行波管

　　【中文詞條】行波管
　　【外文詞條】travelling-wave tube
　　【作　者】王直華
　　靠連續(xù)調(diào)制電子注的速度來實(shí)現(xiàn)放大功能的微波電子管。
　　在行波管中﹐電子注同慢波電路中行進(jìn)的微波場(chǎng)發(fā)生相互作用﹐在長(zhǎng)達(dá)6～40個(gè)波長(zhǎng)的慢波電路中電子注連續(xù)不斷地把動(dòng)能交給微波信號(hào)場(chǎng)﹐從而使信號(hào)得到放大。
　　1943年﹐物理學(xué)家康夫納﹐R.在英國(guó)制出世界上第一只行波管﹐1947年美國(guó)物理學(xué)家J.皮爾斯發(fā)表對(duì)行波管的理論分析。現(xiàn)代行波管已成為雷達(dá)﹑電子對(duì)抗﹑中繼通信﹑衛(wèi)星通信﹑電視直播衛(wèi)星﹑導(dǎo)航﹑遙感﹑遙控﹑遙測(cè)等電子設(shè)備的重要微波電子器件。
　　行波管的特點(diǎn)是頻帶寬﹑增益高﹑動(dòng)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(dá)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(dá)1～2分貝。
　　行波管在結(jié)構(gòu)上包括電子槍﹑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(shè)計(jì)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(chǎng)發(fā)生有效的相互作用﹐最後由收集極接收電子注。
　　待放大的微波信號(hào)經(jīng)輸入能量耦合器進(jìn)入慢波電路﹐并沿慢波電路行進(jìn)。
　　電子與行進(jìn)的微波場(chǎng)進(jìn)行能量交換﹐使微波信號(hào)得到放大。放大後的微波信號(hào)經(jīng)輸出能量耦合器送至負(fù)載。
　　行波管原理 在行波管中﹐電子注與慢波電路中的微波場(chǎng)發(fā)生相互作用。微波場(chǎng)沿著慢波電路向前行進(jìn)。為了使電子注同微波場(chǎng)產(chǎn)生有效的相互作用﹐電子的直流運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)比沿慢波電路行進(jìn)的微波場(chǎng)的相位傳播速度(相速)略高﹐稱為同步條件。輸入的微波信號(hào)在慢波電路建立起微弱的電磁場(chǎng)。電子注進(jìn)入慢波電路相互作用區(qū)域以後﹐首先受到微波場(chǎng)的速度調(diào)制。電子在繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)逐漸形成密度調(diào)制。大部分電子群聚于減速場(chǎng)中﹐而且電子在減速場(chǎng)滯留時(shí)間比較長(zhǎng)。因此﹐電子注動(dòng)能有一部分轉(zhuǎn)化為微波場(chǎng)的能量﹐從而使微波信號(hào)得到放大。在同步條件下﹐電子注與行進(jìn)的微波場(chǎng)的這種相互作用沿著整個(gè)慢波電路連續(xù)進(jìn)行。這是行波管與速調(diào)管在原理上的根本區(qū)別。
　　電子槍 行波管常用的電子槍有皮爾斯平行流槍﹑皮爾斯會(huì)聚槍﹑高導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)備笨重﹑復(fù)雜﹐而且耗電量大。用附加調(diào)制陽極對(duì)電子注進(jìn)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(gè)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(duì)電子注進(jìn)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(dāng)行波管電子注功率較大時(shí)﹐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(gè)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(shè)置陰影柵﹐陰影柵與陰極同電位﹐結(jié)構(gòu)上與控制柵精確對(duì)準(zhǔn)﹐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。
　　聚焦系統(tǒng) 行波管中常用的聚焦方法是均勻永磁聚焦﹑倒向場(chǎng)聚焦﹑周期永磁聚焦和均勻電磁聚焦(見強(qiáng)流電子光學(xué))。
　　慢波電路 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(shí)﹐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(shí)﹐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(chǎng)產(chǎn)生有效的相互作用﹐微波場(chǎng)的相速應(yīng)略低于上述電子注的直流速度。因此﹐行波管中微波場(chǎng)的相速應(yīng)顯著低于自由空間中電磁波傳播速度。慢波電路就是減小微波場(chǎng)相速的裝置。
