雷達(dá)射頻微波器件及電路 課件 第7章 微波電真空器件

第7章微波電真空器件7.1概述7.2速調(diào)管7.3行波管7.4磁控管小結(jié)

7.1概

述

7.1.1

微波電真空器件的概念

在發(fā)明固態(tài)器件以前，微波管是僅有的有源器件，它適用于整個(gè)微波頻段和所有的功率電平?，F(xiàn)在，微波管和固態(tài)器件的應(yīng)用范圍如圖

7-1

所示，微波管在高功率、高頻率的應(yīng)用中占統(tǒng)治地位，而在中小功率及較低頻率器件中，半導(dǎo)體器件已經(jīng)代替了早期的微波電真空器件，兩者的應(yīng)用范圍并沒(méi)有很清楚的分界線。

圖

7-1

微波管和固態(tài)器件的應(yīng)用范圍

微波半導(dǎo)體器件與微波管是兩種性質(zhì)完全不同的電子器件。它們各有所長(zhǎng)，也各有短處。

微波管具有頻率高、功率大、效率和增益高、頻帶寬、耐高低溫、抗核輻射、性能穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但微波管也具有體積大、笨重、制造工藝復(fù)雜、成本高、輔助設(shè)備龐大、不利于整機(jī)小型化等缺點(diǎn)。

相比之下，微波半導(dǎo)體器件具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、耐沖擊震動(dòng)、制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、工作電壓低、利于整機(jī)小型化等優(yōu)點(diǎn)。但其頻率和功率不易提高，穩(wěn)定性和抗輻射性能差。

7.1.2

微波電真空器件的分類

按電子運(yùn)動(dòng)和換能的特點(diǎn)，微波電真空器件分為兩大類：線性注微波管(又稱“Ｏ”型器件)與正交場(chǎng)微波管(又稱“Ｍ”型器件)。

1.

線性注微波管

電子運(yùn)動(dòng)軌跡是直線的微波電真空器件稱為線性注微波管，其外形通常被設(shè)計(jì)成直線形，電子流將其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成高頻能量，所加磁場(chǎng)方向與電子運(yùn)動(dòng)方向平行，不參與能量交換。

2.

正交場(chǎng)微波管

電子運(yùn)動(dòng)軌跡不是直線，且有恒定磁場(chǎng)，恒定磁場(chǎng)與直流電場(chǎng)方向相互垂直的微波電真空器件稱為正交場(chǎng)微波管。其外形通常被設(shè)計(jì)成圓形，所加直流電磁場(chǎng)方向與電子運(yùn)動(dòng)方向是相互垂直的，電子流將位能轉(zhuǎn)換成高頻能量。當(dāng)電子流逐漸向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)并最后到達(dá)陽(yáng)極時(shí)，剩余能量已經(jīng)很少，因此這類微波管的效率很高，一般可達(dá)

80%

～

90%。這類微波管有各種磁控管、前向波放大管、Ｍ

型返波管、增輻管等，主要應(yīng)用于雷達(dá)發(fā)射機(jī)、電子對(duì)抗技術(shù)、線性加速器、微波加熱等領(lǐng)域。

7.2

速

調(diào)

管

7.2.1

速調(diào)管的分類速調(diào)管分為直射式速調(diào)管和反射式速調(diào)管兩種。直射式速調(diào)管用于功率放大，可以輸出很高的脈沖功率和連續(xù)波功率；反射式速調(diào)管用作振蕩器，產(chǎn)生微波信號(hào)。

1.

直射式速調(diào)管

直射式速調(diào)管是利用直線運(yùn)動(dòng)的電子流與高頻電場(chǎng)進(jìn)行能量交換的。由于電子流的產(chǎn)生和形成、電子流與微波場(chǎng)的相互作用、電子剩余能量的耗散和微波能量的輸出是在相互分離的空間中進(jìn)行的，而且其高頻互作用系統(tǒng)是分離的諧振腔，因而直射式速調(diào)管具有高功率、高增益、高效率、高穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。

直射式速調(diào)管主要用于雷達(dá)、通信、電視等發(fā)射設(shè)備的末級(jí)功率微波源和醫(yī)療設(shè)備中的微波功率源。在高能物理研究中，電子直線加速器使用上百只大功率直射式速調(diào)管作為微波功率源。

根據(jù)不同的使用條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，直射式速調(diào)管分為不同類型。按管子的電子流數(shù)目分為單電子流速調(diào)管和多電子流速調(diào)管；按工作方式分為脈沖速調(diào)管和連續(xù)波速調(diào)管；按聚焦方式分為電磁聚焦、永磁聚焦、靜電聚焦和空間電荷聚焦速調(diào)管；按諧振腔的數(shù)目分為雙腔速調(diào)管和多腔速調(diào)管；按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為內(nèi)腔速調(diào)管和外腔速調(diào)管以及某種特殊結(jié)構(gòu)的速調(diào)管(行波速調(diào)管、分布作用速調(diào)管等)。

2.

反射式速調(diào)管

反射式速調(diào)管用作振蕩器，產(chǎn)生微波信號(hào)。它只有一個(gè)諧振腔，利用返回電子進(jìn)行能量交換，可用作小功率振蕩器，其機(jī)械調(diào)諧帶寬能達(dá)到

30%，電調(diào)諧帶寬可達(dá)

1%左右。

7.2.2

電子與電場(chǎng)間的能量交換

1.

電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電子動(dòng)能

電子在電場(chǎng)中會(huì)受到電場(chǎng)的作用力，如果電子在均勻電場(chǎng)中逆著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，如圖7-2(a)所示，因電子受到電場(chǎng)吸引力，電子的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)越來(lái)越快，即電子加速，電子的動(dòng)能增大，電子所增加的動(dòng)能是由電場(chǎng)供給的，故電場(chǎng)給出電能。

2.

電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能

若電子順著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，如圖

7-2(b)所示，由于電子受到電場(chǎng)的排斥力，電子的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)越來(lái)越慢，即電子減速，電子的動(dòng)能減小。根據(jù)能量守恒定律，此時(shí)，電子失去動(dòng)能而放出電能，交還給電場(chǎng)。電子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行能量交換，電場(chǎng)愈強(qiáng)，電子數(shù)量愈多，電子運(yùn)動(dòng)路程愈長(zhǎng)，則相互交換的能量也就愈多。速調(diào)管振蕩器就是利用電子在電場(chǎng)中的能量交換來(lái)工作的。

圖

7-2

電子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

設(shè)電子運(yùn)動(dòng)時(shí)間為

t，漂移距離為

z，則電子運(yùn)動(dòng)速度可由斜率為

z/t

的直線表示，如圖7-3

所示。圖

7-3

電子運(yùn)動(dòng)速度表示

7.2.3

雙腔速調(diào)管的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.

結(jié)構(gòu)

圖

7-4

為雙腔速調(diào)管放大器結(jié)構(gòu)示意圖。圖

7-4

雙腔速調(diào)管結(jié)構(gòu)示意圖

電子槍能產(chǎn)生具有一定速度和密度均勻的電子流，由燈絲和能夠發(fā)射一定密度電子流

的陰極、能把電子流聚焦成束的聚焦電極和對(duì)電子流進(jìn)行加速的加速電極組成。

漂移管又稱漂移空間，是一段圓柱形金屬管，其直徑大于電子流平均直徑。速度不均勻的電子流在此空間做慣性運(yùn)動(dòng)，形成群聚電子流。漂移管內(nèi)不存在任何外加電場(chǎng)，是一個(gè)等位空間。漂移管除提供一段供電子流做漂移運(yùn)動(dòng)的空間，使已經(jīng)在輸入諧振腔中受到速度調(diào)制的電子流在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生群聚外，還要使速調(diào)管各諧振腔之間在高頻不能相互耦合。

2.

