微波器件原理

1、1. 微波管参量：带宽、功率等的基本概念、分类带宽：是指微波振荡器或放大器在一定工作条件下，能满足一定技术指标要求的工作频率范围。分类：绝对带宽，相对带宽，增益带宽，功率带宽，效率带宽，瞬时带宽，调谐带宽，冷带宽，热带宽；功率：连续波状态的功率，脉冲状态的功率，平均功率2.平板间隙中的感应电流，感应电流的产生过程，渡越角，耦合系数等概念，电子与场的能量交换过程。 其中为当平板中没有从阴极飞向阳极的电子带只有外加电压时的电场电流是由电荷的变化产生的，因而外电路中的电流： 感应电流：，所以二极管电极外电路中流过的电流实际上是运动电荷在飞行过程中电极上感应电荷的变化引起的，成为感应电流。设注入间隙的

2、密度调制电子流为，为电流的直流分量，为电流的交变分量。选择间隙中间为坐标原点，为电子层通过点的时刻，认为电子以直流速度匀速通过间隙，则电子层到达处的时间为，层中的电荷为， 渡越角：电子在通过间隙的时间内密度调制的电子流变化的相位弧度数。：电子流与间隙的耦合系数：反映电子流与间隙电场相互作用程度的一个量能量交换过程：电子流进入间隙场，若电子流的运动方向与间隙的电场同向，则电子流速度减小，将能量交出，若和反向，则电子流受到加速，电子流吸收能量。3.微波管互作用条件，微波管常见类型、分类，以及各种管型的互作用条件。互作用条件：电子注只有在通过谐振腔的高频间隙时才与场发生相互作用（谐振腔型）；电子注在

3、通过慢波线的整个过程中与行波同步，始终发生相互作用（慢波线型）常见类型：谐振腔型和慢波线型分类：速调管，行波管，返波管，磁控管，回旋管速调管互作用条件：群聚电流基波分量最大时，电子注刚好通过输出高频间隙，即漂移管长度满足，能量交换过程自动完成，输出腔输出最大基波功率。行波管互作用条件：电子注直流速度略大于行波相速（）去，群聚中心及其两边的群聚电子将移入减速场区，电子交出能量多于获得能量，行波场得到放大。磁控管：通过相位聚焦和电子挑选，使有利电子与高频场互作用，不断地将位能转化成动能，然后对失去部分动能转化成高频场的能量。回旋管：必须使电子具有足够大的回旋速度横向能量。辐射场的频率必须略大于电子

4、回旋频率，即。必须有一定的互作用长度，以利于电子群聚及充分进行能量交换。4.速调管工作原理，分几部分，各部分起什么作用。工作原理：微波信号输入输入谐振腔，在高频间隙上产生高频交变电压，当从阴极发出的均匀的电子注通过间隙时，在高频电压正半周时，对通过的电子加速，负半周时对通过的电子减速，所以电子注在离开高频间隙时，速度已不再均匀，但它们之间的相对位置还来不及变化，该过程为速度调制；电子注离开间隙进入漂移管，由于偏移管是一个等电位空间，速度调制后的电子在漂移管中作惯性运动，引起速度不等的电子之间发生追赶现象，使电子注变得有稀有密，不均匀，该过程为密度调制。电子密集的区域称为群聚块，已群聚的电子注穿

5、过输出谐振腔时，在腔内建立起感应电流，并由此在输出高频间隙上形成高频电压，该电压又反过来作用在电子注上。输出腔离开输入腔距离的选择使得速度调制的电子注正好形成最强烈的群聚，群聚电子在输出腔感应电流产生减速场使电子受到减速，失去自己的部分能量交给高频场，使场放大。速调管分为以下几个部分：电子枪：产生密度均匀的电子注；高频结构（输入谐振腔，漂移管，输出谐振腔）电子注在高频系统中完成与高频场的能量交换，将自身的直流能量部分的交给高频场使微波信号得到放大；收集极：飞出高频结构的电子流最后打上收集极，并在收集极上以热能形式消耗掉剩余能量；聚焦系统：为了防止电子注因空间电荷力而扩散，聚焦系统可以使电子注保

