微波工程基础第7章.ppt

1、第七章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生、工具书： s。 y 里奥萩、微波解老虎钳与电路、科学出版社、1987杨祥林等编撰，微波解老虎钳原理，电子工业出版社，1994，第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生， 1921年发明磁控管改变了促进第二次世界大战雷达出现的战争形势1939年发明速调管高增益、高效率、高功率1944年发明螺旋行波管宽带1967年发明回旋管射频波、大功率雷达、通讯、感应、电子对抗、加速器、微波加热、 电波天文观察第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1.1速调管(速度调制和电流调制)，从阴极发射的所有

2、电子以均匀的速度到达第一腔室，当间隙电压(或信号电压)为零时第一腔室间隙通过腔隙电压正半周的电子的速度变快。 通过腔隙电压的负半周的电子速度变慢。 由于这种作用，电子在漂移过程中逐渐簇生。 漂移空间电子速度的变化速度调制。 在第二腔隙中电子密度随时周期性地变化。 电子注包括交变分量的电流调制。 电子注入应该在第二腔室的间隙中间到达最大群集处于减速相位，电子的动能转换为第二腔室的微波场能。 从第二室出来减速了的电子最后在收集极停止了。 第七章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1.1速调管，第七章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1.1速调管，接

3、近阴极的腔称为输入腔或群腔，它在电子注入中的速度另一腔称为输出腔1 )假设电子注入横截面上的密度均匀2 )忽略空间电荷效应3 )输入的微波信号宽度在直流加速电压速度调制过程电子注入进入群集腔之前首先被加速至直流高压，假设其速度均匀(7.1 )， 第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的发生7.1.1速调管速度调制过程向输入腔施加微波信号，群集间隙电压为、(7.2)，式中的V1为信号的振幅，通过输入腔间隙距离d的平均过渡时间为， 平均间隙渡越角为(7.3)、(7.4)，第七章微波与物质相互作用的7.1微波和电子可以表示群聚间隙的平均微波电压可以通过下式获得：第七章微波与物质相互

4、作用的7.1微波和电子相互作用的微波的产生7.1 间隙渡越角增加，电子注入与群集腔的耦合降低。 (7.6)，第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的发生7.1.1速调管速度调制过程，速度调制后，在群集腔出口能够立即得到电子速度的，称为速度调制深度。此时，(7.7)、(7.8)，调制深度不仅与信号电压成比例，而且与耦合系数I成比例，第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1.1速调管群集过程，对于tb时刻的电子而言，从群集间隙到电子密度群集为止(7.10 )、(7.11 )， 第七章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1.1速调

5、管群集过程，(7.12 )、(7.13 )、(7.14 )，第七章微波与物质的相互作用tc的电子经过距离l所遇到的必要条件为：(7.15 )、(7.16 )， 第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1.1速调管群集过程，输入腔的间隙中通过时间间隔dt0内的电荷， 根据电荷存储原理(7.19 )、(7.18 )、(7.17 )，第七章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用产生7.1.1速调管的群集过程为(7.19 ) 微分可以得到第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的发生7.1.1速调管群集过程，用t2表示时的电流为(7.22 )、(7.2

6、3 )， 第七章傅里叶级数微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1.1速调管群集过程电流，包括(7.24 )、(7.25a )、(7.25b )、(7.25c )、 第7章微波与物质的相互作用在7.1微波与电子的相互作用微波的发生7.1.1速调管群集合过程中展开，可以向腔注入电流输出基波分量(7.28 )、(7.26 )、(7.27 )、 第七章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1.1速调管群集过程，有趣的是式(7.16 ) 已知l给出的距离比loptiity的第七章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的发生7.1.1速调管输出和电

7、子注入负荷，速调管：最大群集出现在输出室间隙的中间附近，当群集电子注入以减速相位通过间隙时， 其动能转换为输出室的射频波场能量，使来自输出室的电子速度变慢，最后在收集极收集到的输出腔中的感应电流(基波分量)，0为输出腔间隙电子注耦合系数。 第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的发生7.1.1速调管输出功率与电子注入负载、输出功率；(7.7)；rsh，第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的发生7.1.1速调管输出与电子注入负载、速调管效果速调管放大器的跨导的等效跨导是输出感应电流I2ind与输入电压V1之比，(7.32 )，() 第七章微波与物质的相互作用

8、7.1微波与电子的相互作用微波的发生7.1.1速调管输出与电子注入负载，输入电压用群集残奥仪表示跨导不是常数，随着群集合残奥仪表的增加而减小。 在小信号下，归一化跨导最大等于(7.36 )，与同速调管中的现象一样，行波管也从速度调制转换为电流调制，在电路中诱发射频波电流而引起放大。行波管和速调管有一些重要差别：1)在行波管中，在电子注入和射频波场的相互作用在整个电路长度上连续的速调管中，相互作用仅发生在n个谐振腔间隙中。 2 )行波管中有传播的波，速调管不是(共振作用驻波)。 3 )对于耦合腔行波管，在各腔之间存在耦合，在速度调整管中各谐振器独立动作。 第7章微波和物质相互作用7.1微波和电子

