速調(diào)管的知識八

1、速調(diào)管的知識八圖2.1給出了一支典型的大功率速調(diào)管的實(shí)物照片，這類管子的輸出功率之大，是現(xiàn)有微波管中之最。脈沖輸出功率可達(dá)百余兆瓦，平均功率可達(dá)兆瓦級。整管體積也比較大，長度從十幾厘米到幾米。主要用來作為各種發(fā)送設(shè)備的末級功率放大用。由于它的重要作用，人們稱它為整機(jī)的心臟。速調(diào)管的功率潛力，無論是脈沖功率還是平均功率，都超過了其它類型的微波管，圖2.2給出了幾種微波管的功率比較。目前，在功率電平上，S波段速調(diào)管在窄脈沖寬度下已達(dá)到150MW的峰值功率輸出。連續(xù)波管，X波段輸出功率達(dá)800kW，C波段輸出功率達(dá)1.2MW。MW級單注速調(diào)管的頻帶寬度可達(dá)10%。多注速調(diào)管在十千瓦至百千瓦級輸出功率

2、電平下，頻帶寬度在10%以上。速調(diào)管的增益也是所有微波管中最高的，在窄帶下，可達(dá)80dB的穩(wěn)定增益。目前，已發(fā)展了多種類型的速調(diào)管。根據(jù)不同的使用條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，人們常將速調(diào)管分為下列類型：（1）按管子的電子注數(shù)，分為單注速調(diào)管和多注速調(diào)管；（2）按工作方式，分為脈沖速調(diào)管和連續(xù)波速調(diào)管；（3）按聚焦方式，分為電磁聚焦、永磁聚焦、靜電聚焦和空間電荷聚焦速調(diào)管； （4）就其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為內(nèi)腔、外腔速調(diào)管以及某種特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合管（行波速調(diào)管和分布作用速調(diào)管等）。 有時還以諧振腔的數(shù)目、電子注的調(diào)制方式、工作波段和某些特性冠以速調(diào)管的名稱以突出它的結(jié)構(gòu)或性能特點(diǎn)。在闡述速調(diào)管放大器工作原理時，通常采

3、用兩種理論，即空間電荷波理論和運(yùn)動學(xué)理論。空間電荷波理論是將電子注視為連續(xù)的“介質(zhì)”波的概念來研究，電子注受到干擾時，在電子注中激勵起沿電子注傳播的波，稱為空間電荷波，以波的概念描述電子的運(yùn)動狀態(tài)。運(yùn)動學(xué)理論是將電子視為荷電質(zhì)點(diǎn)來研究，用運(yùn)動學(xué)理論描述電子在磁場中的運(yùn)動過程。其優(yōu)點(diǎn)是可給出清晰的電子速度調(diào)制轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏日{(diào)制及群聚形成的物理圖像。本文采用運(yùn)動學(xué)理論闡述電子的群聚過程及速調(diào)管基本工作原理。2.2 雙腔速調(diào)管2.2.1 雙腔速調(diào)管中電子注的密度調(diào)制如前所述，普通三極管當(dāng)工作頻率提高到微波波段時，由于三極管極間電容和引線電感變得與外電路可比擬，電子的慣性變得不可忽略，也就是說電子在電極間

4、的渡越時間達(dá)到和高頻周期相比擬等原因，致使管子不能正常工作，甚至失去放大作用。采用空腔諧振器來代替普通的振蕩回路，電極成為諧振腔電容部分，外部為電感部分，便構(gòu)成了微波三極管，圖2.3（a）示出了微波三極管示意圖。上述的改進(jìn)并沒有克服電子慣性的影響，減小電極間距離和增大電子速度都可減小電子渡越時間，但前者會給制造工藝帶來困難，甚至難以實(shí)現(xiàn)。因而，用提高電子速度的方法來減小電子渡越時間，將圖2.3（a）變成圖2.3（b）所示的變型管示意圖。我們將圖2.3（b）變換成如圖2.4所示的速調(diào)管的諧振腔和漂移管，它也稱為高頻作用系統(tǒng)。它用由金屬壁構(gòu)成的空腔諧振器和既不存在直流電場也不存在交流電場的一段金屬