6、持一定直径而不致打上高频系统；能量输入装置：输入高频交变电压，完成对电子注的速度调制；能量输出装置：输出放大后的高频场。5.速调管中速度调制的详细过程。微波信号输入输入谐振腔，在高频间隙上产生高频交变电压，当从阴极发出的均匀的电子注通过间隙时，在高频电压正半周时，对通过的电子加速，负半周时对通过的电子减速，所以电子注在离开高频间隙时，速度已不再均匀，但它们之间的相对位置还来不及变化，该过程为速度调制。6.速调管群聚参量表达式及物理意义。群聚参量： ：漂移管长度 物理意义：表示电子注的群聚能力，且是出现超越现象的临界值。7.电子群聚的相位图分析。群聚参量，这时相位图为一条直线，其斜率，当不存在调

7、制时，所有电子均以初速度运动，在间隔内进入漂移管的电子必定在相同时间间隔内离开漂移空间，电子注密度始终均匀，没有受到调制 ，相位图上的直线变成了曲线，曲线上各点的斜率不同，表明在不同时刻出发但在相同时间间隔内进入漂移空间的各批电子，在离开漂移空间时间间隔已不同即，且由曲线斜率可知，可分析得出，在附近，电子注密度增大，附近，电子注密度减小。当时，相位图上附近很小的内，由于曲线在处斜率为0，所以电子注将在无限小的间隔内离开漂移管。 ，曲线出现与横坐标有多处相交，即成为（）的多值函数，表示在漂移管中快电子赶上并超越了慢电子，出现了所谓超越现象。8.速调管最佳漂移长度的计算。群聚电流，由贝塞尔函数的值

8、与的关系可知，时，贝塞尔函数达到最大值，相应的基波电流也达到最大值，可见时，速调管达到最佳群聚状态 9.输出腔间隙中的能量交换过程。已群聚的电子注穿过输出谐振腔时，在腔内建立起感应电流，并因此在输出间隙上形成高频电压，该电压反过来又作用在电子注上，群聚的电子注是一个在方向上运动并穿过输出间隙，不会出现方向的变化，而只有幅值大小的周期变化。而间隙上的高频电压只有交变电压，所以在这种作用下，群聚的电子注出现了加速区和减速区，电子集中在高频场负半周交出能量，只要保证群聚电流基波分量最大时电子注刚好通过输出腔高频间隙，即漂移管有最佳漂移长度，能量交换过程自动完成，输出腔输出最大基波功率。10.周期结构

9、中的慢波特性，空间谐波概念，相位常数表达式及含义。 在周期结构慢波系统中，电磁波的传播也具有周期性，符合周期性定理，即弗洛奎定理该定理叙述为：在一给定频率下，对一确定的传输模式。沿周期系统传输的波在任一截面上的场分布与离该截面整数个周期处的场，只差一个复数常数，数学表达式：，为传播常数，为周期。 在周期系统中传播的波，由于结构的空间周期性，波的场分布也具有周期性，因而可以分解成无数个谐波，这些谐波就成为空间谐波。 相位常数，含义：波在媒质中进行单位长度时所引起的相位变化和弧度数。11.从周期结构和色散曲线出发，掌握前向波、返波、基波和高次谐波概念以及行波管、返波管的工作点选取。（正色散）前向波

10、：和同号成为前向波，时正常色散；时，异常色散返波：和异号（负色散）：异常色散基波：0次空间谐波又称为基波高次谐波：行波管，返波管工作点选取。12.周期结构中的相速，群速，耦合阻抗概念及各参量的意义。相速：各空间谐波具有不同的相速，即在传播相同距离后，各谐波变化的相位不同。群速：，同一模式的所有空间谐波群速相同，都等于基波群速。耦合阻抗：，表征慢波系统与电子注相互作用的有效程度。13.行波管组成部分，各部分的作用。电子枪：产生具有一定形状和电流强度的电子注，并将电子注加速到一定速度以便和慢波线上的电磁场交换能量。聚焦系统：用电磁场抵消电子注和空间电荷推斥力，约束电子注使其能顺利通过整个慢波系统而

