（物理电子学专业论文）微波管离子噪声的研究.pdf

摘要 摘要 由于微波管中总会存在残余气体，它与电子束发生碰撞并发生电离是不可避 免的。在长脉冲或者连续波的工作状态下，电离出的正离子与管子中的静电势阱 相互作用会引起离子噪声，通常表现为输出信号相位与幅度的缓慢波动。这种低 频的离子噪声特别是相位噪声，会严重影响雷达系统的分辨能力和通讯系统的编 码位错率。本文采用理论分析与计算机模拟的方法，深入研究了离子噪声的产生 机理、特性及抑制方法，论文的主要内容与创新点如下： 1 研究了微波管内离子的产生、运动、积累与平衡及其对电子束的影响， 这对解释离子噪声的形成机理有重要意义。 2 采用一维混合模型，将电子束用包络方程描述，正离子用离散的一维宏 粒子代替，采用粒子模拟方法研究了行波管与速调管的离子噪声问题， 得到了离子噪声的图像，研究了电子束电流、电压、聚焦磁场以及残余 背景气体对离子噪声的影响。 3 研究了离子张驰振荡序列的特性，通过分析其重构相图、功率谱与最大 l y a p u n o v 指数，得出离子噪声具有混沌性质这一重要结论。并将其原因归 结为离子噪声产生系统的开放性。 4 通过小信号近似，采用波动理论与运动学理论，严格地给出了行波管低 频离子噪声被调制到载波上的机理。并对离子噪声形成的相位噪声特性 进行分析，得到了相位噪声表达式，揭示出影响相位噪声的因素。 5 采用二维粒子模拟软件进一步研究离子噪声，通过对实际微波管的合理 简化，建立了一个可计算模型，对离子噪声做了二维分析，得到了离子 噪声与真空度、管子长度、聚焦磁场间的关系，并指出了抑制与消除离 子噪声的关键所在。 6 通过对管内离子运动状态的深入分析，揭示出离子径向逸出的原理，指 出菲尔德离子积累理论的局限性，这对深入理解离子噪声的产生原理有 重要意义。 7 采用粒子模拟的方法，并考虑电子束与电磁波的互作用，首次直接得到 了速调管输出信号中的离子噪声图像，阐述了束电子、二次电子、离子、 摘要 电磁场之间相互作用的动力学过程，指出了离子噪声产生的根本原因。 8 给出了离子噪声测量的初步方案并对方案进行了论证，探讨了离子噪声 抑制与消除的方法。 关键词：离子噪声，行波管，速调管，粒子模拟，混沌，电子束，正离子， 二次电子 i i a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h e r ei sa l w a y ss o m eb a c k g r o u n dg a si nm i c r o w a v et u b e s , t h ec o l l i s i o n b e t w e e ne l e c t r o nb e a ma n da m b i e n tg a si si n e v i t a b l e a n di 0 1 1 8a r ec r e a t e di nt h es y s t e m f o rl o n gp u l s et i m e sa n de s p e c i a l l yf o rc wm o d e ，t h ec o u p l i n gb e t w e e ni o n sa n d e l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a lw e h si n t h ed e v i c e s 谢鞋l e a d 协i o nn o i ，w h i 穗g e n e r a l l y m a n i f e s t si t s e l fa sas l o wp h a s ef l u c t u a t i o no nt h eo u t p u ts i g n a l 。t 沁l o w 纛e q u e n c yi o n n o i s eh a sn e g m i v ei n f l u e n c eo nd e l e c t a b i l i t yi nr a d a ra p p l i c a t i o na n dd a t ar a t e si n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 。i n 也i sd i s s e r t a t i o n , w eh a v em a d ed e t a i l e dt h e o r e t i c a ls t u d ya n d c o m p u t e rs i m u l m i o no nt h i si s s u e 。