5、圓管組成。當(dāng)速度vo的電子注穿過具有外加調(diào)制電壓U(t)=sinwt的諧振腔間隙時，由于電子在穿越間隙的過程中，間隙的電壓不斷變化，電子的動能也隨之發(fā)生變化，穿出間隙后的電子速度就各不相同了，電子注受到了速度調(diào)制。電子再進(jìn)入無電場的漂移管中按慣性運(yùn)動，速度快的電子趕上出發(fā)早但速度慢的電子，而速度慢的電子則逐漸落后于保持速度不變的電子，從而形成了電子注的密度調(diào)制，建立起疏密不均的電子注。電子密集的區(qū)域稱為群聚塊，電子由速度調(diào)制變到密度調(diào)制的過程稱為群聚。這便是速調(diào)管的最基本的理論基礎(chǔ)。圖2.5是漂移空間電子的群聚示意圖，稱為電子空間時間圖。表示了電子的空間和時間的群聚過程。2.2.2 密度調(diào)制電

6、子注與高頻場的互作用在速調(diào)管中，圖2.6（a）示出了諧振腔的示意圖，可等效成圖2.6（b）所示的集中參量的高頻電路。圖2.7所示的描述雙腔速調(diào)管工作過程的示意圖。雙腔速調(diào)管工作過程如下：從陰極發(fā)射出的電子，經(jīng)過電子槍的聚焦極和陽極的作用形成均勻的電子注，穿過輸入腔及輸出腔后打到收集級上。當(dāng)有高頻信號饋送到輸入腔中時，將在輸入腔中激起高頻振蕩，在腔間隙上建立起高頻電場。電子注穿過隙縫時便受到高頻場的作用，在正半周穿過間隙的電子被加速，而負(fù)半周穿過的電子被減速，即電子速度受到調(diào)制，速度不再均勻，變得有快有慢。隨后進(jìn)入無電場區(qū)的漂移管中，快電子逐漸趕上慢電子，電子注形成群聚，即由速度調(diào)制變成了密度調(diào)

7、制。已群聚的電子注穿過輸出腔間隙時，就在腔內(nèi)激起感應(yīng)電流，如果輸出腔也調(diào)到輸入信號頻率上，就會諧振起來并在間隙上建立起很強(qiáng)的高頻場。電子塊在感應(yīng)電壓的負(fù)半周通過間隙，被減速使動能減小，其余電子在正半周穿過間隙被加速，吸收了部分高頻能量?？偟膩碚f，群聚電子注失去的能量比獲得的多，兩者之差即轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l場能量，大部分能量耦合裝置傳輸給波導(dǎo)饋送給負(fù)載。在上述過程中，電子注穿過輸出腔后打到收集極上，將電子注的剩余能量轉(zhuǎn)化為熱能。多腔速調(diào)管的工作原理 雙腔速調(diào)管的增益和效率都很有限，為了進(jìn)一步改進(jìn)管子的特性,便采用了多腔速調(diào)管。為了提高管子的增益，可以將兩個雙腔速調(diào)管串聯(lián)起來，組成一個如圖2.8（a）所示

8、的級聯(lián)放大器，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。實(shí)際的多腔速調(diào)管是將第一支雙腔速調(diào)管的輸出腔與第二支雙腔速調(diào)管的輸入腔合并，共用一個電子注，組成如圖2.8（b）所示的三腔速調(diào)管，這樣使其結(jié)構(gòu)簡化了，使用也方便了。三腔速調(diào)管的工作過程與雙腔速調(diào)管基本相同速調(diào)管的結(jié)構(gòu)多腔速調(diào)管是一種全金屬陶瓷結(jié)構(gòu)的高真空密封管。圖2.9示出一支典型的多腔速調(diào)管結(jié)構(gòu)示意圖。它由三部分組成：電子槍，是電子注發(fā)射源，包括陰極、聚焦極及熱子； 高頻系統(tǒng)，包括輸入裝置、諧振腔、漂移管及輸出裝置； 收集極。輸入輸出裝置包括能量耦合元件、真空密封窗以及輸入、輸出接口。諧振腔內(nèi)裝有調(diào)諧元件，腔體外裝有調(diào)諧機(jī)構(gòu)，用來改變整管頻率。2.3速調(diào)管的組成電子

