第章行波管ppt课件.ppt

第三章行波管 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 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 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 33 0 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 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 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 3 2 3行波管的主要特性 3 6 若行波管输入信号为 则在输出端得到一个输出信号 即信号在放大G倍的同时 附加了一个相移 式中 L为行波管长度 为相应于电子速度u的波的传播常数 为皮尔斯增益参量 y为行波管方程解的虚部 为电子速度 其中U0为慢波线电压 为电子荷质比 从式 3 6 可以看到 由于行波管的L较长 故总相移很大 由 变化引起的相位变化也较大 任何能使C y或 发生变化的电极电压的变化都将使行波管的输出相位发生变化 3 2 3行波管的主要特性 以下对此进行分别分析 改变慢波线电压 将使A和y都变化 从而改变相移 聚焦极 栅极 电压也是通过影响注电流I而影响相移的 因此其相位灵敏度也远低于慢波结构 3 2 3行波管的主要特性 改变阳极电压使注电流I变化 从而使C变化 导致相移变化 相位灵敏度为0 9NC 1 QC 或 0 0157NC 1 QC 由于C 1 所以阳极电压对相位的影响远小于慢波结构电压的影响 3 2 3行波管的主要特性 灯丝电压的影响 在正常情况下阴极处于空间电荷限制状态下 灯丝电压对注电流的影响很小 所以相位灵敏度也很低 但在阴极发射不足和灯丝与阴极引线接反时 则会有较大影响 3 2 3行波管的主要特性 7 调幅调相转换 AM PM 当行波管输入功率变化时 它的输出功率会发生变化 输出相位也会发生变化 这种现象就称为调幅调相转换 以 dB表示 即输入功率变化1dB 输出相位变化的角度 图3 6给出了相位和输入功率之间的关系 曲线斜率就是调幅调相转换系数 3 2 3行波管的主要特性 产生行波管调幅调相转换的原因在于行波管的相移是随电子速度减小而增加的 当输入功率增加时 电子交出的能量也增加 速度减小 行波管相移增加 输出相位就减小 在输入功率减小时 电子交出能量很少 对相移影响不大 因此图3 6的起始段相位下降非常缓慢 3 2 3行波管的主要特性 当输入功率大到一定程度后 电子交出的能量迅速增加 相位下降也就变快了 曲线变得较陡 当输入功率接近饱和时 电子交出能量的增加的速度变慢 相位变化曲线又变得比较平坦了 3 2 4双模行波管 既能工作在高脉冲功率 低重复频率状态下 又可以工作在低脉冲功率 高重复频率的状态下 而且转换速度要快 切换电压要低 这就是所谓的双模行波管 由于慢波结构电压不能改变 两种模式下脉冲输出功率不同 其脉冲电流也必然不同 为满足低电压 快速切换的要求 脉冲电流的变化只能用栅极电压来控制 3 2 4双模行波管 对普通的无截获栅控枪加以改进 使其在两个栅极电压下都能形成较好的电子注 优点 电子枪结构简单 电子注尺寸变化小 高模下电子注电流增加引起的增益提高和功率的增加相适应 模式转换时可以不必改变输入功率 缺点 脉升比 高模脉冲输出功率与低模脉冲输出功率之比 太小 一般只能做到1倍 3dB 或稍高一些 3 2 4双模行波管 使用如图3 7所示的电子枪结构 控制栅分为内 外两个栅极 低模工作时 脉冲来临时内栅处于工作电压 外栅处于截止电压 这时只有内栅对应的阴极才发射电流 电流较小 而在高模时 内 外栅同时处于工作电压下 整个阴极都发射电流 电子注电流变大 3 2 4双模行波管 优点 可以方便地用改变内 外栅的面积比来改变高 低模的电子注电流之比 从而得到所需的脉升比 聚焦系统不再是提高脉升比的障碍 缺点 高模时电子注电流大而且电子注粗 其增益将远高于低模时的增益 3 2 5相位一致行波管 雷达和电子对抗设备都希望同时对多个目标进行快速跟踪 而机械转动天线难以满足要求 因此必须使用电子扫描天线 这就出现了相控阵雷达和多波束干扰机 其原理是利用多个发射单元同时发射 在空间进行合成 形成波束 调整每个发射单元的输出相位 就可以改变波束的形状和指向 也可以形成多波束 具有高速搜索和运行可的特点 3 2 5相位一致行波管 由此要求各个发射单元的一致性必须非常好 