骶1 em a j o ra c h i e v e m e n t sa r el i s t e da s 攮ef o l l o w i n g ： l ，薯h ep r o d u c i n g , m o t i o n ，a c c u m u l a t i o na n db a l a n c eo ft h ei o na r es t u d i e di nt h e m i c r o w a v et u b e ，t h i si st h ef u n d a m e n tt os t u d yt h ei o nn o i s ep h e n o m e n o n 2 ，c h a r a c t e r i s t i e so fi o nn o i s ei nt h ep p mt w a n dt h ek l y s t r o nh a v eb e e nd i s c u s s e d b ym e a l ：t so fah y b r i dm o d e l 。o n e d i m e n s i o n e dp o r l i e l e - i n 。c e l lm e t h o df p i c ) s i r e u l a t i o nc o d ei s d e v e l o p e da n dt h er e l a t i o nb e t w e e ni o nn o i s ea n d 瘫a s e d i s t o r t i o nw a so b t a i n 1 1 1 en u m e r i c a ls i m u l a n o nr e s u l ts h o w st h a ti n c r e a s i n gb e a m c u r r e n t ；t h ei o nn o i s ea m p l i t u d ew i l ld e c r e a s ea n db e c o m es t a b l e + t h e r ee x i s t o p t i m a lv a l u eo f m a g n e t i cf o c u s i n gf i e l da n db e a mv o l t a g e t h a tc a l lm i n i m i z et h e i o nn o i s ea m p l i t u d e 3 t h et i m es e r i e so fi o nr e l a x a t i o no s c i l l a t i o na r eo b t a i h e db yt h ep r e s e n t e dm e 也o d t h ei o nr e l a x a t i o no s c i l l a t i o ni st r e a t e da st h er e s p o n s eo fa c o m p l e xn o n l i n e a r d y n a m i c a ls y s t e m ，a n dt h et i m es e r i e si sa n a l y z e db yp o w e rs p e c t r u m ；r e s t r u c t u r e 辩a s ed i a g r a ma n dl y a p u n o ve x p o n e n t 。f r o mt h ea n a l y s i sr e s u l t sw ef i n dt h a tt h e i o nr e l a x a t i o no s c i l l a t i o nh a sc h a o t i cc h a r a c t e ra tt l l ef i r s tt i m e 4 秘ei o nn o i s eo f 薯w 嚣i sa n a l y z e du s i n gs m a l ls i g n a lb ym o t i o nt h e o r y 曩壤 r e l a t i o nb e t w e e nn o i s et os i g n a lr a t i o na n ds i g n a l f r e q u e n c y , v o l t a g em o t i g n a m p l i t u d ei so b t a i n e d f r o mt h ea n a l y s i sr e s u l t sw ef i n dw h e nt h ea m p l i t u d eo f v o l t a g em o t i o na n ds i g n a lf r e q u e n c yi n c r e a s e ，t h en o i s et os i g n a lr a t i o nw o u l d i n c r e a s e 5 。