行波管，是靠連續(xù)調(diào)制電子注的速度來實現(xiàn)放大功能的微波電子管。
發(fā)展歷史
1943年，物理學家R.康夫納在英國制出世界上第一只行波管，1947年美國物理學家J.皮爾斯發(fā)展了小信號理論，發(fā)表對行波管的理論分析，解決了正反饋問題，提高了管子的穩(wěn)定性。周期永磁聚焦系統(tǒng)的研究減小管子的重量和體積，同時制造工藝不斷發(fā)展成熟?，F(xiàn)代行波管已成為雷達、電子對抗、中繼通信、衛(wèi)星通信、電視直播衛(wèi)星、導航、遙感、遙控、遙測等電子設備的重要微波電子器件。行波管的特點是頻帶寬、增益高、動態(tài)范圍大和噪聲低。行波管頻帶寬度（頻帶高低兩端頻率之差/中心頻率）可達100%以上，增益在25～70分貝范圍內(nèi)，低噪聲行波管的噪聲系數(shù)最低可達1～2分貝。
特點
行波管具有寬頻帶和高增益的特點，其動態(tài)范圍大且噪聲低，適用于高頻率、寬頻帶、大功率領(lǐng)域。行波管頻帶寬度(頻帶高低兩端頻率之差/中心頻率)可達100%以上﹐增益在25～70分貝范圍內(nèi)﹐低噪聲行波管的噪聲系數(shù)最低可達1～2分貝。
分類
根據(jù)慢波結(jié)構(gòu)可分為螺旋線行波管、環(huán)桿行波管、耦合腔行波管等
根據(jù)功能可分為寬帶行波管、大功率行波管、雙模行波管、相位一致行波管、衛(wèi)星通信行波管、低噪聲行波管、調(diào)相行波管和儲頻行波管。
原理
行波管是依靠和電磁波同步的電子把能量交給電磁波而實現(xiàn)放大。在行波管中﹐電子注與慢波電路中的微波場發(fā)生相互作用。微波場沿著慢波電路向前行進。為了使電子注同微波場產(chǎn)生有效的相互作用﹐電子的直流運動速度應比沿慢波電路行進的微波場的相位傳播速度(相速度)略高﹐稱為同步條件。
輸入的微波信號在慢波電路建立起微弱的電磁場。電子注進入慢波電路相互作用區(qū)域以後﹐首先受到微波場的速度調(diào)制。電子在繼續(xù)向前運動時逐漸形成密度調(diào)制。對于同一個電子而言，和電磁波同步時，電子可以穩(wěn)定的處于減速場中而交出能量，大部分電子群聚于減速場中﹐而且電子在減速場滯留時間比較長。因此﹐電子注動能有一部分轉(zhuǎn)化為微波場的能量﹐從而使微波信號得到放大。在同步條件下﹐電子注與行進的微波場的這種相互作用沿著整個慢波電路連續(xù)進行。這是行波管與速調(diào)管在原理上的根本區(qū)別。
結(jié)構(gòu)
行波管剖視圖包括： (1)電子槍; (2)微波輸入; (3)磁鐵;(4)衰減器; (5)螺旋線; (6)微波輸出; (7)真空管; (8)收集極。行波管在結(jié)構(gòu)上可分為：電子槍﹑慢波電路﹑集中衰減器﹑能量耦合器﹑聚焦系統(tǒng)和收集極等部分。電子槍的作用是形成符合設計要求的電子注。聚焦系統(tǒng)使電子注保持所需形狀，保證電子注順利穿過慢波電路并與微波場發(fā)生有效的相互作用，最后由收集極接收電子注。待放大的微波信號經(jīng)輸入能量耦合器進入慢波電路，并沿慢波電路行進。電子與行進的微波場進行能量交換，使微波信號得到放大。放大后的微波信號經(jīng)輸出能量耦合器送至負載。
(1)電子槍：
電子槍可以產(chǎn)生一個具有所需尺寸和電流的電子束，并將它加速到比慢波結(jié)構(gòu)上行進的電磁波的像素稍快一些，以便和電磁場交換能量而實現(xiàn)放大。行波管常用的電子槍有皮爾斯平行流槍﹑皮爾斯會聚槍﹑高導流系數(shù)電子槍﹑陽控電子槍﹑柵控電子槍﹑無截獲柵控電子槍﹑低噪聲電子槍等。