若相位不一致 将会使相位混乱 进而使波束的形状和指向出现畸变 并使功率合成效率下降 若增益不一致 各单元的输出功率的不同也会影响合成结果 此外 行波管的各级电压也必须完全一致 为制造相位一致行波管 机床加工精度 所用材料的性能 装配线的精度以及零件的优选都是重要影响因素 3 2 6小型化行波管 相控阵系统发展的矛盾 从提高系统性能的角度而言 发射单元越多越好 但是相控阵系统中的各发射单元之间的距离一般不能大于波长的0 6倍 当单元数增加时 体积和介质损耗也将增加 甚至达到令人不能容忍的地步 为此人们利用微波集成电路制成固态微波放大器和用小型化行波管组成放大链 降低了对行波管增益的要求 使行波管的长 3 2 6小型化行波管 度得以缩小 同时由于固态微波放大器的噪声系数很低 也使放大链的噪声系数比单个行波管低得多 小型行波管的另一个发展方向是为微波功率模块 MPM 提供功率放大器 3 2 6小型化行波管 小型化行波管不是简单的将行波管缩小 它在设计和工艺上都有许多特殊的地方 与常规行波管相比较 它的螺旋线电压低得多 电子枪的导流系数和压缩比要高得多 电极布置 装配工艺的选择和模具设计都必须予以特别考虑 其阴极电流密度较同输出功率同波段普通行波管要大 此外由于体积较小 其回收效率较低 散热较差 因此设计时要兼顾散热 回收效率和装配可靠性 3 3慢波结构 3 3 1概述慢波结构的两个重要作用 一是把电磁波的相速降下来 使它能和电子同步以保证电子和电磁波有足够长的互作用时间 二是有足够强的纵向电场强度 以保证电子和电磁波的能量交换 3 3 1概述 慢波结构的两个首要特性是色散特性和耦合阻抗 另外为保证电子交出的能量变为输出功率而不是消耗在管内 还要使分布损耗尽可能小 3 3 1概述 色散特性也就是慢波结构上波的相速v 或相光速比v c 与频率f 或角频率 的关系 有两种表示慢波结构色散特性的方法 最简单的是用图3 8 a 所示的v c 曲线来表示 另一种方法是用图3 8 b 所示的布里渊图表示慢波结构特性 3 3 1概述 3 3 1概述 耦合阻抗K是用来说明场与电子相互作用强弱的一个量 它实际上是表示在同样的功率流下能产生的和电子相互作用的某次空间谐波的纵向电场强度的大小 对某次空间谐波的耦合阻抗定义为 3 8 式中 E为第n次空间谐波电场强度 为第n次空间谐波纵向传播常数 P为总功率流 3 3 2螺旋线慢波结构 早期螺旋线慢波结构模型过于简单 认为如图3 9所示慢波结构中的电磁波是沿着半径为a 螺距为p的螺旋以光速c前进的 3 3 2螺旋线慢波结构 向前走一圈所花时间为 2 a p c 而电磁波在螺旋线的轴向只前进了p 因此其相速v pc 2 a p c sin 此处 为螺距角 也即是认为螺旋线上的电磁波相速和频率是无关的 但当螺距小于波长的1 4时 由于相邻各圈上的电磁场相互影响而导致相速变化 3 3 2螺旋线慢波结构 图3 10中的特性曲线1就说明了这种情况 频率越低 像素变化越大 3 3 2螺旋线慢波结构 皮尔斯提出了一个螺旋导面模型 将螺旋线看成一个无限薄的各向异性的圆筒 这个圆筒只在沿着被替代的螺旋线方向上才导电 而在与其垂直方向则是完全绝缘的 由此得到自由空间螺旋线色散方程 发现其相速随 a的增加而缓慢下降 为径向传播常数 a为螺旋导面半径 随 a的增加 耦合阻抗将指数下降 这对行波管的宽带特性是非常重要的 3 3 2螺旋线慢波结构 3 3 2螺旋线慢波结构 行波管的增益为G BCN A1 A2 aL式中 N是电磁波在慢波结构上的有效长度的波长数 调整螺旋线的结构可以使耦合阻抗随频率的变化速度速度得到调整 从而展宽行波管的带宽 3 3 2螺旋线慢波结构 无论是色散特性还是耦合阻抗特性都是 a的函数 对于不同频段的行波管只要所选的 a一样 它们的特性也基本上一样 这就是常说的慢波结构缩尺寸原理的基础 自由空间螺旋线实际上是不可能实现的 因为要保持真空就必须有一个管壳 还要将螺旋线固定在其中 3 3 2螺旋线慢波结构 早期的行波管用一根玻璃管兼做管壳和固定螺旋线两个用途 优点是结构非常简单 但导热性能差 介质损耗大 不能适应行波管向大功率发展的要求 取而代之的是如图3 11所示的金属管壳加3根夹持杆的结构 3 3 2螺旋线慢波结构 用了管壳和介质夹持杆后 螺旋线特性会发生一些变化 首先 螺旋线中和电子相互作用的电场强度下降 即耦合阻抗下降 其次 介质的存在会使电磁波的传播速度下降 最后 介质和管壳的损耗会使行波管的效率下降 因此行波管设计必须精心选择材料和结构 以消除其不良影响 这也给进一步改善螺旋线性能带来机会 3 3 2螺旋线慢波结构 在离开螺旋线一定距离处加