速调管.ppt

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1、第2章 速调管,2.1 引言 速调管是用电子流做媒质，利用电子渡越时间效应，以对电子注的速度调制并转为密度调制为基本原理，将电子注直流能量转换成高频能量的一种装置。它分为速调管放大器和速调管振荡器，本章叙述速调管放大器，通常称为速调管。,图2.1给出了一支典型的大功率速调管的实物照片， 这类管子的输出功率之大，是现有微波管中之最。脉冲输出功率可达百余兆瓦，平均功率可达兆瓦级。整管体积也比较大，长度从十几厘米到几米。主要用来作为各种发送设备的末级功率放大用。由于它的重要作用，人们称它为整机的心脏。,速调管的功率潜力，无论是脉冲功率还是平均功率，都超过了其它类型的微波管，图2.2给出了几种微波管的

2、功率比较。,目前，在功率电平上，S波段速调管在窄脉冲宽度下已达到150MW的峰值功率输出。连续波管，X波段输出功率达800kW，C波段输出功率达1.2MW。MW级单注速调管的频带宽度可达10%。多注速调管在十千瓦至百千瓦级输出功率电平下，频带宽度在10%以上。速调管的增益也是所有微波管中最高的，在窄带下，可达80dB的稳定增益。,目前，已发展了多种类型的速调管。根据不同的使用条件及结构特点，人们常将速调管分为下列类型： （1）按管子的电子注数，分为单注速调管和多注速调管； （2）按工作方式，分为脉冲速调管和连续波速调管； （3）按聚焦方式，分为电磁聚焦、永磁聚焦、静电聚焦 和空间电荷聚焦速调管

3、；,（4）就其结构特点，分为内腔、外腔速调管以及某种特殊结构的复合管（行波速调管和分布作用速调管等）。 有时还以谐振腔的数目、电子注的调制方式、工作波段和某些特性冠以速调管的名称以突出它的结构或性能特点。,在阐述速调管放大器工作原理时，通常采用两种理论，即空间电荷波理论和运动学理论。 空间电荷波理论是将电子注视为连续的“介质”波的概念来研究，电子注受到干扰时，在电子注中激励起沿电子注传播的波，称为空间电荷波，以波的概念描述电子的运动状态。,运动学理论是将电子视为荷电质点来研究，用运动学理论描述电子在磁场中的运动过程。其优点是可给出清晰的电子速度调制转变为密度调制及群聚形成的物理图像。本文采用运

4、动学理论阐述电子的群聚过程及速调管基本工作原理。,2.2 双腔速调管 2.2.1 双腔速调管中电子注的密度调制 如前所述，普通三极管当工作频率提高到微波波段时，由于三极管极间电容和引线电感变得与外电路可比拟，电子的惯性变得不可忽略，也就是说电子在电极间的渡越时间达到和高频周期相比拟等原因，致使管子不能正常工作，甚至失去放大作用。,采用空腔谐振器来代替普通的振荡回路，电极成为谐振腔电容部分，外部为电感部分，便构成了微波三极管，图2.3（a）示出了微波三极管示意图。,上述的改进并没有克服电子惯性的影响，减小电极间距离和增大电子速度都可减小电子渡越时间，但前者会给制造工艺带来困难，甚至难以实现。因而

5、，用提高电子速度的方法来减小电子渡越时间，将图2.3（a）变成图2.3（b）所示的变型管示意图。,我们将图2.3（b）变换成如图2.4所示的速调管的谐振腔和漂移管，它也称为高频作用系统。它用由金属壁构成的空腔谐振器和既不存在直流电场也不存在交流电场的一段金属圆管组成。,当速度vo的电子注穿过具有外加调制电压U(t)=sinwt的谐振腔间隙时，由于电子在穿越间隙的过程中，间隙的电压不断变化，电子的动能也随之发生变化，穿出间隙后的电子速度就各不相同了，电子注受到了速度调制。,电子再进入无电场的漂移管中按惯性运动，速度快的电子赶上出发早但速度慢的电子，而速度慢的电子则逐渐落后于保持速度不变的电子，从

6、而形成了电子注的密度调制，建立起疏密不均的电子注。电子密集的区域称为群聚块，电子由速度调制变到密度调制的过程称为群聚。这便是速调管的最基本的理论基础。,图2.5是漂移空间电子的群聚示意图，称为电子空间时间图。表示了电子的空间和时间的群聚过程。,2.2.2 密度调制电子注与高频场的互作用 在速调管中，图2.6（a）示出了谐振腔的示意图，可等效成图2.6（b）所示的集中参量的高频电路。,图2.7所示的描述双腔速调管工作过程的示意图。双腔速调管工作过程如下：,从阴极发射出的电子，经过电子枪的聚焦极和阳极的作用形成均匀的电子注，穿过输入腔及输出腔后打到收集级上。当有高频信号馈送到输入腔中时，将在输入腔