工作原理

1)

速度調(diào)制

由電子槍發(fā)出的電子束進(jìn)入輸入腔隙縫時(shí)，具有一定的速度

v0

，如忽略電子初速，則

v0完全由直流加速電壓

U0

決定。根據(jù)能量守恒定律，電子到達(dá)輸入腔時(shí)的動(dòng)能等于直流源加速電子所做的功，即

由此可得電子進(jìn)入柵網(wǎng)

Ａ

的速度為

式中：e是電子電荷；m是電子質(zhì)量。

事實(shí)上，電子從進(jìn)入柵網(wǎng)隙縫到離開柵網(wǎng)隙縫不可能是瞬時(shí)的，若考慮電子在柵網(wǎng)隙縫中渡越的時(shí)間，則電子束離開柵網(wǎng)的速度為

2)

密度調(diào)制

經(jīng)過(guò)速度調(diào)制后的電子流進(jìn)入到無(wú)電場(chǎng)的漂移空間(漂移管)后將做慣性運(yùn)動(dòng)，由于各電子的運(yùn)動(dòng)速度不同，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生電子追趕現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)一段距離后，出發(fā)晚、速度快的電子將趕上出發(fā)早而速度慢的電子，出現(xiàn)在不同時(shí)刻以不同速度進(jìn)入漂移空間的電子將在某處匯聚在一起，從而形成了電子流的密度調(diào)制。電子流由速度調(diào)制轉(zhuǎn)變?yōu)槭杳懿痪拿芏日{(diào)制的過(guò)程稱為“群聚”。電子密集的區(qū)域稱為電子塊(或群聚塊)。

圖

7-5

是漂移空間電子流的密度調(diào)制與群聚示意圖，表示了電子的時(shí)間

空間的群聚過(guò)程。圖

7-5(a)中，橫坐標(biāo)

t

表示時(shí)間，縱坐標(biāo)

z

表示諧振腔的位置，z

=

0

是陰極的位置，直線斜率表示電子的速度。觀察

4

種典型電子在不同時(shí)刻穿過(guò)輸入腔調(diào)制隙縫的運(yùn)動(dòng)情況：

②號(hào)電子是在交變電場(chǎng)由負(fù)變正過(guò)零時(shí)的

t2時(shí)刻穿過(guò)調(diào)制隙縫的；①號(hào)電子是在交變電場(chǎng)由正變負(fù)過(guò)零時(shí)的

t4時(shí)刻穿過(guò)調(diào)制隙縫的，①號(hào)電子和②號(hào)電子均不受隙縫電場(chǎng)影響，故電子的速度不變，二者的直線斜率相同；③號(hào)電子是在交變電場(chǎng)為最大負(fù)值的

t1時(shí)刻穿過(guò)隙縫的，電子在減速場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，其速度比①、②號(hào)電子要小，圖中直線斜率減小；④號(hào)電子是在交變電場(chǎng)為最大正值的

t3時(shí)刻穿過(guò)隙縫的，電子在加速場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，其速度要高于①、②號(hào)電子，在圖

7-5(a)中直線斜率增大。

圖

7-5

電子流的密度調(diào)制與群聚

從圖

7-5(a)可以看出，在不同時(shí)刻以不同速度出發(fā)的②、③、④號(hào)電子在漂移空間運(yùn)動(dòng)一段路程L后，②號(hào)電子追上③號(hào)電子，④號(hào)電子也正好追上②號(hào)電子，在②號(hào)電子附近(圖中直線交叉處)形成電子塊，把②號(hào)電子稱為群聚中心。而處在④號(hào)與③號(hào)電子之間位置的其余電子也都分別向②號(hào)電子靠攏，從而實(shí)現(xiàn)了電子流的群聚。z=L

處稱為最佳群聚距離。實(shí)際上，不僅只有處在④號(hào)與③號(hào)電子范圍內(nèi)的電子參與群聚，群聚范圍還可以拓寬，即還可以把比

t1時(shí)刻略早和比

t3時(shí)刻略晚離開調(diào)制隙縫的一些電子也包括在參加群聚的電子之內(nèi)。

①號(hào)電子在

t4時(shí)刻離開調(diào)制隙縫，速度與②號(hào)電子相同，但卻追不上

t4時(shí)刻之前以較大速度離開調(diào)制隙縫的電子，也不會(huì)被

t4時(shí)刻之后以較小速度離開調(diào)制隙縫的電子追上，所以，在①號(hào)電子前后一段時(shí)間內(nèi)離開調(diào)制隙縫的電子不參加群聚。可見，在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，多數(shù)電子參加了群聚，只有少數(shù)電子不參加群聚。上述群聚現(xiàn)象具有周期性，每隔一個(gè)交變電壓周期，群聚的電子塊就在

z

=

Ｌ

處出現(xiàn)一次，如圖

7-5(b)所示。

3)

密度調(diào)制電子流與高頻電場(chǎng)的相互作用

速調(diào)管放大器的工作原理可以總結(jié)為下面

4

個(gè)步驟：

第一步：電子槍燈絲產(chǎn)生的電子受到直流電壓加速獲得動(dòng)能，從而電子槍發(fā)射出速度、密度均勻的電子流；

第二步：電子流在隙縫受到輸入腔高頻電場(chǎng)作用而加速和減速，電子流速度受到調(diào)制；

第三步：受到速度調(diào)制的電子流在漂移空間形成疏密不均的電子流，即密度調(diào)制；

第四步：群聚電子塊在輸出腔減速交出動(dòng)能，高頻信號(hào)被放大。

7.2.4

多腔速調(diào)管

由于雙腔速調(diào)管的增益和效率都很有限，為進(jìn)一步改善管子的特性，在雙腔速調(diào)管的基礎(chǔ)上研制出了多腔速調(diào)管。圖

7-6

為三腔速調(diào)管示意圖，它將兩個(gè)雙腔速調(diào)管級(jí)聯(lián)起來(lái)，即把第一個(gè)雙腔速調(diào)管的輸出腔與第二個(gè)雙腔速調(diào)管的輸入腔合并，共用一束電子流。

圖

7-6

三腔速調(diào)管示意圖

大功率多腔速調(diào)管是一種全金屬陶瓷(或玻璃)結(jié)構(gòu)的高真空密封管。圖

7-7

所示為典型速調(diào)管的整管結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖，它的軸向(沿電子流)尺寸長(zhǎng)，諧振腔和漂移管沿軸向分布。

對(duì)于小型速調(diào)管可以采用任意安裝方式，對(duì)于長(zhǎng)度特別長(zhǎng)的低頻速調(diào)管可采用水平安裝方式。

如圖

7-7

所示，輸出窗也是大功率速調(diào)管的重要組件，其主要功能是將速調(diào)管產(chǎn)生的微波功率通過(guò)矩形波導(dǎo)等傳輸線傳輸?shù)教炀€等負(fù)載，同時(shí)保持速調(diào)管的真空密封性能。

圖

7-7

多腔速調(diào)管

7.2.5

多注速調(diào)管

多注速調(diào)管是一種大功率微波器件，由單注速調(diào)管發(fā)展而來(lái)，運(yùn)用了多電子流技術(shù)，主要由陰極組件、高頻互作用段(由諧振腔和多注漂移管段組成)、收集極以及功率輸入/輸出電路四部分組成，電子流在管內(nèi)由磁場(chǎng)約束。圖

7-8

所示為典型的多注速調(diào)管結(jié)構(gòu)圖。相比單注速調(diào)管，多注速調(diào)管具有工作頻帶寬、電壓低、重量輕、體積小、效率高、增益高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、粒子加速器、武器裝備、航空探測(cè)等領(lǐng)域。

圖

7-8

多注速調(diào)管結(jié)構(gòu)圖

7.2.6

速調(diào)管的工作方式

1.