i o nn o i s ei nm i c r o w a v et u b ei ss t u d i e du s i n gt w o ，d i m e n s i o n a lp a r t i c l e - i n - e e l l m e t h o d t h ef l u c t u a t i o no ft h ei o na m o u n t ；w h i c hi st h es o u r c eo fi o nn o i s eo ft h e t u b e ，i so b s e r v e di nt h es i m u l a t i o np r o c e s s i ti sf o u n d 如a tt h es u f f i c i e n ti o n s a m o u n ti nd r i f tt u b ea n db e a me n v e l o p es c a l l o 蕊n ga p p e a rt ob er e s p o n s i b l ef o ri o n n o i s ea f t e rc h a n g i n gt h eg a s p r e s s u r e ，m a g n e t i cf o c u s i n gf i e l d ，a n dd r i f tt u b el e n g t h 。 a g r e a tn u m b e ri o n se s c a p er a d i c a l l ya n dt h e i ra m o u n ti sa b o u th a l fo ft h eb e a m i i i a b s t r a c t e l e c t r o nw h e ni o nn o i s eo c c u r s t h en u m b e ro fs e c o n d a r ye l e c t r o ni s1 e s st h a nt h a t o ft h ei o na n db e a me l e c t r o n ；i ta f f e c t st h ei o nn o i s ev e r ys l i g h t l y t h e r ea i et w o w a y sc a nb eu s e df o rd e p r e s s i n gt h ei o nn o i s e t h ef i r s ti sa d j u s t i n go ri n c r e a s i n g t h em a g n e t i cf o c u s i n gf i e l di nd r i f tt u b e n l es e c o n di sc r e a t i n gs t a t i ce l e c t r i cf i e l d g r a d i e n tt om a k et h ei o n sl e a v et h ei n t e r a c t i o ns p a c eq u i c k l y 6 as i m p l et h e o r ya b o u ti o nm o t i o ni sg i v e nf o ri n t e r p r e t i n gt h ep h e n o m e n o no ft h e i o nm o v i n gt ot h ew a l lo ft h et u b ew h e nt h eb e a mi sn o tn e u t r a l i z e d t h ec o m p u t e d r e s u l ta g r e e sw i t ht h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t 7 i o nn o i s ei no u t p u ts i g n a li nk l y s t r o nw a so b t a i n e db yp a r t i c l ei nc e l lm e t h o d t h e i n t e r a c t i o na m o n gb e a me l e c t r o n ，i o n , s e c o n d a r ye l e c t r o na n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l d i si l l u s t r a t e d t h em e c h a n i c so fi o nn o i s ei s a n a l y z e d i ts h o w st h a tp h a s e f l u c t u a t i o ni no u t p u ts i g n a li sc a u s e db yt h ec h a n g eo f t h eb e a mc u r r e n td c v e l o c i t y w h i c hi sa f f e c t e db yt h ec h a n g eo ft h ei o na m o u n t t h ei o ni n t e r a c t sw i t hb e a m e l e c t r o na n dh a sn oe q u i l i b r a t i o ns t a t e s e c o n d a r ye l e c t r o n sa m o u n ti ss m a l la