7、中激起高频振荡，在腔间隙上建立起高频电场。电子注穿过隙缝时便受到高频场的作用，在正半周穿过间隙的电子被加速，而负半周穿过的电子被减速，即电子速度受到调制，速度不再均匀，变得有快有慢。随后进入无电场区的漂移管中，快电子逐渐赶上慢电子，电子注形成群聚，即由速度调制变成了密度调制。,已群聚的电子注穿过输出腔间隙时，就在腔内激起感应电流，如果输出腔也调到输入信号频率上，就会谐振起来并在间隙上建立起很强的高频场。电子块在感应电压的负半周通过间隙，被减速使动能减小，其余电子在正半周穿过间隙被加速，吸收了部分高频能量。总的来说，群聚电子注失去的能量比获得的多，两者之差即转变为高频场能量，大部分能量耦合装置传

8、输给波导馈送给负载。 在上述过程中，电子注穿过输出腔后打到收集极上，将电子注的剩余能量转化为热能。,2.2.3多腔速调管的工作原理 双腔速调管的增益和效率都很有限，为了进一步改进管子的特性,便采用了多腔速调管。为了提高管子的增益，可以将两个双腔速调管串联起来，组成一个如图2.8（a）所示的级联放大器，但结构复杂。实际的多腔速调管是将第一支双腔速调管的输出腔与第二支双腔速调管的输入腔合并，共用一个电子注，,组成如图2.8（b）所示的三腔速调管，这样使其结构简化了，使用也方便了。三腔速调管的工作过程与双腔速调管基本相同,2.2.4速调管的结构,多腔速调管是一种全金属陶瓷结构的高真空密封管。,图2.

9、9示出一支典型的多腔速调管结构示意图。 它由三部分组成： 电子枪，是电子注发射源，包括阴极、聚焦极及热子； 高频系统，包括输入装置、谐振腔、漂移管及输出装置； 收集极。输入输出装置包括能量耦合元件、真空密封窗以及输入、输出接口。谐振腔内装有调谐元件，腔体外装有调谐机构，用来改变整管频率。,2.3速调管的组成 2.3.1电子枪 1）皮尔斯电子枪 电子注是由电子枪产生的。图2.10示出了由两个同心圆球面组成的系统，内球面相对于外球面有正电压U，而外球的内表面具有发射电子能力的话，就构成一个球形二极管，外球为阴极，内球则为阳极。其间的电流I、电压U关系为I=KU3/2，式中，K为几何形状参数。,电子

10、枪的主要参数由导流系数、电子注最小半径rmin及最小注半径处距阳极面的距离Zmin来描述，如图2.11（a）所示。图2.11（b）示出圆柱形电子枪的典型结构图。,2）栅控电子枪 在脉冲工作状态下，为了控制阴极电流发射，虽然可以用阳极调制，但更为方便和有效的办法是采用栅极控制。所谓栅极控制就是在上面所叙述的电子枪基础上再在阴极前面加一个栅网。在栅网上加有较低的脉冲电压时，就可以达到控制阴极发射电流大小的目的。,图2.12（a）给出了截获栅控电子枪示意图。 图2.12（b）示出一种杆控电子枪示意图，它由环状控制极及杆状控制极所组成。,2.3.2电子注的维持 由于电子注是电子的集合，故存在着空间电荷

11、力，若不采取特殊措施，电子注出阳极口后就会立即发散开来。为了维持电子注形状，必须有外加力以平衡空间电荷发散力。 经研究发现，使电子流绕其轴旋转起来，电子在作圆周运动时，若产生的离心力、电子之间的空间电荷力以及由于在磁场中运动的圆周分量引起的径向力平衡时，电子不再发散，电子注的形状得以维持。,怎样使电子流绕轴旋转起来呢？电子注既然要发散开，就一定有一个径向方向的速度。若在电子注最小截面处，突然加一个纵向均匀磁场，当其径向速度分量与纵向磁场相交时，根据罗仑茨定律，于是电子绕着电子流的轴旋转起来，而达到维持电子流形状的目的。在这种均匀磁场聚焦系统中，我们将能维持电子注聚束的最小磁感应强度，称为布里渊

12、磁感应强度Bb。,2.3.5收集极 在速调管中，收集极一般为空心圆筒，形成一个既无电场又无磁场的空间，以便电子流在其中发散开来，尽可能均匀地打在收集极内表面上利于散热。,图2.16示出几种典型水冷收集极结构。,5）寿命 衡量寿命的指标有以下几个： （1）管子工作寿命； （2）贮存寿命； （3）仅加灯丝电压的总小时数。,2.4.2 副特性 副特性主要是指管子工作的稳定性、非线性及杂散性功率输出，三者往往是不可分割的，其间没有严格的界限，其最终结果则表现为输出的失真、寄生调制或干扰。 1）功率稳定性 (1)输出功率变化； (2)幅度变化； (3)幅度波动。,2）相位稳定性 （1）相位灵敏度 （2）

