微波电真空器件概述.pptx

微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 第一章微波电真空器件概论 主讲人 段兆云教授E mail zhyduan 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 目录 1 1微波电真空器件的发展 1 2微波管的主要参量 1 3微波真空器件中的电子注 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 目录 1 1微波电真空器件的发展 1 2微波管的主要参量 1 3微波真空器件中的电子注 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 1微波电真空器件的发展 1 定义 利用带电粒子在电极间的运动过程从而实现微波信号的产生或放大的一种电子系统 微波电真空器件 0 1 30GHz微波30 300GHz300 3000GHzTHz0 1 10THz 广义 0 3 3THz 狭义 毫米波或亚 sub 毫米波 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 1微波电真空器件的发展 2 普通电子管 如二极管 三极管 四极管 五极管等就目前情况几乎全部被固态器件所取代 静电控制原理 p307 3 微波电真空器件 动态控制原理 是从普通电子管的基础发展起来的 普通电子管微波频段限制 a 电子渡越时间的限制 电子渡越时间 电子从一个电极运动到另一个电极所需的时间 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 1微波电真空器件的发展 当信号频率不是很高时 阳极上所加信号电压的周期比长得多 因而 电子在行进过程中所感受到的阳极电压可以认为是稳定的 b 振荡系统的限制当Microwave这样 电子管的极间电容和引线电感就可以与它们相比拟甚至超过它们了 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 1微波电真空器件的发展 c 普通电子管的集肤损耗 介质损耗增加 效率降低等等 从而普通电子管不可能正常工作在微波频段 以二极管为例 当与可以比拟时 i 对于二极管而言 电子在从阴极向阳极飞越的过程中 阳极电压已经发生了变化 甚至从正半周变为了负半周 会阻止电子继续向阳极飞行 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 1微波电真空器件的发展 显然二分三次方定律不再成立 阳极电流不再能反映阳极电压的变化 ii 对于三极管而言 阳极电流不再反映加在栅极上的信号电压 换言之 栅极电压失去了对阳极电流的控制作用 4 微波电子管的发展1883年 爱迪生 Edison 在研究白炽灯泡时 观察到电子在真空中可以从一个电极向另一个电极运动 奠定基础 USA 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 1微波电真空器件的发展 1895年洛伦兹 Lorentz 假定存在单个的电子 TheNetherlands 1897年汤姆森 J J Thomson 在实验上证实了电子的存在 UK 1904年弗莱明 Fleming 发明了第一只电子管 检波二极管 USA 1906年福来斯特 Forest 发明了三极管 Germany 1924年霍尔 A W Hull Phys Rev 1921 发明了磁控管 1939年英国人发明了高功率微波谐振腔磁控管 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 1微波电真空器件的发展 1937年瓦里安兄弟 VarianBrothers StanfordUniversity Hansen 发明了速调管 Klystron 1943年康夫纳尔发明了TWT O 型器件应用于 Kompfner 建议BWOPierce BellLAB1952年出版论文 法国C S FLab 现在的Thales公司 1952年TWT被用于曼彻斯特至爱丁堡的中继通信系统中 1958年Twiss提出了电子回旋谐振受激辐射的机理 1965年美国学者从实验上证实了上述机理 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 1微波电真空器件的发展 前苏联学者首次做了管子 Gyrotron Gyro devices 1960年左右 Gaponov等 1965年前苏联学者F S RusinandG D Bogomolov发明了Orotron 1973年日本学者K MizunoandS Ono发明了Ledatron THzSource 基于Smith Purcelleffect 1970s FEL StanfordUniv J Madey教授 1977年 正交场器件如前向波放大器 CFA M型BWO 1951 等又称为 M 型器件相继出现 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 1微波电真空器件的发展 讨论谈谈半导体功率器件与电真空器件的比较 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 目录 1 1微波电真空器件的发展 1 2微波管的主要参量 1 3微波真空器件中的电子注 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 目录 1 1微波电真空器件的发展 1 2微波管的主要参量 1 3微波真空器件中的电子注 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 2微波管的主要参量 1 Gain a 小信号增益 线性增益 b 饱和增益 c 额定功率增益 在规定的输出功率下测得的Gain dB 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 2微波管的主要参量 2 B W Bandwidth 一般的定义 a 绝对带宽 b 相对带宽 c 倍频程 n个倍频程带宽 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 2微波管的主要参量 以技术指标定义的B W a 增益带宽 1 5dB 3dB b 功率带宽 1 5dB 3dB c 效率带宽 以工作状态定义的B W a 瞬时带宽 是指不改变微波管的工作状态 高频结构尺寸 电流 电压等时微波放大器工作时的带宽 放大器 b 调谐带宽 又称之为调谐范围 振荡管 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 2微波管的主要参量 根据有无电子注时的B W a 冷带宽 指高频结构本身的某一通频带范围 或者指能满足相速基本不变 没有统一的定义 的频率范围 b 热带宽 器件正常工作时的带宽 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 2微波管的主要参量 3 功率 a 连续波状态的功率 调制信号若干周期内的微波功率 的平均值 n 求平均功率所取的周期数 T 调制信号周期 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 2微波管的主要参量 b 脉冲状态下的功率 峰值功率 是指调制脉冲峰值点的功率 负载电阻 调制脉冲在恒定负载电阻R两端的峰值电压 脉冲功率 指在一个调制脉冲的持续时间内微波功率的平均值 