11、不被截获。慢波结构：传输高频电磁行波并使电磁波的相速降到同步速度，慢波结构也是电磁场对电子注实现调制，而调制后的电子注交出直流能量放大高频场的机构。输入输出装置：通过输入输出装置将高频输入信号能量耦合到慢波线上和将已放大的高频信号能量耦合到输出回路上去。收集极：用来收集已经和电磁场换能完毕后的电子，这时电子速度仍然很大，打上收集极时将转化成热能耗散掉。14.行波管工作原理。电子注刚进入慢波线时，密度均匀，在运动坐标系中，随着时间的推移（假设），处在行波场正半周的电子由于和同向，而被减速，处于行波场负半周的电子由于和反向而被加速，而处于行波场零点的电子仍以匀速地与场一同前进。若，且电子注密度均匀

12、，这时处于减速场与处于加速场的电子同样多，前者向场交出能量，后者从场获得能量，交出与获得的相等，电子注与高频场没有净能量交换。若让电子注的直流速度略大于行波的相速（），则电子注整体将向前有一个附加的运动，群聚中心及其两边的群聚电子将逐渐移入减速区，处于减速场区的电子数就会多于处于加速场区的电子数，电子交出的能量多于获得的能量，出现了电子注与行波场之间的净能量交换，行波场的幅值得到放大。15、行波放大器件的相位空间图的理解。16、小信号增益的计算；行波管的自激振荡。，为慢波线对沿线增长的行波的损耗，称为增益参量，自激振荡：反射振荡，返波振荡，带边振荡。反射振荡原因：输入输出装置的不匹配产生的反射

13、；管内衰减器两端不匹配产生的反射；慢波线不均匀性引起的反射。引起振荡的条件：幅值条件，相位条件。反射振荡的抑制：集中衰减器；切断慢波线返波振荡：一个能速相反的电磁波所引起的振荡。防止：合理设计慢波线，使返波相速远离电子注速度和使返波耦合阻抗尽可能小。带边振荡：模式竞争引起的振荡。在上戒指频率处更容易发生。防止：先加高压再使阴极发射电流；在腔体涂覆高电阻金属。17.行波管与速调管工作原理比较。速度调制与密度调制，在行波管里是不可分的，是电子注在慢波线中行进时连续地同时进行的；而在速调管中是分开的，在输入高频间隙中完成速度调制，在漂移管中完成密度调制。电子注与场的互作用。在行波管中是沿整个慢波线分

14、布式的相互作用，而在速调管中是集中式的相互作用，集中在谐振腔高频间隙内进行互作用。高频场。行波管是行波场，而速调管是驻波场。高频结构。行波管的高频结构是慢波线，速调管是谐振腔。群聚中心。行波管群聚电流的中心是沿慢波线分布的高频加速场向减速场过度的零值点，即相位为0的点。而速调管中电子注的群聚中心是在高频场减速场向加速场过度的零时刻即相位为的点。18、线性注器件，正交场器件的特点。在结构上，O型器件中电子与高频场换能互作用由谐振腔或慢波线构成电子注在谐振腔或慢波线中运动时与高频场发生互作用并交换能量；M型的互作用区则由阳极与阴极构成，其阳极由专门的多腔系统组成，电子注必须在阴一阳极空间内运动并与

15、高频场进行能量交换；在磁场作用方面，O型器件中B与电子运动方向在同一轴线上，其作用是保持电子注的截面形状不散焦，而与电子能量交换过程无关；M型器件中，其直流B总是与直流E相垂直，并在电子运动和能量交换过程中必不可少，它不再是聚焦电子注手段。在能量交换机理上，O型中电子注首先在电子枪区被一次性地加速到某一直流速度，在互作用区以失去动能的形式向高频场交出能量，然后以较低的速度离开互作用，两者之间的速度差正是电子交给高频场的能量。M中电子在互作用区是以不断失去自己的位能的形式转变为高频能量的，并最终以接近同步速度的能量打上阴极（收集极）对O型来说，场、电子运动都在同一方向上，因而在本质上是一维；而M

