磁场在波导的纵方向上形成行波。
波导终端接入负载后，由于负载性质的不同，电磁波就将在终端产生不同程度的反射，即波导中存在入射波和反射波。
实验中，我们用驻波比或反射系数描述波导管中匹配和反射程度。其中，
图1 反射速调管的结构U R
G 10U 2G 阴极K 灯丝谐振腔加速极反射极R
反射系数Γ=电场的反射波的振幅
电场的入射波的振幅
(4)
S=|E y|
max
|E y|
min
=
1+|Γ0|
1−|Γ0|
(5)
依据终端负载的不同，波导管具有三种工作状态：当终端接全匹配负载时微波功率全部为终端吸收，
反射波不存在，波导中呈行波状态；当终端接短路负载时，终端全发射，波导中呈纯驻波状态；当终端接可调晶体负载时，既可以呈现全匹配的状态也可以呈现短路负载的状态，或者是两者的一种混合态（终端为部分反射，波导中传输的既不是行波，也不是纯驻波，而是混波状态）。
3.微波测量
微波测量基本出发点主要是利用各部件对微波的吸收效应。测量频率是通过调整腔长，改变其固有频率，使得此频率为微波频率相同，则发生谐振，即腔体对微波吸收强烈，微波的功率检测计读书突然变小。测量功率是利用晶体检波器将微波信号转化成直流电信号。测量驻波比使用测量线进行探寻电流的最大、最小值。
B实验装置及方法
1.实验仪器
本实验使用的实验仪器如图2所示，主要有速调管电源，速调管座，单向器，定向耦合器，衰减器，各种终端。
图 2 微波性能测量实验的仪器装置简图
2.测量驻波比的方法
1）小驻波比的测量（1.005≤S≤1.5）
在这种情况下，驻波波腹和波节都不尖锐，因此要多测几个驻波波节和波腹，按下式计算S的平均值
S=E max1+E max2+⋯+E maxn
E min1+E min2+⋯+E minn
(6)
当检波晶体管满足平方检波律I∝U2时，则
S=I+I+⋯+I
I min1+I min2+⋯+I minn
2）中驻波比的测量（1.5≤S≤10）
只需要测一个驻波腹和一个驻波节，按下式计算即可：
S=E max
E min
=
I
I min
(8)
3）大驻波比的测量（S>10）
本实验没有使用二倍极小功率法进行测量，测量一个驻波腹和一个驻波节，按照式(8)计算。
三、实验内容
实验的第一部分研究速调管特性，先是利用静态法通过使用电流计和数字万用表测量U R和功率，定性到最佳振荡模，然后使用波长计测出频率，测绘出最佳振荡模的P−U R和f−U R曲线。而后利用动态法，通过使用示波器，调节发射极电压和调制幅度及波长计，观察这些因素对振荡模的影响，也同时通过示波器测绘出f−U R曲线，并比较静态法和动态法对于测绘f−U R曲线的异同。实验的第二部分是通过使用测量线和数字万用表测量电流最小、最大值，得到全匹配负载、短路负载和可调晶体检波器的驻波比。
四、实验结果分析与讨论
A速调管工作特性的研究
1.静态工作特性
1）绘制速调管各振荡草图
实验中记录的虽是各个振荡模的电流起点，最高点以及终点，但因为电流和电压满足平方检波律I∝U2，即I∝P，可绘制出速调管各振荡模草图
图3 速调管各振荡模草图
从图3可以看出，不同的振荡模，其输出功率不相等。这是因为n较小时，
电子流在反射空间飞行的时间很短，电子来不及很好的聚在一起形成电子团，当n很大的时候，电子流飞行时间太长，以至于他们之间的静电排斥力又将对聚影响明显。所以，存在一个最佳振荡模，其输出功率最大。从图中可以看出，第三个峰对应的输出功率最大，由于实验条件和仪器限制，无法观测到第三个峰之后的振荡模。所以不能确定第三个峰对应的振荡模为最佳振荡模，但可以肯定的是从左到右的振荡模是越来越接近最佳振荡模，所以，我们认为第三个峰对应的振荡模为实验中的最佳
振荡模。
从图3还可以看出，不同振荡模之间的∆|U R|不同。将公式(1)、(2)和(3)联立，可以得到
4s0√mU0 2e
滴胶卡制作
U0+U R ∙f=(n+
3
4
) (9)
n和|U R|并非简单的线性关系而是类反比的关系。对式(9)求导可知，靠近最佳振荡模的振荡模之间∆|U R|越大。
2）绘制最佳振荡的P−U R关系图和f−U R关系图
根据实验中的最佳振荡模区间内各U R以及对应的相对功率和微波频率做出P−U R和f−U R关系图。
石墨烯供暖设备图4最佳振荡模的P−U R曲线
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