行波管

1943年，物理學家R.康夫納在英國製出世界上第一隻行波管，1947年美國物理學家J.皮爾斯發展了小信號理論，發表對行波管的理論分析，解決了正反饋問題，提高了管子的穩定性。週期永磁聚焦系統的研究減小管子的重量和體積，同時製造工藝不斷髮展成熟。現代行波管已成為雷達、電子對抗、中繼通信、衞星通信、電視直播衞星、 導航、 遙感、遙控、遙測等電子設備的重要微波電子器件。行波管的特點是頻帶寬、增益高、動態範圍大和噪聲低。行波管頻帶寬度（頻帶高低兩端頻率之差/中心頻率）可達100%以上，增益在25～70分貝範圍內，低噪聲行波管的噪聲係數最低可達1～2分貝。

行波管具有寬頻帶和高增益的特點，其動態範圍大且噪聲低，適用於高頻率、寬頻帶、大功率領域。行波管頻帶寬度(頻帶高低兩端頻率之差/中心頻率)可達100%以上﹐增益在25～70分貝範圍內﹐低噪聲行波管的噪聲係數最低可達1～2分貝。

根據慢波結構可分為螺旋線行波管、環杆行波管、耦合腔行波管等

根據功能可分為寬帶行波管、大功率行波管、雙模行波管、相位一致行波管、衞星通信行波管、低噪聲行波管、調相行波管和儲頻行波管。

行波管是依靠和電磁波同步的電子把能量交給電磁波而實現放大。在行波管中﹐電子注與慢波電路中的微波場發生相互作用。微波場沿著慢波電路向前行進。為了使電子注同微波場產生有效的相互作用﹐電子的直流運動速度應比沿慢波電路行進的微波場的相位傳播速度(相速)略高﹐稱為同步條件。

輸入的微波信號在慢波電路建立起微弱的電磁場。電子注進入慢波電路相互作用區域以後﹐首先受到微波場的速度調製。電子在繼續向前運動時逐漸形成密度調製。對於同一個電子而言，和電磁波同步時，電子可以穩定的處於減速場中而交出能量，大部分電子羣聚於減速場中﹐而且電子在減速場滯留時間比較長。因此﹐電子注動能有一部分轉化為微波場的能量﹐從而使微波信號得到放大。在同步條件下﹐電子注與行進的微波場的這種相互作用沿著整個慢波電路連續進行。這是行波管與速調管在原理上的根本區別。 ^[1] 

行波管剖視圖包括： (1)電子槍; (2)微波輸入; (3)磁鐵;(4)衰減器; (5)螺旋線; (6)微波輸出; (7)真空管; (8)收集極。行波管在結構上可分為：電子槍﹑慢波電路﹑集中衰減器﹑能量耦合器﹑聚焦系統和收集極等部分。電子槍的作用是形成符合設計要求的電子注。聚焦系統使電子注保持所需形狀，保證電子注順利穿過慢波電路並與微波場發生有效的相互作用，最後由收集極接收電子注。待放大的微波信號經輸入能量耦合器進入慢波電路，並沿慢波電路行進。電子與行進的微波場進行能量交換，使微波信號得到放大。放大後的微波信號經輸出能量耦合器送至負載。 ^[1] 

(1)電子槍：

電子槍可以產生一個具有所需尺寸和電流的電子束，並將它加速到比慢波結構上行進的電磁波的像素稍快一些，以便和電磁場交換能量而實現放大。行波管常用的電子槍有皮爾斯平行流槍﹑皮爾斯會聚槍﹑高導流係數電子槍﹑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。

以脈衝方式工作的行波管可以採用控制陰極電壓的方法來實現對電子注的調製﹐稱為陰控。陰控需要配備大功率調製器﹐設備笨重﹑複雜﹐而且耗電量大。用附加調製陽極對電子注進行控制﹐稱為陽控。陽控所需脈衝電壓也比較高。在陰極與陽極之間裝一個控制柵便構成柵控電子槍。在這種情況下﹐僅用較低的脈衝電壓即可對電子注進行控制﹐因而能減小調製器體積﹑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%。當行波管電子注功率較大時﹐控制柵耗散功率增大﹐致使柵極温度升高﹑柵極電子發射增加﹑柵網變形甚至燒燬。為了解決這個問題﹐可以採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置陰影柵﹐陰影柵與陰極同電位﹐結構上與控制柵精確對準﹐從而使控制柵的截獲電流下降到總電流的千分之一以下。採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﹐而且能降低調製器的功率。

(2)聚焦系統

電子束從電子槍出來後還要穿過細長的慢波結構，而且為了得到充分的能量交換還希望電子束要儘可能地靠近慢波結構。電子束中電子帶負電荷，相互之間的斥力會使電子束很快發散而打到慢波結構上去，從而失去將能量交給磁場的機會。因此，需要一個磁聚焦系統來約束電子束，使其能順利通過曼波結構而實現放大。聚焦系統使電子注保持所需形狀﹐保證電子注順利穿過慢波電路並與微波場發生有效的相互作用﹐最後由收集極接收電子注。待放大的微波信號經輸入能量耦合器進入慢波電路﹐並沿慢波電路行進。電子與行進的微波場進行能量交換﹐使微波信號得到放大。放大後的微波信號經輸出能量耦合器送至負載。

