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1、第三章 行波管,制作：戴姜平 讲解：方 毅 答疑：余 明,目录,3.1 引言 3.1.1行波管的特点 3.1.2行波管发展简史 3.1.3行波管分类 3.2 行波管工作原理 3.2.1行波管的结构 3.2.2行波管的工作原理 3.2.3行波管的主要特性 3.2.4双模行波管 3.2.5相位一致行波管 3.2.6小型化行波管 3.3 慢波结构 3.3.1概述 3.3.2螺旋线慢波结构 3.3.3耦合腔慢波结构,3.1 引言,行波管具有宽频带和高增益的特点，适用于高频率、宽频带、大功率领域； 之前的静电控制超高频管及速调管都不能同时满足以上两个要求； 原理上的不同，行波管让电子穿过一个长慢波结构。
2、由于作用时间长，增益仍可以很高，同时没有谐振腔，工作带宽大大增加；,康夫纳（Kompfner）1943年制成第一只行波管，皮尔斯1947年发展了小信号理论，解决了正反馈问题，提高了管子的稳定性。周期永磁聚焦系统的研究减小管子的重量和体积，同时制造工艺不断发展成熟；,根据慢波结构可分为螺旋线行波管、环杆行波管、耦合腔行波管等； 根据功能可分为宽带行波管、大功率行波管、双模行波管、相位一致行波管、卫星通信行波管、低噪声行波管、调相行波管和储频行波管；,3.2 行波管工作原理,3.2.1 行波管的结构 行波管主要由五部分构成： （1）电子枪 （2）磁聚焦系统 （3）慢波结构 （4）输入输出装置 （5
3、）收集极,3.2 行波管工作原理,3.2.1 行波管的结构 行波管主要由五部分构成： （1）电子枪。产生一个具有所需尺寸和电流的电子束，并将它加速到比慢波结构上行进的电磁波的相速稍快一些，以便和电磁场交换能量而实现放大。,3.2.1 行波管的结构,（2）磁聚焦系统。电子束从电子枪出来后还要穿过细长的慢波结构，而且为了得到充分的能量交换还希望电子束要尽可能地靠近慢波结构。电子束中电子带负电荷，相互之间的斥力会使电子束很快发散而打到慢波结构上去，从而失去将能量交给电磁场的机会。因此，需要一个磁聚焦系统来约束电子束，使其能顺利通过慢波结构而实现放大。,3.2.1 行波管的结构,（3）慢波结构。根据相
4、对论，电子不可能被加速到光速。若不使电磁波的传播速度慢下来，电磁波就会在电子旁边高速向前飞去，电子一会儿处于正电场中被加速，一会儿处于负电场中被减速。总的结果是没有明显的加速或减速，也就是没有明显的能量交换，当然就不可能有放大。因此，必须使电磁波的相速降到和电子的运动速度基本相同，以使电子能和电磁波充分交换能量，放大信号。慢波结构的任务就是使电磁波的相速降下来。,3.2.1 行波管的结构,（4）输入输出装置。这是被放大信号的入口和出口，常见的有波导和同轴两种。一般在频率较低或功率较小且要求工作带宽较宽时采用同轴结构；反之，则采用波导结构。也有输入用同轴结构而输出用波导结构的。,3.2.1 行波
5、管的结构,（5）收集极。它用来收集已经和电磁场交换能量完毕的电子。由于这时电子仍然有很高的速度，打在收集极上时将转化为热量，因此热耗散是收集极设计中的一个重要问题。为了提高效率，行波管经常采用降压收集极。,3.2.1 行波管的结构,3.2.2 行波管的工作原理,行波管是依靠和电磁波同步的电子把能量交给电磁波而实现放大。对于同一个电子而言，和电磁波同步时，电子可以稳定的处于减速场中而交出能量，但从电子枪中发射出来的电子在进入慢波结构时遇到的电场可能有4种典型状态。,3.2.2 行波管的工作原理,如图3.4，A和C两类电子处于零电场处和电磁波没有互作用，既不交给电磁波能量也不从电磁波中取得能量。B
