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  • 行波管

    行波管,是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。

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     在行波管中,电子注同慢波电路中行进的微波场发生相互作用,在长达6~40个波长的慢波电路中电子注连续不断地把动能交给微波信号场,从而使信号得到放大。1943年,物理学家R.康夫纳在英国制出世界上第一只行波管,1947年美国物理学家J.皮尔斯发表对行波管的理论分析。现代行波管已成为雷达、电子对抗、中继通信、卫星通信、电视直播卫星、 导航、 遥感、遥控、遥测等电子设备的重要微波电子器件。行波管的特点是频带宽、增益高、动态范围大和噪声低。行波管频带宽度(频带高低两端频率之差/中心频率)可达100%以上,增益在25~70分贝范围内,低噪声行波管的噪声系数最低可达1~2分贝。
      行波管在结构上包括电子枪、慢波电路、集中衰减器、能量耦合器、聚焦系统和收集极等部分(图1)。电子枪的作用是形成符合设计要求的电子注。聚焦系统使电子注保持所需形状,保证电子注顺利穿过慢波电路并与微波场发生有效的相互作用,最后由收集极接收电子注。待放大的微波信号经输入能量耦合器进入慢波电路,并沿慢波电路行进。电子与行进的微波场进行能量交换,使微波信号得到放大。放大后的微波信号经输出能量耦合器送至负载。
    行波管行波管
      行波管原理  在行波管中,电子注与慢波电路中的微波场发生相互作用。微波场沿着慢波电路向前行进。为了使电子注同微波场产生有效的相互作用,电子的直流运动速度应比沿慢波电路行进的微波场的相位传播速度(相速)略高,称为同步条件。输入的微波信号在慢波电路建立起微弱的电磁场。电子注进入慢波电路相互作用区域以后,首先受到微波场的速度调制。电子在继续向前运动时逐渐形成密度调制。大部分电子群聚于减速场中,而且电子在减速场滞留时间比较长。因此,电子注动能有一部分转化为微波场的能量,从而使微波信号得到放大。在同步条件下,电子注与行进的微波场的这种相互作用沿着整个慢波电路连续进行。这是行波管与速调管在原理上的根本区别。
      电子枪  行波管常用的电子枪有皮尔斯平行流枪、皮尔斯会聚枪、高导流系数电子枪、阳控电子枪、栅控电子枪、无截获栅控电子枪(图2)、低噪声电子枪等。
    行波管行波管
      以脉冲方式工作的行波管可以采用控制阴极电压的方法来实现对电子注的调制,称为阴控。阴控需要配备大功率调制器,设备笨重、复杂,而且耗电量大。用附加调制阳极对电子注进行控制,称为阳控。阳控所需脉冲电压也比较高。在阴极与阳极之间装一个控制栅便构成栅控电子枪。在这种情况下,仅用较低的脉冲电压即可对电子注进行控制,因而能减小调制器体积、重量和耗电量。
      在栅控电子枪中,控制栅约截获电子注电流的10%。当行波管电子注功率较大时,控制栅耗散功率增大,致使栅极温度升高、栅极电子发射增加、栅网变形甚至烧毁。为了解决这个问题,可以采用无截获栅控电子枪。无截获栅控电子枪是在控制栅与阴极之间设置阴影栅,阴影栅与阴极同电位,结构上与控制栅精确对准,从而使控制栅的截获电流下降到总电流的千分之一以下。采用无截获栅控电子枪不仅能提高栅控行波管的平均功率容量,而且能降低调制器的功率。
      聚焦系统  行波管中常用的聚焦方法是均匀永磁聚焦、倒向场聚焦、周期永磁聚焦和均匀电磁聚焦(见强流电子光学)。
      慢波电路  电子注的直流速度决定于行波管的工作电压。行波管工作电压为2.5千伏时,电子注直流速度约为自由空间电磁波速度(即光速)的10%;工作电压为50千伏时,电子注直流速度约为自由空间电磁波速度的40%。为了使电子注同微波场产生有效的相互作用,微波场的相速应略低于上述电子注的直流速度。因此,行波管中微波场的相速应显著低于自由空间中电磁波传播速度。慢波电路就是减小微波场相速的装置。