(3) 慢波電路

根據相對論，電子不可能被加速到光速。若不使電磁波的傳播速度慢下來，電磁波就會在電子旁邊高速向前飛去，電子一會兒處於正電場中被加速，一會兒處於負電場中被減速。總的結果是沒有明顯的加速或減速，也就是沒有明顯的能量交換，當然就不可能有放大。因此，必須使電磁波的相速降到和電子速度基本相同，以使電子能和電磁波充分交換能量，放大信號。電子注的直流速度決定於行波管的工作電壓。行波管工作電壓為2.5千伏時﹐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﹐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產生有效的相互作用，微波場的相速應略低於上述電子注的直流速度。慢波結構的任務就是使電磁波的相速降下來。

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的相速隨頻率變化的關係。用於寬頻帶行波管的慢波電路﹐在頻帶寬度內相速隨頻率的變化應儘量小﹐即色散較弱。這樣才能在整個頻帶寬度內保證電子注與微波場相速之間的同步。耦合阻抗是表示電子注與微波場相互作用強弱的一個參量。耦合阻抗的量值越大﹐微波場與電子注的耦合越強﹐電子注與微波場之間的能量交換越充分。此外﹐在實際應用和生產中還要求慢波電路機械強度高﹑散熱性能好﹑結構簡單﹑易於加工。

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。螺旋線型慢波電路包括螺旋線﹑環杆線﹑環圈線等。螺旋線結構簡單﹑色散弱﹐因而頻帶寬﹐缺點是散熱能力差﹐工作電壓高時易產生返波振盪。螺旋線多用於寬頻帶﹑中小功率行波管﹐工作帶寬可達100%以上﹐I波段(8～10吉赫)﹑J波段(10～20吉赫)的螺旋線行波管脈衝功率已達10KW。環杆線同螺旋線相比﹐耦合阻抗高﹑散熱能力強﹑機械強度好﹑不易發生返波振盪﹐但色散較強。環杆線工作電壓在10～30KV﹐頻帶寬度為15%～20%﹐廣泛用於中功率行波管。環圈線抑制返波振盪的性能較好﹐也已得到應用。

耦合腔型慢波電路包括休斯電路﹑三葉草電路等。它們的特點是機械強度高﹑散熱能力強﹐適用於大功率行波管﹐但頻帶寬度比較窄。採用休斯電路的行波管﹐脈衝功率在1至幾百KW﹐頻帶寬度約10%。脈衝功率在500KW以上的行波管﹐多采用三葉草電路。此外﹐行波管中採用的慢波電路還有交叉指型慢波線(亦用於O型返波管)﹑曲折線﹑卡普線等。

(4)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﹐都應有良好的阻抗匹配。若阻抗匹配不佳，會造成電磁波反射，反射波引起反饋﹐會導致行波管內出現寄生振盪。為避免振盪﹐需在慢波電路的一定位置上設置集中衰減器。集中衰減器由損耗塗層或損耗陶瓷片構成。在集中衰減器處﹐反射波被吸收﹐可達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同樣也受到衰減﹐但電子注內業已形成的密度調製將在下一段電路中重新建立起微波場。

(5)收集極

收集極是用來收集已經和電磁場交換能量完畢的電子。電子注在完成同微波場的相互作用後從慢波電路射出，最後打在收集極上。由於這時電子仍然有很高的速度，打在收集極上時將轉化為熱量，因此熱耗散是收集極設計中的一個重要問題。為了提高效率，行波管經常採用降壓收集極。

脈衝行波管用於地面固定和移動式雷達﹑機載火控雷達﹑電子對抗設備等。脈衝功率在10千瓦至4兆瓦的行波管﹐頻帶寬度為8%～30%﹔脈衝功率為5千瓦者﹐頻帶寬度可達67%﹔脈衝功率為1千瓦者﹐頻帶寬度可達 100%以上。大功率連續波行波管多用於衞星通信地球站﹐在10吉赫下輸出功率可達14千瓦﹐38吉赫下達 1千瓦。多模行波管用於電子對抗系統﹐可在多種脈衝狀態和連續波狀態下工作。多模行波管的脈升比(脈衝功率/連續波功率)為3～12分貝。印製行波管和小型行波管體積小﹑重量輕﹑成本低﹐適合於用量大的場合﹐如相控陣雷達。空間行波管是空間應用的專用管型﹐特點是可靠性高﹑壽命長和效率高。通信衞星和電視直播衞星大多數採用行波管作發射管﹐壽命可達10年以上。

O型返波管 在行波管中﹐沿慢波電路傳輸的能量流的方向與電子運動方向相同﹐所以行波管是一種前向波放大管。在返波管中﹐沿慢波電路傳輸的能量流的方向與電子運\動方向相反。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分成振盪管﹑放大管和變頻管三種﹐但僅有返波振盪管獲得廣泛應用。因此﹐返波管通常指返波振湯管。O型返波振湯管的電子調諧範圍大﹐可達67%以上﹐其最高工作頻率可達1250吉赫﹐它是傳統微波管中能達到亞毫米波段的實用器件。O型返波振湯管用於信號源﹑小功率振湯器。