6、类电子处于加速场中，将从电磁波中取出能量。D类电子则处于减速场中，将把能量交给电磁波。,3.2.2 行波管的工作原理,在电子和电磁波交换能量的过程中还伴随着“电子群聚”的过程，这就是B类电子被加速后其速度将比C类电子快而慢慢赶上C类电子，D类电子被减速后其速度将比C类电子慢而慢慢落下来向C类电子靠拢，即大部分电子都将聚集在C类电子附近。,3.2.2 行波管的工作原理,使电子的速度略微高于电磁波的速度，那么群聚在C类电子处的电子将进入减速场区中，交出能量。A类电子将进入加速场区中从电磁波处取得能量，但A类电子是极少数，因此总的结果是电子交出能量，电磁波得到放大。,3.2.2 行波管的工作原理,在
7、图3.4（b）和（c）中可以看到电子与电磁场的相互作用可以分为以下几个阶段： （1）慢波结构的起始部分，电磁场和电子的相互作用表现为电磁场对电子进行速度调制（使处于不同相位的电子速度产生不同的变化）。这时电子不仅不能将能量交给电磁场，反而要从电磁场中吸取一部分能量，电磁波会有一些减弱。,3.2.2 行波管的工作原理,（2）在此之后，由于不同速度电子之间的相互追赶，电子产生群聚，并逐步进入减速场中，开始将能量交给电磁场，电磁波得到放大。加强了的电磁场又加速电子的群聚和使电子更快减速，交出能量。电磁波的幅度将随距离的变化以指数形式快速增加。 （3）当进入集中衰减器时，电磁波被吸收，群聚的电子束在穿
8、过集中衰减器后仍然是群聚的，立即又在慢波系统中重新建立起电磁场并进行放大。,3.2.2 行波管的工作原理,（3）当进入集中衰减器时，电磁波被吸收，群聚的电子束在穿过集中衰减器后仍然是群聚的，立即又在慢波系统中重新建立起电磁场并进行放大。 （4）当进一步相互作用时电子密度分布变得更复杂，而电磁波幅度则是先是增长速度下降，在达到最高点后幅度就慢慢下降，也就是出现了饱和现象。,3.2.2 行波管的工作原理,（5）在还没有完全退出之前，电子仍能交出能量，但越来越少，当到达C点时电子将进入加速场，就不再交出能量了。 （6）进一步退到加速区，电子不仅不交出能量，反而要从电磁波中吸收能量，于是电磁波的幅度就
9、下降了。,3.2.2 行波管的工作原理,相关的几个计算公式： 行波管增益G的计算： G=BCN-A1-A2-aL （3.1） 式中，N是慢波结构波长数，A1是初始损耗，A2是集中衰减器所引起的增益减小，L表示慢波结构的损耗，a为一个系数，一般 为0.330.5。,B=56.4X1 （3.2） X1是行波管方程中增幅波解的实部。（3.3） 式中，C称为则增益参量，Kc是慢波结构中的耦合阻抗，I0是电子注电流，U0是电子注电压。,3.2.2 行波管的工作原理,从式（3.1）看，似乎只要增加行波管的长度 或者增加电子注电流，就可以得到任意高的增益。实际上有两个因素限制了增益的提高：一是振荡的限制。二
10、是噪声输出功率的限制。 式（3.1）给出的是行波管线性状态下的增益，也就是假定群聚的电子块能一直处于减速场中。,3.2.2 行波管的工作原理,实际上输出功率不断增大时，可能出现群聚电子块在尚未达到输出端就被减速到低于电磁波的相速，群聚电子块将慢慢退出减速场区，交出能量的能力减弱，进入非线性状态。当电子退出零场处时电子就不再交出能量了，行波管的输出功率达到最大值时，称为行波管饱和。这之后电子将进入加速区，不仅不再交出能量，反而要从电磁波中取出能量，行波管的输出功率减小，行波管进入过饱和状态。,3.2.2 行波管的工作原理,行波管出现饱和是由于电子速度降到比慢波结构上的电磁波的相速还低造成的，因此
11、可以考虑将电子进一步加速以提高输出功率和效率。问题的关键是要使电子的速度高于慢波结构上电磁波的相速，提高电子的速度不方便，那么可以采取降低慢波结构上电磁波的相速的方法。,3.2.2 行波管的工作原理,实验结果表明，后者同样可以提高效率和输出功率，而且只要简单的改变慢波结构的节距就可以改变相速，因此相速随距离的变化可以根据需要任意改变，更容易得到所需的效果。此法已被广泛采用。,3.2.3 行波管的主要特性,行波管有很多特性，有些是所有行波管都必须具有的，有些则是根据行波管的具体要求而提出 （1）工作频率和带宽 （2）输出功率 （3）效率 （4）增益 （5）增益波动与增益斜率（6）相位灵敏度 （7