速調(diào)管調(diào)制方式

速調(diào)管調(diào)制方式可分為陰極調(diào)制、陽(yáng)極調(diào)制、控制極調(diào)制和柵極調(diào)制，如圖

7-9

所示，圖

7-9(a)所示為陰極調(diào)制，圖

7-9(b)所示為陽(yáng)極調(diào)制，圖

7-9(c)

所示為控制極調(diào)制，圖

7-9(d)所示為柵極調(diào)制。陰極調(diào)制是大功率速調(diào)管最常用的調(diào)制方式，它通過(guò)控制加在陰極和陽(yáng)極間的電壓，實(shí)現(xiàn)脈沖工作。陽(yáng)極調(diào)制是在第一陽(yáng)極(與速調(diào)管管體相連)和陰極間插入第二陽(yáng)極(調(diào)制陽(yáng)極)，在陰極與第一陽(yáng)極間加直流高壓，在陰極與第二陽(yáng)極間加控制脈沖高壓，以此控制電子流的產(chǎn)生。這種調(diào)制方式也稱為電流調(diào)制，陰極、第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極可等效為一個(gè)三極管。

圖

7-9

速調(diào)管的調(diào)制方式

這種調(diào)制方式也稱為電流調(diào)制，陰極、第一陽(yáng)極和

第二陽(yáng)極可等效為一個(gè)三極管。在一些連續(xù)波速調(diào)管中，也采用具有調(diào)制陽(yáng)極的電子槍結(jié)構(gòu)，其主要目的是控制電子流導(dǎo)流系數(shù)和抑制離子返流?？刂茦O調(diào)制方式大多應(yīng)用于多注速調(diào)管，它利用控制極(聚焦電極)控制電子流的產(chǎn)生，也是一種電流調(diào)制方式。柵極調(diào)制方式與控制極調(diào)制方式相似，也是電流調(diào)制，采用帶有陰影柵的柵極結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)截獲工作。其主要優(yōu)點(diǎn)是柵極截止負(fù)偏壓低，調(diào)制器的體積和質(zhì)量輕。

2.

速調(diào)管聚焦方式

速調(diào)管聚焦方式有均勻電磁聚焦、均勻永磁聚焦、周期反轉(zhuǎn)永磁聚焦、周期永磁聚焦和周期靜電聚焦等方式。均勻電磁聚焦方式也稱線包聚焦方式，是大功率速調(diào)管最常用的一種聚焦方式，聚焦電子流的磁場(chǎng)由線包提供，其主要特點(diǎn)是整個(gè)互作用區(qū)的磁場(chǎng)方向一致，磁場(chǎng)幅度基本均勻。均勻永磁聚焦方式與線包聚焦方式相似，其互作用區(qū)具有均勻的磁場(chǎng)分布，而聚焦磁場(chǎng)由永磁鐵產(chǎn)生。

通常永磁聚焦方式適合于工作頻率高、高頻互作用區(qū)較短的速調(diào)管。周期反轉(zhuǎn)永磁聚焦方式通過(guò)磁場(chǎng)的多次反轉(zhuǎn)，減小了永磁聚焦系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，增加了聚焦長(zhǎng)度，它在多注速調(diào)管中得到廣泛應(yīng)用。周期永磁聚焦方式采用具有正弦波形的磁場(chǎng)分布實(shí)現(xiàn)電子流的聚焦，使聚焦系統(tǒng)的體積和質(zhì)量大大減小。

3.

冷卻方式

速調(diào)管作為一種大功率器件，需要對(duì)收集極、高頻互作用段(諧振腔和管體)、輸出窗和電子槍進(jìn)行冷卻，其冷卻方式主要有強(qiáng)迫液冷、蒸發(fā)冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷和自然冷卻。強(qiáng)迫液冷方式是大功率速調(diào)管最常用的一種冷卻方式，一般用于高平均功率和高連續(xù)波功率速調(diào)管。

圖

7-10(a)所示為速調(diào)管收集極風(fēng)冷結(jié)構(gòu)圖。為了增加散熱面積，風(fēng)冷收集極由收集極體和多個(gè)散熱翼片組成。水冷方式是速調(diào)管最常用的冷卻方式，圖

7-10(b)所示為單層水套冷卻結(jié)構(gòu)，圖

7-10(c)所示為雙層水套冷卻結(jié)構(gòu)。

圖

7-10

收集極的冷卻

4.

輸入和輸出方式

低頻段速調(diào)管一般采用同軸輸入方式，高頻段速調(diào)管采用波導(dǎo)輸入方式。除工作頻率很低(如P頻段)的速調(diào)管外，大部分速調(diào)管采用波導(dǎo)輸出方式。

圖

7-11

為典型速調(diào)管電路示意圖，圖中包括了射頻輸入及輸出端口、燈絲電源、上下磁場(chǎng)電源、加速電源及鈦泵電源等。

圖

7-11

典型速調(diào)管電路示意圖

7.2.7-反射速調(diào)管

反射速調(diào)管只有一個(gè)諧振腔，只能作為振蕩器使用，電子兩次穿過(guò)諧振腔隙縫，當(dāng)電子第一次穿過(guò)諧振腔隙縫時(shí)，被隙縫處的高頻電場(chǎng)速度調(diào)制。

厘米波頻段的反射速調(diào)管可分為外腔式和內(nèi)腔式兩大類，如圖

7-12

(a)、7-12

(b)所示。外腔式反射速調(diào)管用在厘米波低端(如

10

cm)，一般為玻璃外殼，使用時(shí)需外加諧振腔；內(nèi)腔式反射速調(diào)管用在厘米波高端(如

3

cm)，諧振腔內(nèi)附，往往做成金屬管殼結(jié)構(gòu)。

內(nèi)、外腔式反射速調(diào)管均由電子槍、諧振腔及柵網(wǎng)、反射極和能量輸出裝置等構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖

7-12

(c)所示。

圖

7-12

反射速調(diào)管外形結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

7.3

行

波

管

7.3.1

行波管概述多腔速調(diào)管采用多級(jí)群聚段作為電子流的控制機(jī)構(gòu)，可以得到很高的增益和效率，但是它是一種駐波器件。多腔速調(diào)管采用了多個(gè)諧振腔，其品質(zhì)因數(shù)Q

很高，因而頻帶很窄，相對(duì)帶寬一般只有百分之幾。即使采用參差調(diào)諧或降低腔體Q值的方法加寬頻帶，也不能改變速調(diào)管在根本上頻帶窄的特性，而且增益將會(huì)降低，諧振腔功率損耗也會(huì)增加。

按用途不同行波管可分為兩類：一類是低噪聲行波管，它具有很低的噪聲系數(shù)(1～10

dB)，同時(shí)具有頻帶寬、過(guò)載能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在微弱信號(hào)接收中占有重要的地位；另一類是功率行波管，它具有高效率、高可靠、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，可作為發(fā)射機(jī)的末級(jí)或中間級(jí)功率放大器，其效率可以高達(dá)

70%。按結(jié)構(gòu)不同行波管也可分為兩類：一類是寬帶應(yīng)用的螺旋線行波管；另一類是高功率應(yīng)用的耦合腔行波管，它的最大脈沖功率在P頻段達(dá)

100

MW，S頻段達(dá)

13

MW，C頻段達(dá)

4.5

MW，X頻段達(dá)

1.2

MW。螺旋線行波管的帶寬可以高達(dá)

2

個(gè)倍頻程或者更高，而耦合腔行波管的帶寬通常在

10%

～

20%的范圍內(nèi)。

7.3.2

行波管的結(jié)構(gòu)

圖

7-13

是行波管的結(jié)構(gòu)示意圖。它主要由電子槍(包括陰極、燈絲、聚束極和加速極)、磁聚焦系統(tǒng)、慢波系統(tǒng)、高頻輸入/輸出裝置、收集極、真空密封殼六個(gè)部分組成。

圖

7-13

行波管結(jié)構(gòu)示意圖

1.

電子槍

電子槍由燈絲、陰極、聚焦電極和陽(yáng)極組成。它的作用是產(chǎn)生一束符合要求的電子束，并將電子束加速到比在慢波結(jié)構(gòu)上行進(jìn)的電磁波的相速稍微快一些的速度，以便和電磁場(chǎng)交換能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大。

2.