13、相位-幅度畸变 （3）相位波动 3）谐波,2.5速调管的发展 2.5.1展宽速调管带宽的技术 速调管的带宽与整管效率和增益是相关的参量，故又分为效率带宽和增益带宽。在速调管中可通过牺牲效率或增益换取宽带宽。为了展宽群聚端和输出段带宽，多年来已发展和采用了以下一些技术。,2.5.1.1群聚段带宽的展宽 群聚段带宽的展宽，通常采用谐振腔加载、参差调谐技术、特殊结构谐振腔及优化腔体特性参量等措施。 多腔速调管谐振腔加载的目的在于增加腔体的损耗，降低腔体的有载品质因数QL，达到展宽腔体的带宽性能。群聚段的增益带宽潜力可通过其中一级来表示 式中，G为一级的增益；R/Q是谐振腔特性阻抗；Pout是输出功率

14、；P是电子注导流系数。,2.5.1.2宽带输出电路及在整管上的应用 输出段带宽用 来表征。式中，M为谐振腔间隙耦 合系数； 为电子注电导。 1）行波管慢波电路 为了展宽速调管的输出段带宽，用行波管的慢波结构代替速调管的输出腔而组成的复合管称为行波速调管。其工作原理是利用速调管段谐振腔参差调谐来弥补行波管频带高低端增益的下降，以求得全频带性能平坦。因此，复合管具有速调管与行波管的共同优点。,2）分布作用电路 分布作用电路实际上是两端在适当位置短路的慢波结构。分布作用腔又称为扩展互作用腔。,3）重叠模电路 2个相邻的单间隙重入型谐振腔，在其公共壁上开有耦合槽缝，组成双间隙谐振回路，如图2.19所示

15、。,4）双调谐电路 双调谐电路是在一个与电子注相耦合的单间隙谐振腔的外面接一个滤波腔而构成的，滤波腔的一端与谐振腔相耦合，另一端与负载相接。,2.5.2多注速调管 1）多注速调管的工作原理 多注速调管的新颖之处在于：通过增加管内的电子注数目，使管子的总的导流系数增加，以利于管子的带宽增加，如图2.21所示；为了保持管子的转换效率，将电子注分成若干小注，每个注都有自己的漂移通道，从而使管子的各高频参量选取最佳值。,2）多注速调管的特点与用途 多注速调管可分为两大类：工作在谐振腔基模式的多注速调管和工作在谐振腔高次模式的多注速调管。 图2.22（a）示出了工作在谐振腔为基模式的多注速调管结构，这类

16、结构的特点是在管中存在若干独立的电子注渡越通道，在每个通道内传输独立的电子注，在漂移区内各电子注之间没有耦合。,图2.22（b）示出了一种工作在高次模式上的多注速调管的方形谐振腔。,如图2.23所示的一种反转永磁聚焦系统能应用到大功率速调管上，这又大大减轻了管子及整机系统的质量，提高了动机性。,图2.24示出了一个多注速调管结构示意图。,3）多注速调管的合理选用 多注速调管由于其结构复杂、阴极负荷重、效率和寿命一般也不如单注管，因此在MW级的宽带高峰值管中，多选用单注管而不选用多注管。 多注速调管工作电压低，对很多飞行器上在低气压环境下工作的整机来说，高波段小功率多注速调管也具有一定的吸引力。

17、,2.5.3速调四级管 1）速调四极管的工作原理 如前所述，在速调管中就其高频作用机理而言，可分为群聚段和输出段。输出段为输出腔部分；其他谐振腔及漂移管则称为群聚段。,图2.25示出了速调四极管示意图。,由图可见，电子枪阴极与非截获的控制栅极构成输入谐振腔间隙，栅极上加有负偏压，因此阴极上电子发射不出来。当高频信号送入谐振腔时，在外加高频场激励下，由于谐振作用，在阴极和控制栅组成的间隙上建立谐振电压，这样在每个脉冲的正半周阴极发射出电子，这一电子束团经阳极直流电压加速并穿过阳极孔以不变的速度进入到漂移空间，电子再进行密度调制。,电子束团通过输出间隙时，便在输出腔内激励起高频电磁场，建立在输出间隙上的高频电场对电子束产生强烈的减速作用，使电子束的能量变成高频能量。交出能量后的电子束，再进入到收集极。,2）速调四极管的优点及应用 速调四极管具有以下优点： 转换效率高。 可靠性高。 寿命长。 购买和运行费用低。,2.6速调管的应用 2.6.1各种雷达系统的应用 速调管在各种雷达系统中的应用是最主要的领域，雷达用速调管的工作频率覆盖了整个微波波段，其脉冲功率电平在千瓦级至兆瓦级，平均功率达数百千瓦。 应用于军事目的的雷达系统，为抗干扰，要求有尽可能宽的瞬时工作带宽。,