n di t h a sl i t t l ea f f e c t i o no ni o nn o i s e b u ti t sb e h a v i o r sr e f l e c tt h ep r o c e s so fi o nn o i s e t h ea m p l i t u d ef l u c t u a t i o no fo u t p u ts i g n a lw a sc a u s e db yt h ec h a n g eo fb e a m v e l o c i t ya n db e a mr a d i u s i tw a sa l s oa f f e c t e db yt h ei o nb e h a v i o r s 8 t h es c h e m eo fi o nn o i s em e a s u r e m e n ti sg i v e na n dt h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t yo ft h i s s c h e m ei sp r o v e d t h em e t h o dt od e p r e s st h ei o nn o i s ei sd i s c u s s e d k e y w o r d ：i o nn o i s e ，t r a v e l i n gw a v et u b e ，k l y s t r o n ，p a r t i c l e i n c e l l ，c h a o s ，e l e c t r o nb e a m ， p o s i t i v ei o n ，s e c o n d a r ye l e c t r o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：丞墼日期= 2 口手月，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后 签名：诏笠蕴 第一章引言 1 1 微波管简介 第一章引言 微波管是在0 3 3 0 0 g h z 的频率范围内，产生或放大电磁辐射的器件。其基本 原理是基于电磁辐射和真空管内的电子流相互作用，与固态器件相比较，微波管 可以工作在更高的功率水平。单个微波管和固态器件达到的最新技术水平平均功 率示于图1 1 。 f r e q u e n c y ( g h z 图1 - 1 真空器件与固态器件的功率比较及发展趋势 从中可以看出： 9 0 年代 1 g h z微波管的功率水平大约是固态器件的1 0 0 0 倍 i o o g h z 微波管的功率水平大约是固态器件的1 0 0 0 0 0 倍 由于固态器件非常紧凑，因此固态器件通常适合于小功率系统，而微波管则 更适用于大功率系统。对系统平均功率来说，分界点大约是i o o w 。当微波管的输 出级与一个小的电源系统相连的时候，效率更高的微波管( 典型的微波管效率为 5 0 ，而固态器件效率只有2 5 ) 能导致系统的更加小型化。 因此，微波管因其高功率与高效率，仍然是未来通讯与雷达系统中不可取代 的关键器件。但是，随着系统的技术进步，对微波管的指标要求随之提高，离子 电子科技大学博士学位论文 噪声成为影响微波管性能的一个严重问题，这一问题若不能很好解决，则其高功 率、高效率的优势在某些重要场合将丧失殆尽。 1 2 离子噪声的概念 微波管和所有真空器件一样，管子不可能处于绝对的真空中。微波管中残存 的背景气体被电子束电离后会产生正离子，由于离子的存在，使器件的输出信号 的幅度与相位产生了周期性或者是随机的低频扰动。这种扰动被调制到输出信号 上，使载频附近产生噪声，这就是离子噪声1 1 】。这种噪声的特点一是频率低，从几 百千赫兹到亚音频，远低于任何等离子体频率及其谐波频率【l 。3 1 。二是广泛存在于 各种类型的微波管，在速调管毋卅、行波管m ，5 川甚至磁控管 8 1 中均发现了此种噪声， 图1 2 给出了几种典型的离子噪声图像。 离子噪声是一个古老的课题，早在六十年代就已经在实验室中被观察到，引 起了研究者的注意【9 】，然而由于管子的个体差异以及电子装备的需求水平等，人 们一直未对这一问题给予足够的重视。虽然也有一些研究，但是研究成果都没有 发表在重要刊物上，很多经验只记载于实验室的笔记本上，或者在微波管公司高 级工程师的头脑中。因此直到现在，都没有一个相对完善的理论对这个问题加以 彻底的解决。此外，离子噪声的产生机制十分复杂。涉及到电子束、背景气体、 离子、二次电子与电磁波及其相互作用，同时它又对管予参数十分敏感，因此无 论是理论研究还是实验研究困难都很大。 近年来，随着军方对高灵敏度雷达、武器制导、通讯系统及民用通讯事业的 需求，这一问题越来越受到人们的重视。随着当代通讯技术与雷达探测技术的进 步，r 对信号源稳定性的要求也相应提高。离子噪声特别是离子噪声引起的相位噪 声的存在，严重影响了微波管性能的提高，特别是对于连续波器件与长脉冲器件。 