磁聚焦系統(tǒng)

圖

7-14

所示為幾種主要的磁聚焦方法，分別為線包聚焦、永磁聚焦和周期永磁聚焦。線包聚焦系統(tǒng)的磁力線與電子運(yùn)動(dòng)方向平行，能夠得到很高的電子流通過(guò)率。當(dāng)平均功率較高而管子的尺寸和重量要求不高時(shí)，可采用線包聚焦方式。

圖

7-14

磁聚焦方法

3.

慢波結(jié)構(gòu)

螺旋線是最早使用的一種慢波結(jié)構(gòu)，如圖

7-15(a)所示。慢波結(jié)構(gòu)的作用有二：一是用來(lái)傳輸高頻信號(hào)，并使高頻電磁波的軸向傳播速度(相速)減慢，使它與電子流的速度同步以保證電子流和電磁波有足夠長(zhǎng)的相互作用時(shí)間；二是在慢波線附近的空間產(chǎn)生足夠強(qiáng)的高頻縱向電場(chǎng)，從而對(duì)電子流進(jìn)行速度、密度調(diào)制和能量交換。實(shí)際螺旋線慢波結(jié)構(gòu)中，螺旋線固定在管殼中，小功率行波管用玻璃管殼，大功率行波管用金屬管殼，用三根支撐桿固定螺旋線，如圖

7-15(ｃ)所示。支撐桿可用氧化鋁、氧化?；虻鸬戎瞥?。圖

7-15(b)、(ｄ)所示分別為環(huán)桿與耦合腔慢波結(jié)構(gòu)。

圖

7-15

幾種慢波結(jié)構(gòu)示意圖

4.

輸入/輸出裝置

輸入/輸出裝置是被放大信號(hào)的入口和出口，可以采用同軸或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為了使行波管放大器具有寬帶特性，必須保證行波管中的電磁場(chǎng)呈現(xiàn)行波狀態(tài)，在輸入/輸出裝置內(nèi)有調(diào)節(jié)匹配的裝置，從而能有效地傳輸高頻能量。

5.

收集極

做成圓盤狀的收集極用來(lái)收集在慢波螺旋線中完成能量交換后穿出螺旋線的電子流，構(gòu)成電子流的回路。由于電子束以很高的速度打到收集極上，使其發(fā)熱，因此收集極的散熱對(duì)提高管子的壽命是相當(dāng)重要的。除選用導(dǎo)熱性能良好的無(wú)氧銅制作外，還應(yīng)使收集極所加電壓與陽(yáng)極電壓相等或采用降壓收集極。

7.3.3

行波管放大器的工作原理

1.

螺旋線慢波原理

下面以螺旋線慢波系統(tǒng)為例說(shuō)明螺旋線如何減慢電磁波傳播的相速。眾所周知，電磁波沿導(dǎo)線以光速傳播?，F(xiàn)在將導(dǎo)線繞成螺旋形，這就迫使電磁波不得不走許多“彎路”，沿著導(dǎo)線一圈又一圈地前進(jìn)。結(jié)果，從軸向來(lái)看，電磁波傳播的速度就減慢了。螺旋線中相速與光速的關(guān)系決定于螺旋線一圈的長(zhǎng)度與其螺距之比，如圖

7-16

所示，圖中D

表示螺旋線的平均直徑，d表示螺距，ψ

表示螺旋線升角。

圖

7-16

螺旋線中相速和光速的關(guān)系

由圖

7-16

可得

通常，d?D，所以式(7-7)可近似為

式中，vP

是行波相速，c是光波。因?yàn)閐?D，所以

vP?c。將c/vP

定義為慢波比，其值取決于慢波結(jié)構(gòu)的尺寸與工作頻率。式(7-8)表征了電磁波傳輸減慢的程度，乍看起來(lái)，螺旋線中波的相速似乎與頻率無(wú)關(guān)，似乎它是個(gè)非色散系統(tǒng)，這是因?yàn)樯厦娴姆治鍪菢O為粗略的。嚴(yán)格的理論分析表明，螺旋線具有如圖

7-17-所示的色散特性。在很寬的頻率范圍內(nèi)，它的相速幾乎與頻率無(wú)關(guān)，但當(dāng)頻率較低時(shí)，它表現(xiàn)出強(qiáng)烈的色散特性。

圖

7-17

螺旋線的色散特性

2.

螺旋線上行波電場(chǎng)的分布

行波沿螺旋線傳播的過(guò)程中，螺旋線上的電壓、電流是隨時(shí)間變化的，在螺旋線周圍會(huì)產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。因交變磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于聚焦磁場(chǎng)，它對(duì)電子流的作用很小，并且磁場(chǎng)與電子流之間沒(méi)有能量交換，可以不考慮，所以我們只研究螺旋線上的交變電場(chǎng)對(duì)電子流的作用。圖

7-18

所示為螺旋線周圍的電場(chǎng)分布，由圖

7-18

可見，螺旋線內(nèi)的電場(chǎng)有切向分量、徑向分量和軸向分量。

圖

7-18

螺旋線周圍的電場(chǎng)分布

由于電子沿軸線運(yùn)動(dòng)，因此，只有軸向電場(chǎng)能夠?qū)λ鸺铀倩驕p速作用，并進(jìn)行能量交換，所以我們只研究軸向電場(chǎng)對(duì)電子流的相互作用，而螺旋線外部的交變電場(chǎng)可

以不考慮。在對(duì)稱的情況下，徑向電場(chǎng)對(duì)電子流的作用是相互抵消的。同時(shí)，行波電場(chǎng)的軸向分量沿軸線按正弦規(guī)律分布，并以速度

vP向輸出端傳播，如圖7-19

所示。

圖

7-19

軸向電場(chǎng)分布圖

3.

電子流的群聚和能量交換

從電子槍發(fā)射出來(lái)的均勻電子流在螺旋線的始端與輸入微波信號(hào)相遇。根據(jù)相遇時(shí)高頻信號(hào)電場(chǎng)的不同相位，信號(hào)電場(chǎng)對(duì)電子流可能是加速場(chǎng)、減速場(chǎng)或零電場(chǎng)，也就是說(shuō)電子流受到電場(chǎng)的速度調(diào)制，均勻的電子流將變成密度受到調(diào)制的不均勻電子流，顯然這是一種動(dòng)態(tài)控制過(guò)程。下面分三種情況進(jìn)行討論。

假設(shè)慢波系統(tǒng)上行波電場(chǎng)的軸向分量分布如圖

7-19

所示。電子進(jìn)入慢波線的速度為v0

，行波的相速為vP

。以圖

7-19

中

1、2、3

點(diǎn)的電子為例來(lái)說(shuō)明。

(1)

當(dāng)

v0=

vP

時(shí)，電子“1”在軸向電場(chǎng)強(qiáng)度大小為

0

時(shí)進(jìn)入，由于它不受高頻電場(chǎng)的影響，所以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一直處在高頻電場(chǎng)強(qiáng)度為

0

的位置上。電子“2”是在軸向電場(chǎng)為加速場(chǎng)時(shí)進(jìn)入的，由于高頻電場(chǎng)的加速作用，它在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要趨近電子“1”。電子“3”是在軸向電場(chǎng)為減速場(chǎng)時(shí)進(jìn)入的，因而受到高頻電場(chǎng)的減速作用，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐漸落后，它會(huì)被電子“1”趕上。這就是說(shuō)，電子在與行波電場(chǎng)一同行進(jìn)過(guò)程中發(fā)生群聚現(xiàn)象。如果在速度等于

vP

的移動(dòng)坐標(biāo)

z′中觀察這一現(xiàn)象，則有圖

7-20

所示的情況，電子流以電子“1”為中心發(fā)生群聚。但是，這時(shí)電子流與行波電場(chǎng)之間交換能量的總效果為

0，因?yàn)槿壕壑行那『梦挥诟哳l電場(chǎng)強(qiáng)度大小為零的相位上，由加速場(chǎng)和減速場(chǎng)來(lái)的電子數(shù)相等。

圖

7-20

v0=

vP

時(shí)行波管的電子群聚

(2)