9、相互作用微波的发生7.1.2螺旋行波管(TWT )，第7章微波和物质相互作用7.1微波和电子相互作用微波的发生7.1.2螺旋行波管(TWT ) 螺旋波管结构：电子注入和螺旋慢波结构电子注入：通过沿着其自身和慢波结构的均匀磁场聚焦约束而向前行进的微波信号：沿着旋转的螺旋线传播，在螺旋线的中心产生轴向电场：行进速度乘以节距和螺旋周长之比相互作用：运动的轴向电场和运动的轴向电子之间产生相互作用。 平均来说，电子向螺旋的射频波场转移能量，螺旋上的信号更大。 微波信号的放大：电子在行进中加速，一个电子减速(调制、群集、放大)，如果电子进一步行进到收集极端，则群集中心的所有电子都遇到强减速场，其包括射频波

10、输入、螺旋线行波管原理图、 螺旋行波管简化电路第7章微波和物质相互作用7.1微波和电子相互作用微波的产生7.1.2螺旋行波管(TWT )相互作用过程，慢波线上基波的周相移，0是平均速率，表示电子注入的相位常数， p是作为周期或间距的第七章微波和物质相互作用7.1微波和电子相互作用微波的发生7.1.2螺旋行波管(TWT )相互作用过程，轴向空间间谐波的相速度和电子注入速度同步，(7.40 )，电子的直流速度比轴向波速稍高，减速场中的电子比加速场中的电子多在螺旋线中心设置衰减器，使沿螺旋线行进的所有波接近零，防止来自失配负载的反射波到达输入级而振荡。 在衰减器后面，群集电子注入感应相同频率的新电磁

11、场，在螺旋线上感应出新放大的微波信号。 第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1.2螺旋线管(TWT )的相互作用过程，螺旋线管中的电子的运动状态可以通过轴向电场进行定量分析，(7.41 )，电子速度为(7.42 )， 第七章微波和物质的相互作用7.1微波和电子的相互作用微波的产生7.1.2螺旋行波管(TWT )的相互作用过程，e、e、e分别是速度调制电子注入中的速度变动的角频率、速度变动的辐值、速度变动的初始相位，(7.43 )、(7.43 ) 电子注入速度、电荷密度、电流密度和轴向电场能量表示第7章微波和物质的相互作用7.1微波和电子的相互作用微波的产生7.1.

12、2螺旋行波管(TWT )群集电流(电场对电子注入的作用)， 第七章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1 (7. 48 )、(7.49 )、(7.50 )、(7.51 )，第七章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1.2螺旋线管(TWT )这个感应电场被线路中已经存在的电场重日式榻榻米，线路功率随着距离的延长而增加。 无损分布传输线路表示慢螺旋线，残奥仪定义为L=单位长度电感量C=单位长度容量I=传输线路上的交流电流V=传输线路上的交流电压I=群生电流，第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的产生7.1.2螺旋线行波管(TWT

13、)轴电流第七章微波和物质的相互作用7.1微波和电子的相互作用微波的产生7.1.2螺旋行波管(TWT )的轴向电场为：库霍夫电压定律：(7.55a )、(7.55b )、(7.54b )和(7.54b ) 消除第7章微波和物质的相互作用7.1微波和电子的相互作用微波的产生7.1.2螺旋行波管(TWT )轴向电场、特性阻抗：(7.58 )、群集电流I存在时，传输线路电压为(7.59 )、轴向电场(电路方程式)。 第7章微波和物质的相互作用7.1微波和电子的相互作用微波的产生7.1.2螺旋行波管(TWT )波的模式，中波管的模式能够根据通过联合解电子方程式和电路方程式得到的传播常数决定(模态问题)。

14、 传播常数的每个解表示前进波模式，并且传播常数有四种不同的解。 表示o型行波管有4种前进波模式。 (7.61 )使电子注入直流速度与前进波轴方向相速度相等而求出近似解是指(7.62 )、(7章微波和物质的相互作用7.1微波和电子的相互作用微波的7.1.2螺旋行波管(TWT ) 相当于发生波的模式第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的发生7.1.2螺旋行波管(TWT )波的模式、第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的发生7.1.2螺旋行波管(TWT 与1对应的波是前方波，与振幅2对应的波也是前方波，与振幅随着距离指数函数衰减的3对应的波也是正方波，但振幅不

15、变与4对应的第4个波是门波，其振幅不变。 成长波的相速度比电子注入的速度稍低，能量从电子注入流向该波。 衰减波的相速与成长波相同，但能量从该波流向电子注入。 等偏振波的传播速率比电子注入速度稍高，两者之间没有能量交换，载波以比电子注入速度稍高的速度向负的z方向传播(典型的c值约为0.02 )。 第七章考虑到微波和物质的相互作用7.1微波和电子的相互作用微波的发生7.1.2螺旋行波管(TWT )的增益，为了简单起见，假定延迟波线完全匹配，不存在反向前进的波， 总线路电压是考虑与三个正向前进波电压之和相对应的第七章微波和物质的相互作用7.1微波和电子的相互作用微波的发生7.1.2螺旋管线管(TWT )的增益，为了确定长波长的放大量，设输入基准点为z=0，输出基准点为z=l。 在z=0时，考虑到(7.68 )、(7.69 )、(7.70 )、(7.71 )、第7章微波与物质的相互作用7.1微波与电子的相互作用微波的发生7.1.2螺旋线管(TWT )的增益，若慢波构造的长度l比一盏茶大，则输出电