12、）调幅调相转换（AM/PM）,3.2.3 行波管的主要特性,（1）工作频率和带宽行波管的工作频率范围均指瞬时带宽，即所有条件都不变，也不做任何调整的情况下能满足技术条件要求的工作频率范围。,3.2.3 行波管的主要特性,（2）输出功率 一般情况下，行波管的输出功率是指饱和输出功率，也就是在输出功率和输入功率关系曲线中第一个峰值所对应的基波输出功率。某些应用中需要给出接近线性状态时所可能给出的功率，这就引入增益压缩1dB输出功率这一概念，即在增益比线性增益降低1dB时所对应的输出功率。,3.2.3 行波管的主要特性,（3）效率行波管中有两个常用的效率定义：一是电子效率，是指行波管输出功率与电子注
13、功率之比；另一个是总效率，是指行波管输出功率与各电极电压电流积的总和之比。为提高电子效率，首先要提高行波管的皮尔斯增益参量C。其次还要采用相速渐变技术来提高电子效率。同时，为了提高行波管的总效率，必须采用降压收集极，使电电子在降压收集极中减速而把能量交还给电源。另外，尽可能地改善电子注的通过率和减小热子加热功率，也能提高总效率。,3.2.3 行波管的主要特性,（4）增益增益的定义为（3.4）式中，Pout为行波管输出功率，Pin为行波管输入功率。,3.2.3 行波管的主要特性,由于实际测试条件的不同，同一个行波管的增益可以得到完全不同的结果。经常遇到的增益有以下几种：小信号增益。又称线性增益，
14、指输出功率远小于饱和输出功率和输出功率时的增益。,3.2.3 行波管的主要特性,额定功率增益。指在规定的输出功率（一般是技术条件规定的输出功率）时的增益。饱和增益。指输出功率达到饱和时的增益。,3.2.3 行波管的主要特性,虽然行波管的增益可以做得很高，但是在一些情况下用一个行波管提供所需的增益不一定是好办法。 例如：如图3.5（a）所示:,3.2.3 行波管的主要特性,一个系统的VCO（压控振荡器）可提供2mW的功率，由一个6dB的功分器分为两路：一路供接收机作为本振，另一路经过PIN调制器、增益均衡器及隔离器等微波元件 送到行波管的输入端。如这些微波元件的损耗为14dB，而要求行波管的输出
15、功率为200W，则如用一只行波管就需要行波管的增益G为70dB。此行波管的带宽F为10GHz，噪声系数NF为35dB。 （3.5）,3.2.3 行波管的主要特性,则根据行波管的输出噪声功率PN的计算公式式中，k为玻尔兹曼常数，T为室温，F为行波管的工作带宽Hz，NF为行波管的噪声系数（倍数），G为行波管的增益（倍数）。由此可得行波管的输出噪声功率为1.2W，在行波管的输出端信噪比不到23dB。,3.2.3 行波管的主要特性,如改用图3.5（b）所示的两只行波管，情况就不同了。先用一只增益为30dB的行波管将信号放大到2W，这时输出的噪声功率为0.12mW，再经过功分器等微波元件损耗20dB，送
16、到第二只行波管的信号功率为20mW，噪声功率为0.0012mW，经过40dB放大后输出信号功率为200W，噪声功率13.2mW，信噪比为43dB。这比用单管提高了将近20dB。 由此可见合理分配增益是很重要的！,3.2.3 行波管的主要特性,（5）增益波动与增益斜率增益波动可分为两种情况：一种是在整个带宽中增益最大值与最小值之间的差值；另一种称为增益频率特性的微细结构，即相邻的增益最大值与最小值之间的差值。增益斜率是指增益频率特性曲线中任意一点的斜率，单位为dB/MHz.,3.2.3 行波管的主要特性,对于通信行波管而言，为保证通信质量，一般要求增益波动小于1dB，增益斜率小于0.05dB/MHz。为达到这一要求，除在行波管的设计制造中采取一些特殊措施外，用户与行波管输入和输出接口的驻波比一定要小于1.5。,3.2.3 行波管的主要特性,（6）相位灵敏度当行波管的某一电极电压变化1%时，行波管输出相位的变化量即为该电极的相位灵敏度。不同的应用对相位灵敏度有不同甚至完全相反的要求。例如在多普勒雷达和电子对抗中的应用。,