9、槍1）皮爾斯電子槍電子注是由電子槍產(chǎn)生的。圖2.10示出了由兩個同心圓球面組成的系統(tǒng)，內(nèi)球面相對于外球面有正電壓U，而外球的內(nèi)表面具有發(fā)射電子能力的話，就構(gòu)成一個球形二極管，外球?yàn)殛帢O，內(nèi)球則為陽極。其間的電流I、電壓U關(guān)系為I=KU3/2，式中，K為幾何形狀參數(shù)。電子槍的主要參數(shù)由導(dǎo)流系數(shù)、電子注最小半徑rmin及最小注半徑處距陽極面的距離Zmin來描述，如圖2.11（a）所示。圖2.11（b）示出圓柱形電子槍的典型結(jié)構(gòu)圖。 2）柵控電子槍在脈沖工作狀態(tài)下，為了控制陰極電流發(fā)射，雖然可以用陽極調(diào)制，但更為方便和有效的辦法是采用柵極控制。所謂柵極控制就是在上面所敘述的電子槍基礎(chǔ)上再在陰極前面加

10、一個柵網(wǎng)。在柵網(wǎng)上加有較低的脈沖電壓時，就可以達(dá)到控制陰極發(fā)射電流大小的目的。圖2.12（a）給出了截獲柵控電子槍示意圖。圖2.12（b）示出一種桿控電子槍示意圖，它由環(huán)狀控制極及桿狀控制極所組成。電子注的維持由于電子注是電子的集合，故存在著空間電荷力，若不采取特殊措施，電子注出陽極口后就會立即發(fā)散開來。為了維持電子注形狀，必須有外加力以平衡空間電荷發(fā)散力。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，使電子流繞其軸旋轉(zhuǎn)起來，電子在作圓周運(yùn)動時，若產(chǎn)生的離心力、電子之間的空間電荷力以及由于在磁場中運(yùn)動的圓周分量引起的徑向力平衡時，電子不再發(fā)散，電子注的形狀得以維持。怎樣使電子流繞軸旋轉(zhuǎn)起來呢？電子注既然要發(fā)散開，就一定有一個徑

11、向方向的速度。若在電子注最小截面處，突然加一個縱向均勻磁場，當(dāng)其徑向速度分量與縱向磁場相交時，根據(jù)羅侖茨定律，于是電子繞著電子流的軸旋轉(zhuǎn)起來，而達(dá)到維持電子流形狀的目的。在這種均勻磁場聚焦系統(tǒng)中，我們將能維持電子注聚束的最小磁感應(yīng)強(qiáng)度，稱為布里淵磁感應(yīng)強(qiáng)度Bb。收集極在速調(diào)管中，收集極一般為空心圓筒，形成一個既無電場又無磁場的空間，以便電子流在其中發(fā)散開來，盡可能均勻地打在收集極內(nèi)表面上利于散熱。圖2.16示出幾種典型水冷收集極結(jié)構(gòu)。5）壽命衡量壽命的指標(biāo)有以下幾個：（1）管子工作壽命；（2）貯存壽命；（3）僅加燈絲電壓的總小時數(shù)。2.4.2 副特性副特性主要是指管子工作的穩(wěn)定性、非線性及雜散

12、性功率輸出，三者往往是不可分割的，其間沒有嚴(yán)格的界限，其最終結(jié)果則表現(xiàn)為輸出的失真、寄生調(diào)制或干擾。1）功率穩(wěn)定性(1)輸出功率變化；(2)幅度變化；(3)幅度波動。2）相位穩(wěn)定性（1）相位靈敏度（2）相位-幅度畸變（3）相位波動3）諧波2.5速調(diào)管的發(fā)展展寬速調(diào)管帶寬的技術(shù)速調(diào)管的帶寬與整管效率和增益是相關(guān)的參量，故又分為效率帶寬和增益帶寬。在速調(diào)管中可通過犧牲效率或增益換取寬帶寬。為了展寬群聚端和輸出段帶寬，多年來已發(fā)展和采用了以下一些技術(shù)。 群聚段帶寬的展寬群聚段帶寬的展寬，通常采用諧振腔加載、參差調(diào)諧技術(shù)、特殊結(jié)構(gòu)諧振腔及優(yōu)化腔體特性參量等措施。多腔速調(diào)管諧振腔加載的目的在于增加腔體的