文献 1 0 】列出了许多相位噪声对应用系统的危害的例子：多普勒雷达是靠对运动 物体反射信号的频移工作的，相位噪声会造成边带噪声，影响系统的测量；相控 阵雷达中，相位的偏移会影响波束的合成；对于合成孔径雷达，低相位噪声的回 波信号对数字图像的重建是很重要的；相移键控数字微波通讯系统的相位抖动会 增大传输信号的误码率。研究表明：行波管中相位噪声均方根幅值为1 度或更小 都会对雷达和通讯系统都有十分严重的影响。因此这些系统都迫切需要能较好的 抑制相位噪声。此外磁控管的离子噪声问题还造成了微波泄漏，引起了电磁兼容 问题【引。 2 第一章引言 巍羲 t l v 鼙 o u 丁p “t p o w e r ( a ) t i 憾i r e s l ( b ) t i m e c ) ( 图1 - 2 离子噪声的图像 3 电子科技大学博士学位论文 因此，离子噪声问题到现在已经成为微波管研究领域的个热点。近年来在 美国，用于“宙斯顿”系统中的x 波段1 0 k w 耦合腔行波管就受到离子噪声引起 的合格率问题的困扰，引起了军方的重视 1 ，1 1 】。美国海军实验室专门划拨基金， 分别支持w a l l a n c em m a n h e i m m e r 和加州柏克来分校的c h a r l e s k b i r d s a l l ( 可能 还有更多的参与者) 来研究这一问题。此外从发表的研究文章看，现在美国研究 这一问题的还有n a v a ls u r f a c ew a r f a r ec e n t e rm s w c ) ，c r a n e ，i n ( 实验方面) ， n a v a lr e s e a r c hl a b o r a t o r y ( n r l ) ，u n i v e r s i t yo f m i c h i g a n ，a n na r b o r ，u n i v e r s i t yo f c a l i f o m i aa tl o sa n g e l e s ( 理论方面) 等。 1 3 离子噪声的研究 虽然到目前为止大多数的研究者都认为离子噪声起源于管内残余气体被电 子束电离后，离子被管内电子束起伏形成的静电势阱俘获和逃逸所造成的输出信 号幅度和相位( 特别是相位) 的波动1 2 1 ，但具体的物理过程仍然并不很清楚，下 面我们介绍解释离子噪声的几种主要观点。 1 3 t 早期研究 1 9 5 6 年，c 巴c u l t e r 在一篇文章中 1 3 1 ，全面描述了微波管中由于正离子 和二次电子引起的各种寄生噪声。他采用离子张驰振荡的概念来解释离子噪声现 象。指出离子振荡频率与正离子的积累与消除过程密切相关。离子噪声幅度随气 压减小而降低。稍后的c l o u g h 在1 9 6 9 年用计算机计算与实验验证了这一观点并 作了细致描述【1 4 1 ，他指出，电子束的脉动造成了沿轴的静电势阱，电子束电离产 生的离子被这些静电势阱俘获；当离子浓度升高，填满靠近阴极处的第一个势阱 后，离子就会打向阴极。离子的运动使电子束的聚焦发生改变，产生输出信号相 位的波动。按照这种想法，提高阳极电压，降低高频系统电压就会抑制离子打向 阴极。1 9 7 2 年，剑桥大学的s m i t h 采用离子电流实验诊断，观察到了回轰阴极的 离子电流的波动 2 1 。如图1 - 3 所示。 在前苏联，离子噪声问题得到了高度重视。针对这个问题，超高频电子学 系列丛书曾发表了一系列的文章，但是受条件限制无法对此有很深的了解。在其 中的一篇文章中，孔托林与马尼金指出离子张弛振荡与管内积累的离子向低电位 电子科技大学博士学位论文 因此，离子噪声问题到现在已经成为微波管研究领域的个热点。近年来在 美国，用于“宙斯顿”系统巾的x 波段1 0 k w 耦合腔行波管就受到离子噪声引起 的合格率问题的困扰，引起了军方的重视 1 ，1 1 。美国海军实验室专门划拨基金， 分别支持w a l l a n c emm a n h e i m m e r 和加州柏克来分校的c h a r l e s k b i r d s a u ( 可能 还有更多的参与者) 来研究这一问题。此外从发表的研究文章看，现在美国研究 这一问题的还有n a v a ls u r f a c ew a x f a r ec e n t e r ( n s w c ) ，c r a n e ，i n ( 实验方面) ， n a v a lr e s e a r c hl a b o r a t o r y 【n e l ) ，u n i v e r s i t yo f m i c h i g a n ，a n na r b o r ，u n i v e r s i t yo f c a l i f o m i aa t l o s a n g e l e s ( 理论方面) 等。 1 3 离子噪声的研究 虽然到目前为止大多数的研究者都认为离子噪声起源于管内残余气体被电 子束电离后，离子被管内电子束起伏形成的静电势阱俘获和逃逸所造成的输出信 号幅度和相位( 特别是相位) 的波动”q ，但具体的物理过程仍然并不很清楚，下 面我们介绍解释离子噪声的几种主要观点。 