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 2微波管的主要参量 平均功率 Pp 脉冲功率 称为占空比 图1 7重复脉冲的平均功率 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 2微波管的主要参量 c 功率单位 W MW kW GW dB dBm m 1mW dBW W 1W 4 efficiency Pout为微波管的微波输出功率 P0为供给电极的直流功率 P0为所有电极电源消耗的总功率 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 2微波管的主要参量 严格地讲 P0 各电极电源消耗的功率Pf 灯丝加热功率 Pm 电磁铁电源消耗的功率 Pcl 冷却系统的电源消耗的功率 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 2微波管的主要参量 电子效率 Pe 高频场得到的功率 I0V0 电子注的直流功率 线路效率 习惯上 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 目录 1 1微波电真空器件的发展 1 2微波管的主要参量 1 3微波真空器件中的电子注 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 目录 1 1微波电真空器件的发展 1 2微波管的主要参量 1 3微波真空器件中的电子注 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 1微波电真空器件的主要组成部分电子枪高频系统聚焦系统收集极输入输出装置 输能装置 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统电子枪 Definition 产生电子注并赋予电子注直流能量的机构 组成 阴极 cathode 聚焦极 阳极 anode 热子 所谓的热子就是加热阴极用的灯丝 这样形成的电子枪称之为热阴极电子枪 另外 我们常说的冷阴极电子枪就是采用场致发射阴极的电子枪 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统电子枪 工作机理 阴极的发射都是受阳极电压或控制极电压的控制的 或者更确切地说 是受阴极表面的电场来控制的 这种控制状态称为空间电荷限制状态 与此对应的阴极发射还有另一种状态 温度限制状态 较少很用 表征电子枪的参量之一 导流系数 perveance 微朴 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统它仅由电子枪的结构 geometry 决定 其中 I 阴极发射电流 发射电流密度 V 阳极电压 聚焦极一般与阴极同电位 它的作用是限制和压缩电子注 使之初步形成一定形状的电子注 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统电子枪 阳极加有正高压 其作用是使阴极获得足够的电流发射并对发射电流加速 过渡区 电子注在此区间最终成形 已达到所要求的电子注的注入条件 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统电子枪 表征电子注特征的物理量 1 电压 2 电流 3 电子注半径 注腰半径 4 层流性 电子注的速度离散 特点 层流运动 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统电子枪的类型 1 轴对称收敛型电子枪 focusingelectrode 使用最广 圆状型或圆环型的电子注的产生 TWT BWO O型器件中阳控枪 栅控枪 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统电子枪 图1 9会聚枪的设计思想与实际结构示意图 a 设计思想 b 台阶形聚束枪 c 圆筒形聚束枪 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统电子枪 2 M型电子枪 应用于M型器件中 图1 10M型电子枪的两种结构形式 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统电子枪 3 磁控注入电子枪 较低的电压 几十kV 获得较大的电流 即导流系数提高 用于Gyro devices中 特点 回旋运动 图1 11磁控注入枪的结构示意图 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统聚焦系统 a 均匀磁场聚焦系统 solenoid 空间电荷排斥力vr F v vr螺旋管 电磁铁和永久磁铁均匀磁场优点 对于螺旋管而言结构简单 易于调节 对于电磁铁而言 能产生较强的磁场 缺点 体积大 重量重 要消耗较大功率 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统聚焦系统 b PPM工作原理 利用磁场聚焦力来抵消电子注内的空间电荷力 使两者达到平衡 从而使电子沿磁力线运动 PPM periodicpermanentmagnets 以周期性分布的磁场来代替均匀磁场聚焦系统中方向一致 强度接近均匀的磁场分布 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统聚焦系统 图1 12周期永磁聚焦系统结构 优点 体积小 重量轻 不消耗功率 易于实现包装式结构 缺点 工作温度范围受限制 噪声高 电子注存在波动 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统聚焦系统PPM聚焦电子注的基本工作原理 在a点 Br vz 角向心力 方向 产生一个v 速度 由于空间电荷斥力和旋转运动的离心力 电子将向外扩散 存在vr 与此同时 电子继续以vz前进 此外 在a点磁场有Bz v r方向 即电子受到一个向心力 产生 vr速度 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统聚焦系统PPM聚焦电子注的基本工作原理 当电子离开a点 Br的模减小 Bz的模增大 整体上看电子注有被聚焦的趋势 当电子到达a b中间时 Bz达到最大 Br 0 因而 vr达到最大 使电子受到的向心力完全抵消排斥力和离心力 电子注截面形状得以恢复 电子离开a b点中间继续向b点前进时 BrBr 角向心力反号 从而使得v 减小 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统聚焦系统PPM聚焦电子注的基本工作原理 与此同时 Bz Br 向心力减小 电子所受的空间电荷力超过向心力 电子注开始发散 到达b c的中点时 Br最大 v 0 电子的径向扩散最大 电子越过b c中点到达c点 这种情况与a点类似 只是电子作圆周运动的方向改变了 请大家自行分析 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统聚焦系统小结 在PPM中 电子注反复地左旋和右旋 其直径有规则的周期性波动 c 静电聚焦系统利用静电场产生的会聚力 比如静电透镜 来平衡电子注的空间发散力从而实现电子注聚焦的系统 目前已极少使用 微波电真空器件国家级重点实验室 电子科技大学物理电子学院 1 3微波真空器件中的电子注 1 3 2简介电子光学系统降压收集极 DepressedCollector 1 功能 a 提高整管效率 b