當(dāng)

v0＞vP

時(shí)，這里是指電子速度略大于行波相速。這時(shí)在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)里觀察，除上述群聚過(guò)程外，還將增加一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就是全部電子將以

(v0－vP

的相對(duì)速度在

z′方向上移動(dòng)，使得群聚中心移入高頻減速場(chǎng)區(qū)域，如圖

7-21

所示。這樣就使較多的電子集中于減速場(chǎng)而有凈能量交換。電子流把從直流電源獲得的能量轉(zhuǎn)換給高頻電場(chǎng)，這正是行波管工作的基本原理。

圖

7-21

(v0＞vP時(shí)行波管的電子群聚

(3)

當(dāng)

v0<vP

時(shí)，與上述情況相反，電子流將群聚在加速場(chǎng)區(qū)域，從高頻電場(chǎng)攝取能量，使高頻電場(chǎng)強(qiáng)度衰減。電子流從高頻電場(chǎng)獲得能量，使得電子的行進(jìn)速度愈來(lái)愈快，這與(2)的情況恰好相反，但這正是行波型直線加速器的基礎(chǔ)。

綜合以上三種情況可得，在行波管中要使電子流和高頻電場(chǎng)有效地相互作用，必須使電子流的直流速度

v0

略大于行波相速vP

。而電子流能夠交出的能量只是(v0－vP

)所對(duì)應(yīng)的這一部分動(dòng)能。通常(v0－vP

)≤v0

，故行波管的效率不高。

綜上所述，在慢波系統(tǒng)內(nèi)，電子流與行波一起前進(jìn)的過(guò)程中將受到行波軸向電場(chǎng)的速度調(diào)制并逐漸群聚起來(lái)。電子流的初速不同，群聚區(qū)域也不同。要使行波管具有放大作用，必須使電子流的初速略大于行波軸向電場(chǎng)的相速度，使群聚中心電子處于行波電場(chǎng)的減速區(qū)內(nèi)，從而有效地進(jìn)行能量交換，使行波電場(chǎng)得到加強(qiáng)。

4.

行波管放大器放大信號(hào)的過(guò)程

如圖

7-21

所示，在

v0

略大于vP

的情況下，行波管中電子流與高頻信號(hào)的軸向電場(chǎng)之間的作用是相互的：軸向電場(chǎng)對(duì)電子流發(fā)生作用使電子流受到速度調(diào)制并逐漸群聚起來(lái)；反過(guò)來(lái)，群聚電子流對(duì)軸向電場(chǎng)也發(fā)生作用，即它不斷地把自己的動(dòng)能交給軸向電場(chǎng)，促使電場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)；這種群聚電子流密度的加大和行波軸向電場(chǎng)的增強(qiáng)是相互促進(jìn)，并越來(lái)越快地迅速積累。

行波軸向電場(chǎng)幅度和電子流分布密度沿行波管軸向的變化趨勢(shì)如圖7-22

所示，在螺旋線的輸入端，行波電場(chǎng)很弱，電子流的群聚程度不大，電子流比較均勻地分布在軸向電場(chǎng)的加速區(qū)和減速區(qū)內(nèi)，故電子流與軸向電場(chǎng)之間交換的能量很少；當(dāng)電子流與行波軸向電場(chǎng)同步前進(jìn)時(shí)，由于行波電場(chǎng)持續(xù)地對(duì)電子流起到加速或減速作用，使更多的電子流逐漸地在減速區(qū)內(nèi)群聚起來(lái)，這樣電子流交給軸向電場(chǎng)的能量就逐漸增多，行波電場(chǎng)也隨之增強(qiáng)；增強(qiáng)了的行波電場(chǎng)進(jìn)一步對(duì)電子流進(jìn)行速度調(diào)制，電子流群聚程度更大，從而又把更多的能量交給行波電場(chǎng)，使得行波軸向電場(chǎng)不斷地得到增強(qiáng)。

圖

7-22

行波軸向電場(chǎng)幅度與電子流分布密度沿行波管軸向變化趨勢(shì)示意圖

總之，行波管中電子流和高頻電場(chǎng)的相互作用與速調(diào)管相似，也包括速度調(diào)制、密度調(diào)制和能量交換三個(gè)過(guò)程。所不同的是，速調(diào)管中三個(gè)過(guò)程是分開的，且局限在某個(gè)特定的空間內(nèi)；而行波管中的三個(gè)過(guò)程不是分開的，而是同時(shí)發(fā)生并連續(xù)地分布在整個(gè)慢波線上的。

7.3.4

行波管放大器的主要特性

1.

同步特性

加速極電壓

U0決定著飛入螺旋線的電子的運(yùn)動(dòng)速度。通過(guò)調(diào)整加速極電壓

U0

，可以使電子流的速度

v0

稍快于行波的相速度

vp

，以使電子流能與高頻電場(chǎng)進(jìn)行充分的能量轉(zhuǎn)換，使高頻信號(hào)具有最大的功率輸出。在一定的條件下，能夠使行波管產(chǎn)生最大輸出功率

Pout的加速極電壓

U0稱為同步電壓。如果偏離了同步電壓，則輸出功率便會(huì)迅速減少，如圖

7-23所示。通常把輸出功率或增益與加速極電壓之間的關(guān)系稱為同步特性。

圖

7-23

行波管的同步特性

2.

輸出功率與增益

行波管是一個(gè)寬頻帶器件，在其輸出功率中必然會(huì)包含一部分諧波功率，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輸出功率是指基波輸出功率。

增益

G

的定義為輸出功率與輸入功率之比，即G

=

10ｌg(Pout/Pin

)。行波管的功率增益分小信號(hào)增益、額定功率增益、飽和增益，因此在講行波管的增益時(shí)必須首先說(shuō)明是指哪一種增益。

圖

7-24

所示為行波管的輸出功率、功率增益與輸入功率

Pin的關(guān)系曲線。由圖

7-24

可知，當(dāng)

Pin較小時(shí)，Pout隨

Pin的增加而線性增加，此時(shí)增益保持恒定(稱為小信號(hào)增益，圖中

A區(qū))；當(dāng)Pin較大時(shí)，Pout增加到某一最大值(圖中B

點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的增益稱飽和功率增益)后反而有所下降，增益也有所降低(圖中C區(qū))。

圖

7-24

行波管放大器的輸出功率、功率增益與輸入功率關(guān)系曲線

3.

工作頻帶

行波管是一個(gè)寬頻帶器件。

行波管放大器的工作頻率主要受輸入/輸出耦合裝置及其慢波系統(tǒng)的性能所限制。因?yàn)檩斎?輸出耦合裝置只能在一定的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的匹配，若頻帶太寬，則在慢波系統(tǒng)中除有前向波外，還有反射波，從而引起增益降低或引起行波管自激。對(duì)于慢波系統(tǒng)，當(dāng)螺旋線尺寸一定后，只有當(dāng)頻率合適時(shí)，形成的軸向高頻電場(chǎng)才有利于電子流的群聚。如果頻率太高，一個(gè)周長(zhǎng)的螺旋線相當(dāng)于幾個(gè)波長(zhǎng)，那么就不能形成軸向電場(chǎng)，也就不能放大信號(hào)；反之，頻率太低時(shí)，會(huì)使沿軸向分布的電場(chǎng)的周期數(shù)目減少，電子流不能有效地群聚，也不能放大信號(hào)。

4.

效率

行波管中常用的效率有兩個(gè)：一個(gè)是電子效率，是指行波管輸出功率與電子流功率之比；另一個(gè)是總效率，是指行波管輸出功率與各電極的電壓電流積的總和之比。

在行波管中，完成能量交換的電子仍以很高的速度打在收集極上，使收集極發(fā)熱。為了提高行波管的總效率，可以采用降壓收集極，使電子流在降壓收集極中減速以把能量交還給電源。

5.