1 3 t 早期研究 1 9 5 6 年，c 巴c u l t e r 在一篇文章巾【l ，全面描述了微波管中由于正离子 和二次电子引起的各种寄生噪声。他采用离子张驰振荡的概念来解释离子噪声现 象。指出离子振荡频率与正离子的积累与消除过程密切相关。离子噪声幅度随气 压减小而降低。稍后的t r o u g h 在1 9 6 9 年用计算机计算与实验验证了这一观点并 作了细致描述【1 4 j ，他指出，电子束的脉动造成了沿轴的静电势阱，电子束电离产 生的离子被这些静电势阱俘获 当离子浓度升高，填满靠近阴极处的第一个势阱 后，离子就会打向阴极。离子的运动使电子束的聚焦发生改变，产生输出信号相 位的波动。按照这种想法，提高阳极电压，降低高频系统电压就会抑制离子打向 阴极。1 9 7 2 年，剑桥大学的s m i t h 采用离子电流实验诊断，观察到了匹l 轰阴极的 离子电流的波动【2 j 。如图1 3 所示。 在前苏联，离子噪声问题得到了高度重视。针对这个问题，超高频电子学 系列丛书曾发表了一系列的文章，但是受条件限制无法对此有很深的了解。在其 中的一篇文章中，孔托林与马尼金指出离子张弛振荡与管内积累的离子向低电位 中的一篇文章中，孔托林与马尼金指出离子张弛振荡与管内积累的离子向低电位 第一章引言 电极的一边运动并在其上消除有关”】。 图1 - 3 回轰阴极的离子电流( s m i t h ) 国 电子科技大学博士学位论文 1 3 2 近期研究 从九十年代末开始，离子噪声的研究变得扩大深入。由于计算机技术的进步。 多数学者采用粒子模拟方法研究这一问题，取得了很多有意义的成果。 w m m a n h e i m e r 等人用包络方程描述电子束特性，用离散的宏粒子模型描述 离子特性，同时忽略电磁波的影响，编写了一维粒子模拟程序对离子噪声进行分 析，观察到了管内离子数量随时间变化的波动，并且采用行波管小信号方程，得 到了离子噪声的图像。研究了残余气体气压、聚焦磁场对离子噪声的影响。受计 算条件的限制，他们模拟的残余气体气压较高( 1 0 t o r t ) ，但是通过拟合数据外 推，间接得到了低气压下的结梨2 j 。 c k b i r d s a l l 小组采用二维的粒子模拟软件o o p i c ，对行波管离子噪声进行 了模拟，同样他们也得到了离子数量波动的时间序列【l ”。不同的是由于采用二 维的程序，他们得到了离子的径向运动信息，并且发现了离子的径向逃逸。他们 在模拟时采用的气压更高，达到1 0 一h o r r 。 c b t h o r i n g t o i l 采用动态电子枪分析程序，填入离子，对离子噪声的产生过 程进行了模拟，他们发现离子密度为电子束密度的一半时，离子将发生逃逸，逃 逸的方向为径向逃逸，由于电子束未被中和，离子处于负的势阱中，他们提出了 几种径向逃逸的原因，但并未给出确切的解释n ”。 a s g i l m o u r , j r 在2 0 0 4 年发表的两篇文章中【5 6 1 ，认为电子枪区( 束腰) 的 离子行为对离子噪声起决定性作用，其原理与c l o u g h 的观点相似，不同的是他认 为相位波动是由于电子束速度的变化造成的。在文中作者详细解释了阴极灯丝电 压对离子噪声的影响，但是按照其理论在解释离子噪声对聚焦磁场敏感这一问题 时显得特别勉强。 1 4 需要解决的问题 离子噪声经过几十年特别是近期的研究，虽然已取得很大进展，但在其产生 机理的一些重要问题上，仍然是众说纷纭，已有的解释相互矛盾之处颇多。 离子噪声表现出的输出信号相位波动是受电子束速度波动的影响引起的。管 子内离子量的波动，使得管内电位改变，进而影响电子束的速度，这已得到了多 第一章引言 数研究者的一致公认。但是离子的逸出运动，特别是轴向还是径向逸出，则有不 同的观点，s m i t h 的实验中离子回轰阴极的事实，证明了离子具有轴向逃逸行为。 而g o b e l 在实验中证实，即使在真空度到达1 0 _ 7 t o r t 时，仍然有离子打到微波管 管壁( 螺旋线) 上【1 8 】，说明离子的径向逃逸也是存在的。具体哪一种逃逸方式占 优及其对离子噪声的影响程度的大小，还有待进一步的研究解决。 离子噪声的一种解释是离子数量的波动改变了空间电荷场，使电子束流的传 输速度改变，造成了相位和幅度的波动【5 。1 。还有一种解释则认为是离子对电子束 聚焦，影响了电子束状态【1 4 1 。从相位的波动角度讲，前一种理论似乎更合理一些， 但是对于幅度的波动，后一种理论更好一点。到目前为止，这两种理论还都是猜 测，理论上没有系统的动力学说明，实验上也没有给出证实。 离子数量的波动也是一个复杂的问题，离子在填满势阱后如果处于平衡态， 则不会产生离子噪声，粒子模拟中也曾观察到过这种平衡【1 9 1 ，但平衡与波动的分 界是什么，又是什么原因引起离子数量的波动? 理论模拟和实验结果均发现离子 数量的波动有时具有周期性，有时又似乎处于无序状态，又该如何解释? 微波管内离子的运动涉及到各种等离子体振荡，电子束中和效应以及各种碰 撞现象，规律非常复杂。