　　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(chǎng)的相速隨頻率變化的關(guān)系。用于寬頻帶行波管的慢波電路﹐在頻帶寬度內(nèi)相速隨頻率的變化應(yīng)盡量小﹐即色散較弱。這樣才能在整個(gè)頻帶寬度內(nèi)保證電子注與微波場(chǎng)相速之間的同步。耦合阻抗是表示電子注與微波場(chǎng)相互作用強(qiáng)弱的一個(gè)參量。耦合阻抗的量值越大﹐微波場(chǎng)與電子注的耦合越強(qiáng)﹐電子注與微波場(chǎng)之間的能量交換越充分。此外﹐在實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)中還要求慢波電路機(jī)械強(qiáng)度高﹑散熱性能好﹑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(圖3 行波管中常用的慢波電路 )。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(jiǎn)單﹑色散弱﹐因而頻帶寬﹐缺點(diǎn)是散熱能力差﹐工作電壓高時(shí)易產(chǎn)生返波振湯。螺旋線多用于寬頻帶﹑中小功率行波管﹐工作帶寬可達(dá)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(dá)10千瓦。環(huán)桿線同螺旋線相比﹐耦合阻抗高﹑散熱能力強(qiáng)﹑機(jī)械強(qiáng)度好﹑不易發(fā)生返波振湯﹐但色散較強(qiáng)。環(huán)桿線工作電壓在10～30千伏﹐頻帶寬度為15％～20％﹐廣泛用于中功率行波管。環(huán)圈線抑制返波振湯的性能較好﹐也已得到應(yīng)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(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高﹑散熱能力強(qiáng)﹐適用于大功率行波管﹐但頻帶寬度比較窄。采用休斯電路的行波管﹐脈沖功率在1至幾百千瓦﹐頻帶寬度約10％。脈沖功率在500千瓦以上的行波管﹐多采用三葉草電路。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。
　　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(yīng)有良好的阻抗匹配。匹配不佳會(huì)造成電磁波反射。反射波引起反饋﹐會(huì)導(dǎo)致行波管內(nèi)出現(xiàn)寄生振湯。為避免這種振湯﹐須在慢波電路的一定位置上設(shè)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(dá)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(chǎng)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(chǎng)。
　　收集極 電子注在完成同微波場(chǎng)的相互作用後從慢波電路射出﹐最後打在收集極上。為了提高行波管的總效率﹐可以采用降壓收集極。
　　行波管的應(yīng)用 脈沖行波管用于地面固定和移動(dòng)式雷達(dá)﹑機(jī)載火控雷達(dá)﹑電子對(duì)抗設(shè)備等。脈沖功率在10千瓦至4兆瓦的行波管﹐頻帶寬度為8％～30％﹔脈沖功率為5千瓦者﹐頻帶寬度可達(dá)67％﹔脈沖功率為1千瓦者﹐頻帶寬度可達(dá) 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(dá)14千瓦﹐38吉赫下達(dá) 1千瓦。多模行波管用于電子對(duì)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(chǎng)合﹐如相控陣?yán)走_(dá)�？臻g行波管是空間應(yīng)用的專用管型﹐特點(diǎn)是可靠性高﹑壽命長(zhǎng)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(dá)10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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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)分成振湯管﹑放大管和變頻管三種﹐但僅有返波振湯管獲得廣泛應(yīng)用。因此﹐返波管通常指返波振湯管。O型返波振湯管的電子調(diào)諧范圍大﹐可達(dá)67％以上﹐其最高工作頻率可達(dá)1250吉赫﹐它是傳統(tǒng)微波管中能達(dá)到亞毫米波段的實(shí)用器件。O型返波振湯管用于信號(hào)源﹑小功率振湯器。

• 通信詞典解釋