穩(wěn)定性

行波管放大器受到各種因素的影響會(huì)產(chǎn)生自激，其中最常見的是由于輸入/輸出耦合裝置與慢波線之間匹配不良所致，比如輸出端失配產(chǎn)生的反射功率沿慢波線傳輸至輸入端，因輸入端不匹配便產(chǎn)生二次反射變成正向傳輸功率。如果二次波功率大于輸入信號(hào)功率，且相位合適，放大器就產(chǎn)生自激振蕩。為了消除這種自激振蕩，在制造行波管時(shí)可在螺旋線的介質(zhì)支撐桿的適當(dāng)位置上，噴涂漸變石墨層形成集中衰減器，用以吸收反射功率。在大功率行波管中，甚至將慢波線在適當(dāng)位置切斷，并在切斷點(diǎn)附近涂石墨層。

6.

噪聲系數(shù)

當(dāng)行波管作為低噪聲放大器時(shí)，噪聲系數(shù)是一項(xiàng)重要指標(biāo)。行波管的噪聲源包括兩個(gè)方面：一是由于電子發(fā)射不均勻產(chǎn)生的散彈噪聲；二是由于電子打在其他電極(如加速極)或螺旋線上產(chǎn)生的電流分配噪聲。

為了降低行波管的噪聲，一方面應(yīng)盡量設(shè)法改善電子流的聚焦；另一方面可以設(shè)計(jì)特殊的低噪聲電子槍，降低散彈噪聲。

以上介紹了行波管的幾個(gè)主要性能參數(shù)。由于行波管的種類繁多，用途也不盡相同，表征它的性能參數(shù)也很多，視具體應(yīng)用場(chǎng)合而定。比如接收機(jī)用低噪聲行波管放大器，要求管子的噪聲性能好；通信用行波管要求交調(diào)失真?。粸楸ＷC通信質(zhì)量，衛(wèi)星通信用行波管要求增益波動(dòng)和增益斜率??；多普勒雷達(dá)中的行波管要求相位靈敏度應(yīng)盡可能低等。

表

7-1

列出了某衛(wèi)星地面站發(fā)射機(jī)末前級(jí)行波管放大器的技術(shù)指標(biāo)。

圖

7-25

為行波管實(shí)物示意圖。圖

7-25

行波管實(shí)物示意圖

7.3.5

行波管使用注意事項(xiàng)

1.

保持匹配良好

2.

防止聚焦線圈電流中斷

3.

保持螺旋線的中心軸與聚焦磁場(chǎng)的中心軸相重合

7.3.6

微波功率模塊

微波功率模塊

MPM

的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖

7-26

所示，由行波管放大器、微波固態(tài)放大器和集成電源三個(gè)部分組成。

圖

7-26

MPM

基本結(jié)構(gòu)

圖

7-27(a)

所示為

Ku

頻段空間應(yīng)用的

MPM，其帶寬為

2

GHz，飽和輸出功率為150

Ｗ，增益為

51

dB，效率為

61%

～63%，尺寸為

330mm×87mm×120mm，重量為1.85

kg。圖

7-27(b)所示為工作于

4～18

GHz

的

50Ｗ

MPM，尺寸為

140mm×86mm×20mm，模塊效率為

32%。其所用的小型化行波管重量?jī)H

135g，體積僅為135mm×25mm×16mm，圖

727(c)為該行波管與簽字筆的對(duì)比圖。

圖

7-27MPM

實(shí)物

7.4

磁

控

管7.4.1

磁控管概述在正交場(chǎng)器件中，恒定磁場(chǎng)與直流電場(chǎng)是互相正交(垂直)的，這與前面介紹的O型器件大相徑庭。而且，在所有正交場(chǎng)器件中，恒定磁場(chǎng)在相互作用過(guò)程中直接發(fā)揮作用。正交場(chǎng)微波管通常分為放大管和振蕩管兩大類，器件型號(hào)繁多，已被廣泛用在軍事和民用各個(gè)領(lǐng)域。振蕩管中主要有磁控管和M型返波管。其中，特種脈沖磁控管和毫米波同軸磁控管主要用于雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)航及制導(dǎo)等領(lǐng)域；普通磁控管主要用于微波加熱、醫(yī)療和家用微波爐等領(lǐng)域。

7.4.2

磁控管的結(jié)構(gòu)

多腔磁控管的典型結(jié)構(gòu)如圖

7-28

所示。圖

7-28(a)所示為磁控管的

6

個(gè)主要組成部分，包括陰極、陽(yáng)極(包括諧振腔)、能量輸出裝置、諧振腔隙縫、燈絲引線。圖

7-28(b)所示為磁控管的另一個(gè)主要組成部分：永久磁鐵以及散熱卡、陶瓷等輔助組成部分。陰極和陽(yáng)極的位置嚴(yán)格保持同軸關(guān)系，陰極的作用是發(fā)射電子流。為了輸出足夠大的功率，陰極的面積很大，其直徑通常是陽(yáng)極直徑的二分之一。

圖

7-28

多腔磁控管的典型結(jié)構(gòu)

陽(yáng)極由無(wú)氧銅做成，其內(nèi)表面有許多小的諧振腔，腔的數(shù)目可以從

6

個(gè)到

40

個(gè)不等，一般取偶數(shù)，并且隨著波長(zhǎng)的縮短，所用諧振腔的數(shù)目增多，多腔磁控管的名稱即由此而來(lái)。這種周期性結(jié)構(gòu)和行波管中螺旋線的作用相同，即形成一種慢波系統(tǒng)。陽(yáng)極和陰極表面構(gòu)成高頻電磁場(chǎng)的相互作用空間。陽(yáng)極的外部一般都做成片狀，以便散熱。諧振腔的形式很多，除如圖

7-28

所示孔槽形外，常見的還有槽形和扇形，如圖

7-29

所示。它們?yōu)橥幌到y(tǒng)，因?yàn)樵谶@些系統(tǒng)中，每一個(gè)小腔的截面形狀和尺寸都是相同的。還有所謂異腔系統(tǒng)，它們由尺寸或形狀不同的諧振腔組成。

圖

7-29

磁控管陽(yáng)極諧振腔典型形式

7.4.3

電子流與電場(chǎng)的能量交換原理

1.

電子在加速電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)從電源獲得能量

平板電極構(gòu)成的隙縫如圖

7-30(a)、(b)所示。兩個(gè)電極是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不會(huì)截獲電子，但可以讓電子穿過(guò)。圖

7-30

運(yùn)動(dòng)電子通過(guò)直流電場(chǎng)

2.

電子在減速場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能

如圖

7-30(b)所示，若在電極上加直流負(fù)壓，電子以

v0的速度進(jìn)入隙縫，在隙縫內(nèi)受電場(chǎng)力作用而減速。在負(fù)電壓建立的減速場(chǎng)作用下，電子飛出隙縫時(shí)，速度降低到

v1

，且

v1<v0

，電子動(dòng)能減少。這時(shí)外電路中的感應(yīng)電流的方向與外加直流電源電壓的方向相反，形成對(duì)電源的充電電流，于是電源能量增加，所增加的能量等于電子失去的動(dòng)能。

由上述討論可見，電子初速方向與電場(chǎng)方向相反時(shí)，電場(chǎng)為加速場(chǎng)，處于加速場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)電子從電場(chǎng)獲得能量，電子動(dòng)能增加；電子初速方向與電場(chǎng)方向相同時(shí)，電場(chǎng)為減速場(chǎng)，處于減速場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)電子把動(dòng)能轉(zhuǎn)換給電場(chǎng)。

7.4.4

電子在恒定電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

1.

電子在恒定磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

圖

7-31

電子在恒定磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡

2.