早在四十年代，为了研究离子聚焦来代替磁聚焦，林德 尔 2 0 l 、菲尔德口1 1 、海恩斯 2 2 1 等人在研究离子德积累与平衡问题时曾对此做了大量 的研究。林德尔的理论是基于离子的理想气体热平衡分布，认为离子作热运动， 并且只有中和后离子才会打到管壁上。而费尔德和林德尔则证明离子有轴向漂移 运动的存在，但是因为漂移管中几乎不存在外加轴向电场，阴极和收集极强电场 被细长的漂移管( 金属筒) 所屏蔽，对于这种轴向运动的起因很难解释。 1 一离子噪声的消除方法 虽然离子噪声的机理仍没能完全解决，人们在长期的实践中还是找到一些离 子噪声消除的有效方法。 1 9 8 3 年，m c c u n e 在一篇会议文章中曾指出【4 ，由于离子噪声与离子的积累 有关，而离子的积累时间又较长，因此对于脉冲调制的速调管，可以调整脉冲间 隔，在离子积累到消逝的一刻前停止工作，便可避免离子噪声，这个方法受限于 脉冲工作的器件，对连续波工作和长脉冲工作器件无能为力。 m a n h e i m e r d x 组通过研究磁场对离子噪声的影响发现离子噪声随磁场增加有 电子科技大学博士学位论文 周期性变化。因此可以设计出一个最佳聚焦磁场，将离子噪声控制到最d d 7 1 。 y y l a u 认为将电子束在管内的脉动调整到整数个波长，便可消除离子噪 声，但这种方法未经证实1 2 3 。 多数的离子噪声消除方法主要还是依靠经验的总结，并且对于不同种类、型 号的微波管，经验方法不能普遍实用，因此离子噪声的抑制与消除的研究还是一 个需要进一步研究的课题。 1 6 本论文的主要工作与创新 离子噪声是微波电子学领域中少数在理论上未能完全解决的问题之一，可以 说对离子噪声物理机制的研究是现代微波电子学领域一个极富挑战性的工作。几 乎对于每种微波管，噪声性能都是衡量其性能中的关键参数，离子噪声问题如 果不得到解决，就会一直影响管子的生产和性能。 本论文旨在通过理论分析、计算机模拟、粒子诊断等手段来探索微波管中离 子噪声产生的物理机制，描述这种噪声的物理图像，寻求抑制离子噪声的方法， 提高微波管，特别是应用在多普勒雷达或通讯系统中对相位稳定性有严格要求的 线性电子束器件的设计水平，满足日益发展的军用装备和民用通讯事业对高水平 微波管的需求。 本论文的主要创新点如下： 1 研究了微波管内离子的产生、运动、积累与平衡及其对电子束的影响， 这对解释离子噪声的形成机理有重要的意义。 2 采用一维混合模型，用粒子模拟方法研究了行波管与速调管的离子噪声 问题，得到了离子噪声的图像，研究了电子束电流、电压、聚焦磁场以及残余背 景气体对离子噪声的影响。 3 研究了离子张驰振荡序列特性，通过分析其重构相图，功率谱与最大 l y a p u n o v 指数，得出离子噪声具有混沌性质这一重要结论，并将其原因归结于离 子噪声产生系统的开放性。 4 通过小信号近似，采用波动理论与运动学理论严格地推导出了行波管低 频离子噪声被调制到载波上的机理，并对离子噪声形成的相位噪声特性进行分析， 得到了相位噪声表达式，揭示出影响相位噪声的因素。 第一章引言 5 采用二维的粒子模拟软件来迸一步分析离子噪声，通过对实际微波管的 合理简化，建立了一个可计算模型，对离子噪声做了二维分析，得到了离子噪声 与真空度、管子长度、聚焦磁场间的关系，并指出抑制与消除离子噪声的关键所 在。 6 通过对管内离子运动状态的深入分析，揭示出离子径向逸出的原理，指 出菲尔德离子积累理论的局限性，这对深入理解离予噪声的产生机理有重要意义。 建立了一个简单的一维理论来解释二维模拟的结果，指出了一维模拟与二维模拟 之间的联系。 7 采用粒子模拟的方法并考虑电子束与电磁波的互作用，首次直接得到了 速调管输出信号的离子噪声图像，阐述了束电子、二次电子、离子、电磁场之间 的相互作用的动力学过程。指出离子噪声所表现出来的相位波动是由电子束速度 的波动引起的，电子束速度的变化来源于管内离子数量的变化，离子的数量的变 化又与电子束状态变化相互影响，这是离子噪声产生的根本原因。二次电子对离 子噪声产生过程的影响甚微，但是其行为却反映了离子噪声的形成机理。离子噪 声引发的输出信号幅度波动取决于电子束速度和半径的改变，与离子行为密切相 关。 8 给出了离子噪声测量的初步方案，对于静态的离子噪声测量，选择电子 束作为测量对象，提出利用针孔收集器作为测量电子束的仪器，指出通过测量电 子束特定点的电流就可以知道离子聚焦对电子束的影响，测量电子束的能量则可 知道电子束的速度随时间的变化，从而可以推导出离子噪声的相位信息。介绍了 离子噪声相位信息与振幅信息的动态测量方法，并探讨了离子噪声的抑制与消除 方法。 1 7 学位论文的组织 第一章引言 介绍了离子噪声的概念和特点以及离子噪声的研究概况，指出了目前研究中 存在的疑点和难点，最后介绍了本论文的主要工作和创新。 第二章微波管中的离子 研究了微波管内离子的产生、运动、积累与平衡及其对电子束的影响。 第三章离子噪声的一维混合模型分析 电子科技大学博士学位论文 采用一维混合粒子模拟方法研究了行波管与速调管的离子噪声问题，研究了 离子张驰振荡序列特性，严格导出了行波管低频离子噪声被调制到载波上的机理。 第四章离子噪声的二维模拟 建立了一个可计算模型对离子噪声做了二维分析，揭示出离子径向逸出的原 理。