13、損耗，降低腔體的有載品質(zhì)因數(shù)QL，達(dá)到展寬腔體的帶寬性能。群聚段的增益帶寬潛力可通過其中一級來表示 式中，G為一級的增益；R/Q是諧振腔特性阻抗；Pout是輸出功率；P是電子注導(dǎo)流系數(shù)。寬帶輸出電路及在整管上的應(yīng)用輸出段帶寬用 來表征。式中，M為諧振腔間隙耦合系數(shù)； 為電子注電導(dǎo)。1）行波管慢波電路為了展寬速調(diào)管的輸出段帶寬，用行波管的慢波結(jié)構(gòu)代替速調(diào)管的輸出腔而組成的復(fù)合管稱為行波速調(diào)管。其工作原理是利用速調(diào)管段諧振腔參差調(diào)諧來彌補(bǔ)行波管頻帶高低端增益的下降，以求得全頻帶性能平坦。因此，復(fù)合管具有速調(diào)管與行波管的共同優(yōu)點(diǎn)。2）分布作用電路分布作用電路實(shí)際上是兩端在適當(dāng)位置短路的慢波結(jié)構(gòu)。分布

14、作用腔又稱為擴(kuò)展互作用腔。3）重疊模電路2個相鄰的單間隙重入型諧振腔，在其公共壁上開有耦合槽縫，組成雙間隙諧振回路，如圖2.19所示。4）雙調(diào)諧電路雙調(diào)諧電路是在一個與電子注相耦合的單間隙諧振腔的外面接一個濾波腔而構(gòu)成的，濾波腔的一端與諧振腔相耦合，另一端與負(fù)載相接。多注速調(diào)管1）多注速調(diào)管的工作原理多注速調(diào)管的新穎之處在于：通過增加管內(nèi)的電子注數(shù)目，使管子的總的導(dǎo)流系數(shù)增加，以利于管子的帶寬增加，如圖2.21所示；為了保持管子的轉(zhuǎn)換效率，將電子注分成若干小注，每個注都有自己的漂移通道，從而使管子的各高頻參量選取最佳值。2）多注速調(diào)管的特點(diǎn)與用途多注速調(diào)管可分為兩大類：工作在諧振腔基模式的多注

15、速調(diào)管和工作在諧振腔高次模式的多注速調(diào)管。圖2.22（a）示出了工作在諧振腔為基模式的多注速調(diào)管結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在管中存在若干獨(dú)立的電子注渡越通道，在每個通道內(nèi)傳輸獨(dú)立的電子注，在漂移區(qū)內(nèi)各電子注之間沒有耦合。圖2.22（b）示出了一種工作在高次模式上的多注速調(diào)管的方形諧振腔。如圖2.23所示的一種反轉(zhuǎn)永磁聚焦系統(tǒng)能應(yīng)用到大功率速調(diào)管上，這又大大減輕了管子及整機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量，提高了動機(jī)性。圖2.24示出了一個多注速調(diào)管結(jié)構(gòu)示意圖。3）多注速調(diào)管的合理選用多注速調(diào)管由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、陰極負(fù)荷重、效率和壽命一般也不如單注管，因此在MW級的寬帶高峰值管中，多選用單注管而不選用多注管。多注速調(diào)管工作電壓低，對很多飛行器上在低氣壓環(huán)境下工作的整機(jī)來說，高波段小功率多注速調(diào)管也具有一定的吸引力。速調(diào)四級管1）速調(diào)四極管的工作原理如前所述，在速調(diào)管中就其高頻作用機(jī)理而言，可分為群聚段和輸出段。輸出段為輸出腔部分；其他諧振腔及漂移管則稱為群聚段。圖2.25示出了速調(diào)四極管示意圖。由圖可見，電子槍陰極與非截獲的控制柵極構(gòu)成輸入諧振腔間隙，柵極上加有負(fù)偏壓，因此陰極上電子發(fā)射不出來。當(dāng)高頻