電子在平行平面電極的恒定電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

下面再來(lái)看電子在平面電極正交電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡(見圖

7-32)。兩平行平面電極如圖

7-32

所示，上極板為陽(yáng)極，下極板為陰極。陽(yáng)極對(duì)陰極而言加正高電壓

Ua，形成由陽(yáng)極指向陰極的直流電場(chǎng)E，同時(shí)在平面電極之間加有垂直指向紙內(nèi)的恒定磁場(chǎng)B。如果忽略電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，則可認(rèn)為陽(yáng)極與陰極之間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)是均勻分布的，同時(shí)假定陰極附近沒(méi)有空間電荷，并且電子離開陰極時(shí)的初速度為

0。

圖

7-32

電子在平面電極正交電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡

式(7-9)是一個(gè)“擺線”的參數(shù)方程，其軌跡是半徑為

r

的圓，以角速度

ωc沿

z

方向(即陰極表面或稱軸向)做無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)時(shí)，圓周上某點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。這個(gè)滾動(dòng)的圓稱為輪擺圓。這就是說(shuō)，在上述特定的初始條件下，電子運(yùn)動(dòng)軌跡是一條輪擺線，電子在

z

方向運(yùn)動(dòng)的平均速度與形成擺線的輪擺圓的圓心速度相等，即

vz=

rωｃ

=

E/Ｂ。將式(7-9)對(duì)時(shí)間微分得

當(dāng)電場(chǎng)E

一定時(shí)，改變磁通密度

B

的大小，電子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖

7-34

所示分四種情況：

圖中“①”對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)B

=

0，此時(shí)電子在電場(chǎng)力的作用下沿直線飛向陽(yáng)極。

圖中“②”對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)

B＜BC，電子受到的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)力較小，圓半徑較大，2r＞d，電子來(lái)不及完成整個(gè)擺線的運(yùn)動(dòng)就打到了陽(yáng)極上。

圖中“③”對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)

B

=BC，電子剛好擦過(guò)陽(yáng)極表面就返回陰極。

圖中“④”對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)

B＞BC，電子受到的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)力較大，圓半徑較小，電子很快返回陰極。

圖

7-33

臨界拋物線

圖

7-34

電子的運(yùn)動(dòng)軌跡

3.

電子在圓筒形電極的恒定電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)

磁控管的陽(yáng)極和陰極都是同軸的圓筒形結(jié)構(gòu)，圓筒形電極中的電磁場(chǎng)如圖

7-35

所示。圖中

ra和

rk分別為陽(yáng)極和陰極的半徑，陽(yáng)極電壓

Ua在陽(yáng)極和陰極之間產(chǎn)生均勻的徑向電場(chǎng)E；磁通密度

B

與紙面垂直而指向紙面(與管軸平行)，且為均勻分布。電子從陰極發(fā)出后，在正交恒定電磁場(chǎng)作用下，在垂直于軸的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其軌跡和平板系統(tǒng)類似，也分四種情況，如圖

7-36

所示。在圓筒形電極中臨界磁通密度

Bc可表示為

圖

7-35

圓筒形電極中的電磁場(chǎng)

圖

7-36

圓筒形電極中，E

一定時(shí)，不同

Ｂ

值的電子運(yùn)動(dòng)軌跡

以上討論的臨界磁通密度都是在陽(yáng)極電壓

Ua為某一固定值下得到的，因此把式(7-12)中相應(yīng)的陽(yáng)極電壓稱為臨界電壓，用符號(hào)

Uc表示，其值為

由臨界磁場(chǎng)或臨界電壓的表示式可以看出，臨界拋物線的形狀完全取決于電極系統(tǒng)的幾何尺寸。

7.4.5

多腔磁控管的諧振模式

多腔磁控管的陽(yáng)極是一個(gè)首尾相接的慢波結(jié)構(gòu)，換句話說(shuō)，它是一串封閉的諧振腔鏈。圖

7-37-所示為一個(gè)八腔磁控管的π模式電場(chǎng)分布。為了產(chǎn)生振蕩，電磁波沿著慢波結(jié)構(gòu)的總相移(以弧度計(jì))應(yīng)該等于

2π的整數(shù)倍，即n×2π。如果陽(yáng)極包含

N

個(gè)諧振腔，那么相鄰兩個(gè)腔之間的相移就應(yīng)該是

2nπ/N。通常，磁控管工作于π模式，即相鄰諧振腔的相移為π弧度，這樣，沿封閉的諧振腔鏈的總相移就等于

Nπ。

圖

7-37-畫出了π模式的電力線分布，圖中可見諧振腔中π模式的激勵(lì)是很強(qiáng)烈的，相鄰兩個(gè)腔中電力線的相位是相反的。相鄰陽(yáng)極?陰極的相互作用空間之間電場(chǎng)的連續(xù)上升和下降可認(rèn)為是沿慢波結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑サ男胁?。為使能量從運(yùn)動(dòng)的電子轉(zhuǎn)移到行波場(chǎng)，電子通過(guò)每一個(gè)陽(yáng)極腔時(shí)必須受到減速場(chǎng)的減速。

圖

7-37

7.4.6

多腔磁控管的工作原理與同步條件

通常磁控管陽(yáng)極接地，陰極外加直流負(fù)高壓，因而在陽(yáng)極和陰極之間的空間(稱為互作用空間)產(chǎn)生了徑向直流電場(chǎng)

E；磁控管通常夾在永久磁鐵的兩個(gè)磁極之間，從而產(chǎn)生了與電場(chǎng)

E

正交的均勻軸向磁場(chǎng)

B(假定

B＞Bc)。電子從陰極發(fā)射出來(lái)進(jìn)入互作用空間，受到“靜態(tài)”的正交電磁場(chǎng)作用后做回旋運(yùn)動(dòng)，回旋運(yùn)動(dòng)的電子流又激勵(lì)耦合腔鏈諧振，在陽(yáng)極諧振系統(tǒng)中激勵(lì)起高頻交變電磁場(chǎng)。高頻磁場(chǎng)主要分布在慢波系統(tǒng)內(nèi)部，在互作用空間內(nèi)的高頻磁場(chǎng)較弱，對(duì)電子的作用力可以忽略不計(jì)。

1.

工作原理

多腔磁控管的截面如圖

7-38

所示。圖

7-38π模式振蕩時(shí)多腔磁控管內(nèi)高頻電場(chǎng)分布及電子運(yùn)動(dòng)軌跡

1)

高頻電場(chǎng)切向分量的能量交換作用

(1)

a類電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

(2)b類電子的運(yùn)動(dòng)情況。

由于高頻電場(chǎng)切向分量對(duì)電子的挑選作用，使a類電子在作用空間的時(shí)間很長(zhǎng)，不斷給出能量，直到打上陽(yáng)極為止，對(duì)b類電子，雖然它從高頻電場(chǎng)吸取能量，但很快被推回陰極，不能繼續(xù)吸取能量，因此，a類電子交給高頻電場(chǎng)的能量要比b類電子從高頻電場(chǎng)吸取的能量大得多，從而使高頻振蕩得以維持。

2)

高頻電場(chǎng)徑向分量的群聚作用

由于

a類電子正處于高頻電場(chǎng)切向分量最大的相位上，因此受到最大切向電場(chǎng)的減速作用，交出最多的能量。這是處于最佳相位的電子。

電場(chǎng)徑向分量的作用是使電子運(yùn)動(dòng)速度的徑向分量發(fā)生變化，從而達(dá)到電子群聚的目的?？梢酝葡?，同一時(shí)刻在a類電子附近位置，從陰極發(fā)射的電子將如c類電子和d類電子那樣以a類電子為中心群聚起來(lái)。

根據(jù)上述可知，磁控管工作在π模式振蕩狀態(tài)下，其互作用空間存在

N/2

個(gè)高頻電場(chǎng)減速區(qū)，同時(shí)也有

N/2

個(gè)高頻電場(chǎng)加速區(qū)。從陰極發(fā)出的無(wú)數(shù)電子在高頻徑向電場(chǎng)的作用下形成

N/2

個(gè)群聚中心。它們?cè)诟哳l切向減速區(qū)域中以回旋運(yùn)動(dòng)方式逐步向陽(yáng)極移動(dòng)，在磁控管內(nèi)每?jī)蓚€(gè)陽(yáng)極瓣形成一條輪輻狀的電子云，如圖

7-39

所示。這些電子云與高頻電場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。在π模式振蕩時(shí)，電子云的旋轉(zhuǎn)角速度相當(dāng)于在每個(gè)高頻振蕩周期通過(guò)兩個(gè)陽(yáng)極瓣。至于切向加速電場(chǎng)區(qū)域中的電子則很快地被推回陰極。

圖

7-39

磁控管內(nèi)電子輪輻的形式和運(yùn)動(dòng)情況(N=

8，n=

4)

3)

多腔磁控管中最初的高頻振蕩

多腔磁控管中高頻振蕩激發(fā)過(guò)程，起源于電子發(fā)射的不均勻性。由于這種不均勻性在諧振腔系統(tǒng)內(nèi)感應(yīng)噪聲電流，從而在互作用空間激起微弱的各種模式的高頻振蕩。如果恰當(dāng)選擇陽(yáng)極電壓和磁通密度，使電子運(yùn)動(dòng)與

π

模式的高頻電場(chǎng)同步，在電子和高頻電場(chǎng)之間就會(huì)產(chǎn)生能量交換，就有可能建立起

π

模式的振蕩。

2.