建立了一个简单的一维理论来解释二维模拟的结果，指出了一维模拟与二维 模拟之间的联系。 第五章考虑注波互作用的离子噪声二维模拟 采用粒子模拟的方法，得到了输出信号的离子噪声图像。从理论上阐述了束 电子、离子、二次电子和电磁波之间的相互作用的动力学过程。 第六章离子噪声的测量方案 给出了离子噪声测量的初步方案，介绍了离子噪声的静态与动态测试方法， 探讨了离子噪声的抑制与消除方法。 第七章结束语 对论文的工作进行归纳总结，指出下一步的研究方向，最后为参考文献及致 谢。 第二章微波管中的离子 第二章微波管中的离子 在引言中我们已经知道，离子噪声直接来源于微波管内离子对电子束的扰动， 因此研究微波管中的离子的产生及其运动的基本规律，成为了离子噪声研究的首 要任务。 2 1 微波管内离子的产生 在电真空器件中，残余气体的压强一般在1 0 - 6 1 0 _ 8 t o r r 范围内，以e e v k 3 7 6 速调管与c p ic c t w t 行波管为例，其残余气体压强分别为1 0 一7 t o r r 与1 0 一 8 t o r r ”。 残余气体的种类，早期有研究表明主要是由分子量为2 8 的氮分子组成，还包 括少量的氢分子和氦分子 2 4 】。这与空气的成分以及真空排气的手段有关。但 g i l m o u r 认为背景气体的主要成分是氢【6 】，原因是管子的部件大多是铜，在烧氢处 理的过程中，氢在铜部件的表面产生了饱和吸附，在管子的工作过程中，氢会释 放出来。 残余气体与管壁处于热平衡状态，所以可以将剩余气体的温度看成与器件的 工作温度相等。 离子的产生方式很多，在微波管内，离子主要是由电子束与残余气体碰撞而 形成的阻】。由于电子的质量远小于分子，当束电子与分子碰撞使之电离时，电子 转交给分子的能量比较小，离子之间的库仑互作用能量也很小，可以认为离子产 生时的动能与中性气体分子动能相同。在碰撞的过程中除生成离子外，还生成了 二次电子，它的平均能量约为l 1 0 e v ，与电子束电子相比要小得多。 我们将不考虑多次电离或是由于中性分子“俘获”电子而形成负离子这类过程， 它们的几率与一次电离相比要小得多。 电子束碰撞电离中性分子的能力可用碰撞电离截面正来表示，一个较为普遍使 用的、基于伯德理论 2 5 1 计算电子碰撞电离截面德经验公式为 q 酬= 芈厂啡( 7 5 1 5 x 1 0 4 a 2 卢2 y 2 ) ( 2 1 ) 电子科技大学博士学位论文 式中= 詈，y = ( 1 一2 ，啦，爿，爿：是取决于气体种类的无量纲经验常数； 厂) 是一个拟合公式 删= 能一t c z 吲 除此以外，q 也可以直接查到嘲。下图是所查到的氢气和氮气的碰撞电离截 面，图中不同的曲线对应不同文献以及不同态的数据，但曲线走向大致相同。 图2 1h 的碰撞电离截面与一次电子能量的依赖关系 】 t 扣v ) 图2 ，2n 的碰撞电离截面与一次电子能量的依赖关系 n m d h n d h d o 百! _ o r i 第二章微波管中的离子 从图中可以看出，随着电子束电子能量增大，电离截面迅速增大，在1 0 0 电子 伏特左右达到最大值，然后缓慢减小。 2 2 离子在微波管中的运动 要计算离子在微波管内的运动，必须知道其所处的场分布情况。在我们的分析 中，只考虑静态的电场与磁场，因为离子质量较大，高频的电磁波对其运动影响 很小，因此可以忽略电磁场对离子运动的影响。同样也将高频线路( 慢波结构和 谐振腔) 简化为均匀的金属圆筒电子通道，这是微波管电子光学系统设计普遍采 用的简化近似。 2 2 1 微波管内的电场与磁场 因为管子中有电子束，因此在管子的横截面上存在电位梯度。假设电子束的密 度是均匀的，且束半径恒定，则截面内的电位分布由( 2 3 ) 式确定 v = ( 2 3 ) 其中 耻而i o ( 2 - - 4 ) b 为电子束半径，i o 为电子束电流，为真空介电常数，u 为电子束电子的速度a 假设电子束通道半径为a ，则管内截面的电位分布如n 2 3 ( a ) 所示 图2 3 ( a ) 微波管内部截面的电位分布 哟 啪 n r 一6 ，l n 2 ，一铲 ，l，l 一 一 电子科技大学博士学位论文 管内横截面上的电场分布表达式如( 2 5 ) 所示 e = 一卫，6 4 a e o b 2 u 一厶r 1 、 磊菊引 ( 2 5 ) 沿管子轴线的电位降分布如图2 3 ( b ) 所示，在管子两端，电位迅速降至阴极和 收集极电位，这里假设电子束无脉动，其半径在高频结构部分保持恒定。 o 图2 - 3 ( b ) 沿管子轴线的电位降分布 管内的磁场分布由外加的聚焦磁场决定，有周期磁场和均匀磁场两种。如果 采用旁轴近似，则磁场表示为： b ：= b 0 ) ( 2 6 ) b ( ，) = 一昙b g ) ( 2 - - 7 ) 对于周期聚焦磁场 荆咄c o s ( 引( 2 - - 8 ) 上为周期永磁聚焦的周期长度。b 。为聚焦磁场的极大值 2 2 2 离子在管内的运动 根据电子光学理论，离子在管内横截面的运动方程为【2 7 0 8 1 1 4 第二章微波管中的离子 2 b 2