行波管，是一種靠連續(xù)調(diào)制電子注的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)放大功能的微波電子管，具有頻帶寬、增益高、動(dòng)態(tài)范圍大和噪聲低等特點(diǎn)。行波管在結(jié)構(gòu)上包括電子槍、慢波電路、集中衰減器、能量耦合器、聚焦系統(tǒng)和收集極等，是雷達(dá)、電子對(duì)抗、中繼通信、衛(wèi)星通信、電視直播衛(wèi)星、導(dǎo)航、遙感、遙控、遙測(cè)等電子設(shè)備的重要微波電子器件。

工作原理

在行波管中，電子注同慢波電路中行進(jìn)的微波場(chǎng)發(fā)生相互作用，在長(zhǎng)達(dá)6～40個(gè)波長(zhǎng)的慢波電路中電子注連續(xù)不斷地把動(dòng)能交給微波信號(hào)場(chǎng)，從而使信號(hào)得到放大。

在行波管中，電子注與慢波電路中的微波場(chǎng)發(fā)生相互作用，微波場(chǎng)沿著慢波電路向前行進(jìn)。為了使電子注同微波場(chǎng)產(chǎn)生有效的相互作用，電子的直流運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)比沿慢波電路行進(jìn)的微波場(chǎng)的相位傳播速度（相速）略高，稱為同步條件。輸入的微波信號(hào)在慢波電路建立起微弱的電磁場(chǎng)。電子注進(jìn)入慢波電路相互作用區(qū)域以后，首先受到微波場(chǎng)的速度調(diào)制。電子在繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)逐漸形成密度調(diào)制。大部分電子群聚于減速場(chǎng)中，而且電子在減速場(chǎng)滯留時(shí)間比較長(zhǎng)。因此，電子注動(dòng)能有一部分轉(zhuǎn)化為微波場(chǎng)的能量，從而使微波信號(hào)得到放大。在同步條件下，電子注與行進(jìn)的微波場(chǎng)的這種相互作用沿著整個(gè)慢波電路連續(xù)進(jìn)行。

各類適用范圍

1.脈沖行波管用于地面固定和移動(dòng)式雷達(dá)、機(jī)載火控雷達(dá)、電子對(duì)抗設(shè)備等。脈沖功率在10千瓦至4兆瓦的行波管，頻帶寬度為8%～30%；脈沖功率為5千瓦者，頻帶寬度可達(dá)67%；脈沖功率為1千瓦者，頻帶寬度可達(dá)100%以上。

2.大功率連續(xù)波行波管多用于衛(wèi)星通信地球站，在10吉赫下輸出功率可達(dá)14千瓦，38吉赫下達(dá) 1千瓦。

3.多模行波管用于電子對(duì)抗系統(tǒng)，可在多種脈沖狀態(tài)和連續(xù)波狀態(tài)下工作。多模行波管的脈升比（脈沖功率/連續(xù)波功率）為3～12分貝。

4.印制行波管和小型行波管體積小、重量輕、成本低，適合于用量大的場(chǎng)合，如相控陣?yán)走_(dá)。

5.空間行波管是空間應(yīng)用的專用管型，特點(diǎn)是可靠性高、壽命長(zhǎng)和效率高。通信衛(wèi)星和電視直播衛(wèi)星大多數(shù)采用空間行波管作發(fā)射管，壽命可達(dá)10年以上。

特點(diǎn)

行波管的特點(diǎn)是頻帶寬、增益高、動(dòng)態(tài)范圍大和噪聲低。行波管頻帶寬度（頻帶高低兩端頻率之差/中心頻率）可達(dá)100%以上，增益在25～70分貝范圍內(nèi)，低噪聲行波管的噪聲系數(shù)最低可達(dá)1～2分貝。