16、型，基本上是二维的，电子在磁场力和电场力的作用下基本运动在磁场的垂直平面上。器件效率不同。O型中，能量由电子注向高频场的转换条件是在下进行的，电子效率决定于电子多于速度的多少；而M中，类似的能量交换则是在条件下进行的，电子效率取决于电子所有的位能，所有效率较O型要高。19、静态磁控管电子运动特点。静态磁控管平板系统中的电子运动方程为轮摆线方程，它表示一个半径为的圆沿垂直于电力线基线以角速度做没有滑动的滚动时，圆周上一点在平面内所描绘出的轨迹。它在向的平均漂移速度就是轮摆圆心的速度。20、磁控管工作模式、同步条件。工作模式：磁控管的工作模式几乎无例外地都选择模式，这是因为模式具有其他模式无法比拟

17、的优点：在相同工作磁场下，模式起振要求的阳压最低，而电压可调范围最宽；模式是非简并模式，工作稳定；在相同工作磁场下，振荡在模式时，磁控管的效率最高。同步条件：21、电子挑选，相位聚焦概念。相位聚焦：作用在电子上的直流场和高频场方向相反或相同时，会造成电子的漂移速度与运动坐标系的速度不等，相反时，相同时，这就使得这两种电子一种相对于坐标系左偏，一种相对于坐标系右偏移，从而使得这两种电子都向中间靠拢，改变了自己原来在高频场中的相位，而在中间位置上聚集，这种现象叫做相位聚焦。电子挑选：若电子受到高频场使角向的，方向为，则的合成场也向方向稍有倾斜，电场不再与阴极表面垂直。在正交电磁场中电子作轮摆运动，

18、轮摆圆是沿着与电场垂直的基线滚动的。现在合成场方向发生了倾斜，与其垂直的基线也相应发生了倾斜，这就使得电子在轮摆滚动不到一圈就打上阴极，并从互作用空间消失。该电子还没有回到出发时的零速度状态。因此它打上阴极时还有部分剩余动能，这部分能量消耗在了阴极上，形成正交场微波管中特有的电子回轰现象。但电子从阴极出发又回到了阴极，直流电场对它没有做功，所以它回轰阴极的能量是从高频场中获得的，所以该类电子不但不能向高频场交出能量，而且还要从高频场吸收能量回轰阴极，所以称为不利电子。但电子所受沿方向，其合成场向方向倾斜，导致基线发生倾斜。但该倾斜方向与前述电子刚好相反，这样将导致轮摆圆可以向阳极不断滚动，电子

19、位能越来越低，而电子本身的漂移速度基本没有改变，这样电子失去位能交给高频场，称这类电子为有利电子。不利电子回轰阴极，有利电子移向阳极，这种把不利电子和有利电子区分开的过程称为电子挑选。22、电子轮辐的形成过程。电子相位聚焦后，会以有利电子为中心向阳极运动的电子群，只有不利电子及其附近的电子回轰阴极。在达到稳定状态后，在相互作用空间就会形成以有利电子为中心的由阴极伸向阳极的电子轮辐。由于阳极板块上出现最大方向角向电场的次数等于模式号数n，所以在互作用空间就会存在n个轮辐，而且在阳极板块上n个缝隙口所出现的最大方向的高频场使相等的，因而每个轮辐的形状也相同。23、磁控管的换能机制以及与行波管的比较

20、。不利电子与高频场能量交换：由于不利电子所受的合成场使其还来不及完成一个轮摆周期，就回到了阴极表面，也即还没有回到基线，速度还没有降回到0就被阴极截获了，因此电子打上阴极时，将一部分动能消耗在了阴极上，这部分动能来自高频场对它的加速。.有利电子与高频场能量交换：有利电子处在向高频减速场中，因此它在做轮摆时，向速度要减小，这部分动能交给了高频场使得行波场得到增强，电子速度的降低导致磁场力降低，电子还没来得及回到原来的基线时速度就已经为0，电子在径向有了一定位移而不再回到阴极。这意味着电子失去一部分直流位能交给了高频场。电子在开始一个新的轮摆后，又以同样的情况再次失去一部分位能交给高频场。这样电子