同步條件

所謂“同步”是指高頻電場(chǎng)與電子以同一角速度環(huán)繞陽(yáng)、陰空間旋轉(zhuǎn)。

若任一模式、任一瞬間相鄰的諧振腔孔的相位差為

ψn，則隨著時(shí)間的推移，相位將沿著諧振腔孔依次遞變。對(duì)

π模式來(lái)說(shuō)，相位差

ψ=π，所以電場(chǎng)的等相位面由一個(gè)腔孔轉(zhuǎn)移到下一個(gè)相鄰的腔孔的時(shí)間為高頻振蕩的半個(gè)周期。設(shè)兩腔孔之間的距離為dＬ

，則π模式的相速表達(dá)式為

3.

磁控管的同步電壓、門檻電壓和工作電壓

磁控管工作時(shí)，如果固定磁場(chǎng)不變，逐步提高陽(yáng)極電壓，那么一旦電子的切向速度達(dá)到某一模式的行波相速時(shí)，電子與微弱的初始激勵(lì)場(chǎng)就會(huì)發(fā)生換能作用，從而發(fā)生相位挑選與群聚，就有一部分電子擺上陽(yáng)極，出現(xiàn)陽(yáng)極電流，并在某一模式上產(chǎn)生自激振蕩。如果繼續(xù)提高陽(yáng)極電壓，則陽(yáng)極電流和振蕩功率將隨之急劇上升。在這一過(guò)程中，開始出現(xiàn)自激振蕩的陽(yáng)極電壓稱為門檻電壓或門限電壓。分析表明，對(duì)于任何一個(gè)模式，任何一次空間諧波的普遍情況，門檻電壓的計(jì)算公式為

式中，P是空間諧波次數(shù)。

由式(7-22)可見，Ut與

B

有線性關(guān)系。在

Ua-B坐標(biāo)中表現(xiàn)為一根與臨界拋物線相切的直線，如圖

7-40

所示。在

圖

7-40

門檻電壓與臨界拋物線的關(guān)系

圖

7-41

所示為一個(gè)八腔磁控管

4

個(gè)振蕩模式的門檻電壓線。圖

7-41

八腔磁控管門檻電壓

4.

多腔磁控管振蕩器的工作特性和負(fù)載特性

1)

磁控管的工作特性

圖

7-42

所示為一個(gè)

10

cm

波長(zhǎng)頻段磁控管的工作特性。圖中以陽(yáng)極電流

Ｉa為橫軸，陽(yáng)極電壓

Ua為縱軸，畫出了等磁通線、等功率線、等效率線和等頻率線。下面對(duì)這些曲線進(jìn)行定性的解釋。

圖

7-42

磁控管的工作特性(f0=

2800

MHz，1

GS

=

10－4T)

(1)

等磁通線。為了清楚起見，在圖

7-43

中單獨(dú)畫出了等磁通線。圖

7-43

磁控管的等磁通線

實(shí)際工作中，因?yàn)榇趴毓芸偸窃诠潭ù艌?chǎng)中工作，所以可以通過(guò)等磁通線確定它對(duì)調(diào)制器呈現(xiàn)的負(fù)載電阻。它的靜態(tài)電阻

Ra為等磁通線上工作點(diǎn)的陽(yáng)極電壓

Ua和陽(yáng)極電流

Ｉ0之比，即

而它的動(dòng)態(tài)電阻

ra為等磁通線在工作點(diǎn)的斜率，即

嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，磁控管對(duì)調(diào)制器呈現(xiàn)的是一個(gè)非線性電阻，因?yàn)楫?dāng)陽(yáng)極電壓小于門檻電壓時(shí)，陽(yáng)極電流為零。所以用一個(gè)偏壓二極管來(lái)表現(xiàn)磁控管對(duì)調(diào)制器呈現(xiàn)的負(fù)載更為恰當(dāng)。

偏壓值即為門檻電壓值，二極管的內(nèi)阻即為磁控管的動(dòng)態(tài)電阻，磁控管對(duì)調(diào)制器呈現(xiàn)的等效電路如圖

7-44

所示。圖

7-44

磁控管對(duì)調(diào)制器呈現(xiàn)的等效電路

(2)

等功率線。磁控管的等功率線如圖

7-45

所示。

圖

7-45

磁控管的等功率線

(3)

等效率線。磁控管的等效率線如圖

7-46

所示。由圖可見，磁控管的效率隨磁通密度的增加而增加，其原因見圖

7-47

所示。圖

7-46

磁控管的等效率線圖

7-47

不同磁通密度的電子運(yùn)動(dòng)軌跡

圖

7-48

所示為磁控管的等頻率線，由圖

7-48

可見，在小電流區(qū)域內(nèi)曲線變化很陡，在正常工作狀態(tài)范圍內(nèi)，曲線幾乎和等磁通線平行。如果沿等磁通線向右移動(dòng)，則振蕩頻率起初增加很快，然后逐漸減慢。當(dāng)電流很大時(shí)，頻率略有下降。開始時(shí)頻率的升高可以解釋為由于

E

/B

增加，使電子旋轉(zhuǎn)角速度增加，從而使振蕩頻率增高。電流很大時(shí)，頻率的降低可能是由于陽(yáng)極發(fā)熱膨脹的緣故。圖

7-48

2)

磁控管的負(fù)載特性

任何一種自激振蕩器，當(dāng)其負(fù)載變化時(shí)，必然會(huì)影響管子的振蕩功率和頻率，磁控管也不例外。這種表征輸出功率和振蕩頻率隨負(fù)載變化而改變的特性稱為磁控管的負(fù)載特性。

圖

7-49

所示為

3

cm

波長(zhǎng)頻段脈沖磁控管的負(fù)載特性，通常畫在傳輸線的導(dǎo)納圓圖上，以饋線上反射系數(shù)的模為極坐標(biāo)的軸，以反射系數(shù)的相角為極坐標(biāo)的輻角。圖

7-49

3

cm

波長(zhǎng)頻段脈沖磁控管的負(fù)載特性

3)

磁控管的頻率穩(wěn)定問(wèn)題

磁控管的頻率穩(wěn)定度是一個(gè)重要指標(biāo)。頻率不穩(wěn)定會(huì)使雷達(dá)作用距離減小，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞雷達(dá)的正常工作。磁控管的頻率不穩(wěn)定有快變化和慢變化兩種。屬于慢變化的有陽(yáng)極塊的溫度引起的變化、電源電壓的緩慢變化、高頻負(fù)載的變化等。為了減小慢變化的影響，可采用溫度補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)來(lái)保持恒溫，改善電源的波紋和調(diào)整率，在磁控管輸出端加入隔離器等措施。磁控管頻率的快變化主要是由于調(diào)制脈沖波形不好而引起的電子頻移。

5.

其他類型磁控管介紹

1)

同軸磁控管

前面介紹的普通多腔磁控管，其諧振腔既能儲(chǔ)存高頻能量，又不斷損耗高頻能量。頻率越高，腔體尺寸越小，不僅加工困難，更主要的是