行波管的工作原理[优质借鉴]

1、行波管行波管是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。在行波管中，电子注同慢波电路中行进的微波场发生相互作用在长达640个波长的慢波电路中电子注连续不断地把动能交给微波信号场从而使信号得到放大。简介：【中文词条】行波管 【外文词条】travelling-wave tube 【英文缩略】TWT 【作者】王直华 编辑本段发展历史1943年物理学家康夫纳R.在英国制出世界上第一只行波管1947 行波管年美国物理学家J.皮尔斯发表对行波管的理论分析。现代行波管已成为雷达电子对抗中继通信卫星通信电视直播卫星导航遥感遥控遥测等电子设备的重要微波电子器件。 编辑本段特点行波管的特点是频带宽增益高动

2、态范围大和噪声低。行波管频带宽度(频带高低两端频率之差/中心频率)可达100以上增益在2570分贝范围内低噪声行波管的噪声系数最低可达12分贝。 编辑本段原理在行波管中电子注与慢波电路中的微波场发生相互作用。微波场沿著慢波电路向前行进。为了使电子注同微波场产生有效的相互作用电子的直流运动速度应比沿慢波电路行进的微波场的相位传播速度(相速)略高称为同步条件。输入的微波信号在慢波电路建立起微弱的电磁场。电子注进入慢波电路相互作用区域以後首先受到微波场的速度调制。电子在继续向前运动时逐渐形成密度调制。大部分电子群聚于减速场中而且电子在减速场滞留时间比较长。因此电子注动能有一部分转化为微波场的能量从而

3、使微波信号得到放大。在同步条件下电子注与行进的微波场的这种相互作用沿著整个慢波电路连续进行。这是行波管与速调管在原理上的根本区别。 编辑本段结构行波管在结构上包括电子枪慢波电路集中衰减器能量 行波管耦合器聚焦系统和收集极等部分。 电子枪的作用是形成符合设计要求的电子注。 聚焦系统使电子注保持所需形状保证电子注顺利穿过慢波电路并与微波场发生有效的相互作用最後由收集极接收电子注。 待放大的微波信号经输入能量耦合器进入慢波电路并沿慢波电路行进。 电子与行进的微波场进行能量交换使微波信号得到放大。放大後的微波信号经输出能量耦合器送至负载。 电子枪行波管常用的电子枪有皮尔斯平行流枪皮尔斯会聚枪高导流系数

4、电子枪阳控电子枪栅控电子枪无截获栅控电子枪低噪声电子枪等。 以脉冲方式工作的行波管可以采用控制阴极电压的方法来实现对电子注的调制称为阴控。阴控需要配备大功率调制器设备笨重复杂而且耗电量大。用附加调制阳极对电子注进行控制称为阳控。阳控所需脉冲电压也比较高。在阴极与阳极之间装一个控制栅便构成栅控电子枪。在这种情况下仅用较低的脉冲电压即可对电子注进行控制因而能减小调制器体积重量和耗电量。 在栅控电子枪中控制栅约截获电子注电流的10。当行波管电子注功率较大时控制栅耗散功率增大致使栅极温度升高栅极电子发射增加栅网变形甚至烧毁。为了解决这个问题可以采用无截获栅控电子枪。无截获栅控电子枪是在控制栅与阴极之间

5、设置阴影栅阴影栅与阴极同电位结构上与控制栅精确对准从而使控制栅的截获电流下降到总电流的千分之一以下。采用无截获栅控电子枪不仅能提高栅控行波管的平均功率容量而且能降低调制器的功率。 聚焦系统行波管中常用的聚焦方法是均匀永磁聚焦倒向场聚焦周期永磁聚焦和均匀电磁聚焦(见强流电子光学)。 慢波电路电子注的直流速度决定于行波管的工作电压。行波管工作电压为2.5千伏时电子注直流速度约为自由空间电磁波速度(即光速)的10工作电压为50千伏时电子注直流速度约为自由空间电磁波速度的40。为了使电子注同微波场产生有效的相互作用微波场的相速应略低于上述电子注的直流速度。因此行波管中微波场的相速应显著低于自由空间中电

