相對論返波管

返波是指相速與羣速方向相反的慢電磁波，利用返波進行與電子注相互作用，從而形成高頻自激振盪的器件就是返波管。

一個器件要實現自激振盪的條件是在器件的輸出端與輸入端之間要存在反饋，通過反饋迴路將輸出的一小部分能量反饋到輸入端作為輸入信號，從而維持振盪繼續進行下去。返波管並沒有外部的反饋迴路，它是利用器件內部的反饋來實現自激振盪的。因此，必須首先了解返波管內部的反饋機制。其實不難發現，在傳統行波管內部，除了慢波線可以是電磁波的一條傳輸路線外，電子注本身也是一條傳輸線，這是因為受到高頻場作用後的電子注會形成速度調製並轉而成為密度調製，這種密度調製表現為空間電荷的不均勻分佈，由於這種不均勻分佈出現了空間電荷力，其結果引起電子注的波動過程，成為空間電荷波。可以證明，空間電荷波的相速度接近於電子注的速度，而其羣速度等於電子注速度，而且相速與羣速度總是同方向的，也就是説它總是正色散的 ^[1]  。

這樣一來，既然在電子注中的空間電荷波能量（羣速）的傳播方向只能是電子注的運動方向，那麼為了實現自激振盪需要一個反饋迴路時，就只能要求在慢波線上的電磁波的能量必須在與電子注運動相反的方向上傳播。但是另一方面，為了實現電子注與高頻行波場的有效相互作用，以便電子注將能量交給高頻場使之放大，行波管理論説明，應要求電子注與行波場相速同步。可見，自激振盪的實現對在慢波線上傳播的高頻行波提出了這樣的要求：為了與電子注同步以交換能量，其相速應與電子注運動方向相同；而為了形成反饋電路以產生能量反饋實現自激，其能量傳播方向即羣速方向又必須與電子注運動方向相反，這一要求就意味着慢波線必須具有負色散特性，也就是在它上面傳輸的慢波必須是返波，這樣的行波管振盪器就稱為返波管。

利用返波管形成器件內部的反饋，從而實現自激振盪，這就是返波管的基本工作原理。而且這種反饋是內在的、必然存在的。在返波管中，電子注從電子槍端向收集極端運動，與慢波同步發生相互作用，不斷把能量交給慢波線上是行波場，使場得到增長；慢波線上的行波是返波，其能量則由收集極端向電子槍端傳輸，同時又不斷調製電子注，實質上也就是不斷將一部分能量反饋給電子注，使電子注的交變分量不斷增強，從而在慢波線上激勵起更強的行波場。電子注除了起到能量供給者的作用外，同時還起着反饋迴路中一環的作用；而慢波線作為電磁波的傳輸系統則是反饋迴路的另一環。

相對論返波管的工作原理與傳統返波管相同，強流相對論電子束與慢波系統中的返波空間諧波相互作用，由於返波的相速與羣速方向相反，因此，產生的微波振盪應該在，慢波線的電子槍端輸出。但在相對論返波管中，慢波線上遊（靠電子槍端）設置有一段截止波導或一個反射腔，使微波能量不再像傳統返波管一樣在慢波線上遊端輸出，而是被反射後仍在慢波線下游端（靠收集極端）輸出。

圖1-1和圖1-2分別給出了利用截止波導和布拉格反射腔的相對論返波管結構示意圖。

相對論返波管由於其高功率、高效率和適合重複頻率工作等特點而受到人們的重視，它是輸出功率能夠超出10GW以及在GW量級功率電平上能夠實現100Hz~200Hz重複頻率運行的少數高功率微波器件之一，因而在高功率微波技術中佔有重要地位。

提高相對論返波管效率的方法可以是增加慢波結構輸出段的波紋深度可以提高耦合阻抗；也可以同時使引導磁場在輸出段沿軸向逐漸降低，使電子束更靠近慢波線內壁，進一步增加束波之間的耦合；還可以改變慢波結構的週期以逐漸降低波的相速，以保持與因不斷使去動能而速度下降的電子束之間的同步。理論和實驗都證明，這些措施可以使相對論返波管的效率從15%提高到45%，甚至65%以上 ^[1]  。

在返波管中，慢波線的電子槍端微波場最強，因而截止波導由於半徑相對較小最易引起高頻擊穿。為了避免這一現象的發生，人們提出可以用一個稱為布拉格腔或布拉格反射器的諧振腔來代替截止波導（圖1-2）。該諧振腔對相對論返波管的工作模式（通常為TM₀₁模）產生反射而在腔中激勵起另外的模式，如TM₀₂模，該模式還可以起到對電子束進行預調製的作用。

在相對論返波管中填充等離子體可以提高束波轉換效率也已被實驗所證實，在束流為70A~200A時，填充等離子體可使返波管的效率從20%提高到40%；將束流提高到2000A時，效率從5%提高到40%。

相對論返波管具有可以寬帶調諧、譜線窄、功率大、效率高的特點，使它適合於雷達及電子干擾等應用，也可以作其他高功率微波放大器的推動源。