      在选定的工作模式下,慢波电路主要的特性和参量有色散特性、耦合阻抗等。色散特性表示在慢波电路中传播的微波场的相速随频率变化的关系。用于宽频带行波管的慢波电路,在频带宽度内相速随频率的变化应尽量小,即色散较弱。这样才能在整个频带宽度内保证电子注与微波场相速之间的同步。耦合阻抗是表示电子注与微波场相互作用强弱的一个参量。耦合阻抗的量值越大,微波场与电子注的耦合越强,电子注与微波场之间的能量交换越充分。此外,在实际应用和生产中还要求慢波电路机械强度高、散热性能好、结构简单、易于加工。
      行波管常用的慢波电路有两类:螺旋线型电路和耦合腔型电路(图3)。螺旋线型慢波电路包括螺旋线、环杆线、环圈线等。螺旋线(图3a)结构简单、色散弱,因而频带宽,缺点是散热能力差,工作电压高时易产生返波振荡。螺旋线多用于宽频带、中小功率行波管,工作带宽可达100%以上,I波段(8~10吉赫)、J波段(10~20吉赫)的螺旋线行波管脉冲功率已达10千瓦。环杆线(图3b)同螺旋线相比,耦合阻抗高、散热能力强、机械强度好、不易发生返波振荡,但色散较强。环杆线工作电压在10~30千伏,频带宽度为15%~20%,广泛用于中功率行波管。环圈线(图3c)抑制返波振荡的性能较好,也已得到应用。
    行波管行波管
      耦合腔型慢波电路包括休斯电路(图3d)、三叶草电路(图3e)等。它们的特点是机械强度高、散热能力强,适用于大功率行波管,但频带宽度比较窄。采用休斯电路的行波管,脉冲功率在1至几百千瓦,频带宽度约10%。脉冲功率在500千瓦以上的行波管,多采用三叶草电路。此外,行波管中采用的慢波电路还有交叉指型慢波线(亦用于O型返波管)、曲折线、卡普线等。
      集中衰减器  输入、输出能量耦合器与慢波电路之间和慢波电路各部分之间,都应有良好的阻抗匹配。匹配不佳会造成电磁波反射。反射波引起反馈,会导致行波管内出现寄生振荡。为避免这种振荡,须在慢波电路的一定位置上设置集中衰减器。集中衰减器由损耗涂层或损耗陶瓷片构成。在集中衰减器处,反射波被吸收,可达到消除反馈抑制振荡的目的。虽然在集中衰减器中工作模式的微波场同样也受到衰减,但电子注内业已形成的密度调制将在下一段电路中重新建立起微波场。
      收集极  电子注在完成同微波场的相互作用后从慢波电路射出,最后打在收集极上。为了提高行波管的总效率,可以采用降压收集极。
      行波管的应用  脉冲行波管用于地面固定和移动式雷达、机载火控雷达、电子对抗设备等。脉冲功率在10千瓦至4兆瓦的行波管,频带宽度为8%~30%;脉冲功率为5千瓦者,频带宽度可达67%;脉冲功率为1千瓦者,频带宽度可达 100%以上。大功率连续波行波管多用于卫星通信地球站,在10吉赫下输出功率可达14千瓦,38吉赫下达 1千瓦。多模行波管用于电子对抗系统,可在多种脉冲状态和连续波状态下工作。多模行波管的脉升比(脉冲功率/连续波功率)为3~12分贝。印制行波管和小型行波管体积小、重量轻、成本低,适合于用量大的场合,如相控阵雷达。空间行波管是空间应用的专用管型,特点是可靠性高、寿命长和效率高。通信卫星和电视直播卫星大多数采用行波管作发射管,寿命可达10年以上。
      O型返波管  在行波管中,沿慢波电路传输的能量流的方向与电子运动方向相同,所以行波管是一种前向波放大管。在返波管中,沿慢波电路传输的能量流的方向与电子运动方向相反。返波管有O型返波管和M型返波管两大类。O型返波管又可按工作状态分成振荡管、放大管和变频管三种,但仅有返波振荡管获得广泛应用。因此,返波管通常指返波振荡管。O型返波振荡管的电子调谐范围大,可达67%以上,其最高工作频率可达1250吉赫,它是传统微波管中能达到亚毫米波段的实用器件。O型返波振荡管用于信号源、小功率振荡器。
      参考书目
     陆钟祚著:《行波管》,上海科学技术出版社,上海, 1962。
     J.R.皮尔斯著,吴鸿适、田志仁译:《行波管》,科学出版社,北京,1961。(J. R. Pierce, Traveling Wave Tubes, D.Van Nostrand Company, Inc., New York, 1950.)

     

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