以脈沖方式工作的行波管可以采用控制陰極電壓的方法來實現(xiàn)對電子注的調(diào)制﹐稱為陰控。陰控需要配備大功率調(diào)制器﹐設備笨重﹑復雜﹐而且耗電量大。用附加調(diào)制陽極對電子注進行控制﹐稱為陽控。陽控所需脈沖電壓也比較高。在陰極與陽極之間裝一個控制柵便構(gòu)成柵控電子槍。在這種情況下﹐僅用較低的脈沖電壓即可對電子注進行控制﹐因而能減小調(diào)制器體積﹑重量和耗電量。
在柵控電子槍中﹐控制柵約截獲電子注電流的10%。當行波管電子注功率較大時﹐控制柵耗散功率增大﹐致使柵極溫度升高﹑柵極電子發(fā)射增加﹑柵網(wǎng)變形甚至燒毀。為了解決這個問題﹐可以采用無截獲柵控電子槍。無截獲柵控電子槍是在控制柵與陰極之間設置陰影柵﹐陰影柵與陰極同電勢﹐結(jié)構(gòu)上與控制柵精確對準﹐從而使控制柵的截獲電流下降到總電流的千分之一以下。采用無截獲柵控電子槍不僅能提高柵控行波管的平均功率容量﹐而且能降低調(diào)制器的功率。
(2)聚焦系統(tǒng)
電子束從電子槍出來后還要穿過細長的慢波結(jié)構(gòu)，而且為了得到充分的能量交換還希望電子束要盡可能地靠近慢波結(jié)構(gòu)。電子束中電子帶負電荷，相互之間的斥力會使電子束很快發(fā)散而打到慢波結(jié)構(gòu)上去，從而失去將能量交給磁場的機會。因此，需要一個磁聚焦系統(tǒng)來約束電子束，使其能順利通過曼波結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)放大。聚焦系統(tǒng)使電子注保持所需形狀﹐保證電子注順利穿過慢波電路并與微波場發(fā)生有效的相互作用﹐最后由收集極接收電子注。待放大的微波信號經(jīng)輸入能量耦合器進入慢波電路﹐并沿慢波電路行進。電子與行進的微波場進行能量交換﹐使微波信號得到放大。放大后的微波信號經(jīng)輸出能量耦合器送至負載。
(3) 慢波電路
根據(jù)相對論，電子不可能被加速到光速。若不使電磁波的傳播速度慢下來，電磁波就會在電子旁邊高速向前飛去，電子一會兒處于正電場中被加速，一會兒處于負電場中被減速?？偟慕Y(jié)果是沒有明顯的加速或減速，也就是沒有明顯的能量交換，當然就不可能有放大。因此，必須使電磁波的相速度降到和電子速度基本相同，以使電子能和電磁波充分交換能量，放大信號。電子注的直流速度決定于行波管的工作電壓。行波管工作電壓為2.5千伏時﹐電子注直流速度約為自由空間電磁波速度(即光速)的10%﹔工作電壓為50千伏時﹐電子注直流速度約為自由空間電磁波速度的40%。為了使電子注同微波場產(chǎn)生有效的相互作用，微波場的相速應略低于上述電子注的直流速度。慢波結(jié)構(gòu)的任務就是使電磁波的相速降下來。
在選定的工作模式下﹐慢波電路主要的特性和參量有色散特性﹑耦合阻抗等。色散特性表示在慢波電路中傳播的微波場的相速度隨頻率變化的關(guān)系。用于寬頻帶行波管的慢波電路﹐在帶寬內(nèi)相速隨頻率的變化應盡量小﹐即色散較弱。這樣才能在整個頻帶寬度內(nèi)保證電子注與微波場相速之間的同步。耦合阻抗是表示電子注與微波場相互作用強弱的一個參量。耦合阻抗的量值越大﹐微波場與電子注的耦合越強﹐電子注與微波場之間的能量交換越充分。此外﹐在實際應用和生產(chǎn)中還要求慢波電路機械強度高﹑散熱性能好﹑結(jié)構(gòu)簡單﹑易于加工。