6、磁波传播速度。慢波电路就是减小微波场相速的装置。 在选定的工作模式下慢波电路主要的特性和参量有色散特性耦合阻抗等。色散特性表示在慢波电路中传播的微波场的相速随频率变化的关系。用于宽频带行波管的慢波电路在频带宽度内相速随频率的变化应尽量小即色散较弱。这样才能在整个频带宽度内保证电子注与微波场相速之间的同步。耦合阻抗是表示电子注与微波场相互作用强弱的一个参量。耦合阻抗的量值越大微波场与电子注的耦合越强电子注与微波场之间的能量交换越充分。此外在实际应用和生产中还要求慢波电路机械强度高散热性能好结构简单易于加工。 行波管常用的慢波电路有两类螺旋线型电路和耦合腔型电路(图3 行波管中常用的慢波电路 )。

7、螺旋线型慢波电路包括螺旋线环杆线环圈线等。螺旋线结构简单色散弱因而频带宽缺点是散热能力差工作电压高时易产生返波振汤。螺旋线多用于宽频带中小功率行波管工作带宽可达100以上I波段(810吉赫)J波段(1020吉赫)的螺旋线行波管脉冲功率已达10千瓦。环杆线同螺旋线相比耦合阻抗高散热能力强机械强度好不易发生返波振汤但色散较强。环杆线工作电压在1030千伏频带宽度为1520广泛用于中功率行波管。环圈线抑制返波振汤的性能较好也已得到应用。 耦合腔型慢波电路包括休斯电路三叶草电路等。它们的特点是机械强度高散热能力强适用于大功率行波管但频带宽度比较窄。采用休斯电路的行波管脉冲功率在1至几百千瓦频带宽度约1

8、0。脉冲功率在500千瓦以上的行波管多采用三叶草电路。此外行波管中采用的慢波电路还有交叉指型慢波线(亦用于O型返波管)曲折线卡普线等。 集中衰减器输入输出能量耦合器与慢波电路之间和慢波电路各部分之间都应有良好的阻抗匹配。匹配不佳会造成电磁波反射。反射波引起反馈会导致行波管内出现寄生振汤。为避免这种振汤须在慢波电路的一定位置上设置集中衰减器。集中衰减器由损耗涂层或损耗陶瓷片构成。在集中衰减器处反射波被吸收可达到消除反馈抑制振汤的目的。虽然在集中衰减器中工作模式的微波场同样也受到衰减但电子注内业已形成的密度调制将在下一段电路中重新建立起微波场。 收集极电子注在完成同微波场的相互作用後从慢波电路射出

9、最後打在收集极上。为了提高行波管的总效率可以采用降压收集极。 编辑本段应用脉冲行波管用于地面固定和移动式雷达机载火控雷达电子对抗设备等。脉冲功率在10千瓦至4兆瓦的行波管频带宽度为830脉冲功率为5千瓦者频带宽度可达67脉冲功率为1千瓦者频带宽度可达 100以上。大功率连续波行波管多用于卫星通信地球站在10吉赫下输出功率可达14千瓦38吉赫下达 1千瓦。多模行波管用于电子对抗系统可在多种脉冲状态和连续波状态下工作。多模行波管的脉升比(脉冲功率/连续波功率)为312分贝。印制行波管和小型行波管体积小重量轻成本低适合于用量大的场合如相控阵雷达。空间行波管是空间应用的专用管型特点是可靠性高寿命长和效率高。通信卫星和电视直播卫星大多数采用行波管作发射管寿命可达10年以上。 O型返波管 在行波管中沿慢波电路传输的能量流的方向与电子运动方向相同所以行波管是一种前向波放大管。在返波管中沿慢波电路传输的能量流的方向与电子运动方向相反。返波管有O型