21、不断从直流场中获得加速，将位能变成动能，在高频减速场中向高频场交出部分动能，速度降低，使电子的位能发生改变，失去了位能。电子就这样不断地将位能变成动能，又不断将动能交给高频场，然后又从直流场中以失去位能的形式补充动能，直至电子打上阳极。.比较：磁控管中电子群聚后，高频场改变的是电子沿基线轮摆的漂移速度而电子在角向的同步速度基本不变，且漂移速度与E和B均有关；行波管中，电子只有一种速度，因此高频场改变的是电子同步速度，它取决于加速电压。磁控管中电子不是一次性将全部位能转化成动能，而是每轮摆一次失去一部分位能，转化为动能交给高频场，经过多次轮摆才逐步失去全部位能；行波管中，电子则一次性从直流场中获

22、得全部动能，然后处在高频减速场中的电子不断失去其动能使得高频场得到增长。与此同时，电子的速度不断下降，渐渐偏离了与行波场的同步状态，就不可能再向高频场交出能量甚至可能落到加速场区，从高频场中吸取能量。行波管中电子必须维持与行波同步，而维持该同步速度的能量与电子向高频场交出的能量都来自于电子的同一个运动速度，因此电子能交给场的能量只能是超出同步速度的一小部分多出的能量。而磁控管中，电子与高频场的换能与维持同步是分开的，电子失去位能来向高频场交出能量，而此时，电子角向同步速度基本不变，由于电子位能要比同步速度对应的动能高得多，所以磁控管比行波管效率高得多。24、自激振荡条件以及各个电压的概念（磁控

23、管）自激振荡条件：门槛电压：开始出现阳极电流的阳极电压成为门槛电压，阳极电压高于，振荡就会形成，阳极电压低于，高频振荡无法稳定形成。特征电压：电子注与行波同步所需要的最低阳极电压，即电子擦过阳极表面全部位能变成角向速度时与行波同步的电压工作电压：使电子与场进行能量交换，且使磁控管起振的电压有一定的范围25、尺寸共度概念以及回旋管特点。尺寸共度：随着微波器件工作频率的不断提高，高频系统的尺寸越来越小，以致无法加工制造，所以高频系统尺寸与工作波长必须具有共度性。回旋管特点：回旋管用的电子枪是一种磁控注入枪；磁控注入枪是浸没在轴向收敛的磁场中的；在电子枪过渡区，收敛磁场具有绝热压缩作用。26、回旋管

24、中的电子枪，高频结构与其他微波管相比有何特点。回旋管中的电子枪是一种磁控注入枪，可分为三个区域：为枪区，为过渡区，为漂移区。回旋管磁控注入枪的一个最重要特点在于，它是浸没在轴向收敛的磁场中的，这也是它与普通O型磁控注入枪的本质区别，后者总是浸没在轴向均匀磁场中的。回旋管中的高频结构采用光滑波导，利用电子注与快波相互作用解决了普通微波器件中的困难。回旋管是利用电子回旋频率与电子相对论效应产生的相对论角向群聚达到换能的器件。27、回旋管工作过程，各阶段电子运动特点。工作过程：磁控注入电子枪产生环形空心电子注，由于存在纵向恒稳磁场，空心电子注中所有电子都围绕各自的中心回旋，以螺旋形的运动方式通过高频

25、互作用区。高频电路是一段光滑圆波导，波导内激励起H型波。当螺旋形电子注通过时，电子就与横向高频场作用，作用完毕后的电子在作用区末端打上波导壁，而高频功率则通过输出通道送至负载。各阶段电子运动的特点：枪区：电子回旋线速度，电子在角向的平均的漂移速度的同时，电子还有沿轴向的纵速度。过渡区：越来越强，开始出现，越来越弱，这时，减小，增大。漂移区：磁场开始趋于均匀，电子回旋运动十分强烈，而，仍存在，所以电子围绕着磁力线回旋前进。但由于空间电荷存在，电子注仍有一个微弱的角向漂移，在漂移区，电子最终以十分强烈的回旋运动，十分微小的角向漂移以及一定的纵向速度进入互作用区。28、相对论效应，同步条件，相对论角向群聚。相对论效应：当电子速度接近光速时，同步条件：电子回旋角频率；高频场变化角频率，相对论角向群聚。29、MIG枪的工作过程，绝热压缩过程以及在回旋管中的作用。MIG枪工作过程：枪是浸没在轴向收敛的磁场中的，且在过渡区，轴