行波管常用的慢波電路有兩類﹕螺旋線型電路和耦合腔型電路。螺旋線型慢波電路包括螺旋線﹑環(huán)桿線﹑環(huán)圈線等。螺旋線結(jié)構(gòu)簡單﹑色散弱﹐因而頻帶寬﹐缺點是散熱能力差﹐工作電壓高時易產(chǎn)生返波振蕩。螺旋線多用于寬頻帶﹑中小功率行波管﹐工作帶寬可達100%以上﹐I波段(8～10吉赫)﹑J波段(10～20吉赫)的螺旋線行波管脈沖功率已達10KW。環(huán)桿線同螺旋線相比﹐耦合阻抗高﹑散熱能力強﹑機械強度好﹑不易發(fā)生返波振蕩﹐但色散較強。環(huán)桿線工作電壓在10～30KV﹐頻帶寬度為15%～20%﹐廣泛用于中功率行波管。環(huán)圈線抑制返波振蕩的性能較好﹐也已得到應用。
耦合腔型慢波電路包括休斯電路﹑三葉草電路等。它們的特點是機械強度高﹑散熱能力強﹐適用于大功率行波管﹐但帶寬比較窄。采用休斯電路的行波管﹐脈沖功率在1至幾百KW﹐頻帶寬度約10%。脈沖功率在500KW以上的行波管﹐多采用車軸草屬電路。此外﹐行波管中采用的慢波電路還有交叉指型慢波線(亦用于O型返波管)﹑曲折線﹑卡普線等。
(4)集中衰減器
輸入﹑輸出能量耦合器與慢波電路之間和慢波電路各部分之間﹐都應有良好的阻抗匹配。若阻抗匹配不佳，會造成電磁波反射，反射波引起反饋﹐會導致行波管內(nèi)出現(xiàn)寄生振蕩。為避免振蕩﹐需在慢波電路的一定位置上設置集中衰減器。集中衰減器由損耗涂層或損耗陶瓷片構(gòu)成。在集中衰減器處﹐反射波被吸收﹐可達到消除反饋抑制振湯的目的。雖然在集中衰減器中工作模式的微波場同樣也受到衰減﹐但電子注內(nèi)業(yè)已形成的密度調(diào)制將在下一段電路中重新建立起微波場。
(5)收集極
收集極是用來收集已經(jīng)和電磁場交換能量完畢的電子。電子注在完成同微波場的相互作用后從慢波電路射出，最后打在收集極上。由于這時電子仍然有很高的速度，打在收集極上時將轉(zhuǎn)化為熱量，因此熱耗散是收集極設計中的一個重要問題。為了提高效率，行波管經(jīng)常采用降壓收集極。
應用
脈沖行波管用于地面固定和移動式雷達﹑機載火控雷達﹑電子對抗設備等。脈沖功率在10千瓦至4兆瓦的行波管﹐帶寬為8%～30%﹔脈沖功率為5千瓦者﹐頻帶寬度可達67%﹔脈沖功率為1千瓦者﹐頻帶寬度可達 100%以上。大功率連續(xù)波行波管多用于衛(wèi)星通信地球站﹐在10吉赫下輸出功率可達14千瓦﹐38吉赫下達 1千瓦。多模行波管用于電子對抗系統(tǒng)﹐可在多種脈沖狀態(tài)和連續(xù)波狀態(tài)下工作。多模行波管的脈升比(脈沖功率/連續(xù)波功率)為3～12分貝。印制行波管和小型行波管體積小﹑重量輕﹑成本低﹐適合于用量大的場合﹐如相控陣雷達。空間行波管是空間應用的專用管型﹐特點是可靠性高﹑壽命長和效率高。通信衛(wèi)星和電視直播衛(wèi)星大多數(shù)采用行波管作發(fā)射管﹐壽命可達15年以上。
O型返波管 在行波管中﹐沿慢波電路傳輸?shù)哪芰苛鞯姆较蚺c電子運動方向相同﹐所以行波管是一種前向波放大管。在返波管中﹐沿慢波電路傳輸?shù)哪芰苛鞯姆较蚺c電子運\動方向相反。返波管有O型返波管和M型返波管兩大類。O型返波管又可按工作狀態(tài)分成振蕩管﹑放大管和變頻管三種﹐但僅有返波振蕩管獲得廣泛應用。因此﹐返波管通常指返波振蕩管。O型返波振蕩管的電子調(diào)諧范圍大﹐可達67%以上﹐其最高工作頻率可達1250吉赫﹐它是傳統(tǒng)微波管中能達到亞毫米波段的實用器件。O型返波振蕩管用于信號源﹑小功率振蕩器。
參考資料 >