構(gòu)成

行波管在結(jié)構(gòu)上包括電子槍、慢波電路、集中衰減器、能量耦合器、聚焦系統(tǒng)和收集極等部分（圖1）。電子槍的作用是形成符合設(shè)計(jì)要求的電子注。聚焦系統(tǒng)使電子注保持所需形狀，保證電子注順利穿過(guò)慢波電路并與微波場(chǎng)發(fā)生有效的相互作用，最后由收集極接收電子注。待放大的微波信號(hào)經(jīng)輸入能量耦合器進(jìn)入慢波電路，并沿慢波電路行進(jìn)。電子與行進(jìn)的微波場(chǎng)進(jìn)行能量交換，使微波信號(hào)得到放大。放大后的微波信號(hào)經(jīng)輸出能量耦合器送至負(fù)載。

1.電子槍

行波管常用的電子槍有皮爾斯平行流槍、皮爾斯會(huì)聚槍、高導(dǎo)流系數(shù)電子槍、陽(yáng)控電子槍、柵控電子槍、無(wú)截獲柵控電子槍（圖2）、低噪聲電子槍等。

以脈沖方式工作的行波管可以采用控制陰極電壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子注的調(diào)制，稱為陰控。陰控需要配備大功率調(diào)制器，設(shè)備笨重、復(fù)雜，而且耗電量大。用附加調(diào)制陽(yáng)極對(duì)電子注進(jìn)行控制，稱為陽(yáng)控。陽(yáng)控所需脈沖電壓也比較高。在陰極與陽(yáng)極之間裝一個(gè)控制柵便構(gòu)成柵控電子槍。在這種情況下，僅用較低的脈沖電壓即可對(duì)電子注進(jìn)行控制，因而能減小調(diào)制器體積、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(dāng)行波管電子注功率較大時(shí)，控制柵耗散功率增大，致使柵極溫度升高、柵極電子發(fā)射增加、柵網(wǎng)變形甚至燒毀。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用無(wú)截獲柵控電子槍。無(wú)截獲柵控電子槍是在控制柵與陰極之間設(shè)置陰影柵，陰影柵與陰極同電位，結(jié)構(gòu)上與控制柵精確對(duì)準(zhǔn)，從而使控制柵的截獲電流下降到總電流的千分之一以下。采用無(wú)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(diào)制器的功率。

2.慢波電路

電子注的直流速度決定于行波管的工作電壓。行波管工作電壓為2.5千伏時(shí)，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(shí)，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(chǎng)產(chǎn)生有效的相互作用，微波場(chǎng)的相速應(yīng)略低于上述電子注的直流速度。因此，行波管中微波場(chǎng)的相速應(yīng)顯著低于自由空間中電磁波傳播速度。慢波電路就是減小微波場(chǎng)相速的裝置。

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(chǎng)的相速隨頻率變化的關(guān)系。用于寬頻帶行波管的慢波電路，在頻帶寬度內(nèi)相速隨頻率的變化應(yīng)盡量小，即色散較弱。這樣才能在整個(gè)頻帶寬度內(nèi)保證電子注與微波場(chǎng)相速之間的同步。耦合阻抗是表示電子注與微波場(chǎng)相互作用強(qiáng)弱的一個(gè)參量。耦合阻抗的量值越大，微波場(chǎng)與電子注的耦合越強(qiáng)，電子注與微波場(chǎng)之間的能量交換越充分。此外，在實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)中還要求慢波電路機(jī)械強(qiáng)度高、散熱性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工。

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（圖3）。螺旋線型慢波電路包括螺旋線、環(huán)桿線、環(huán)圈線等。螺旋線（圖3a）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、色散弱，因而頻帶寬，缺點(diǎn)是散熱能力差，工作電壓高時(shí)易產(chǎn)生返波振蕩。螺旋線多用于寬頻帶、中小功率行波管，工作帶寬可達(dá)100%以上，I波段（8～10吉赫）、J波段（10～20吉赫）的螺旋線行波管脈沖功率已達(dá)10千瓦。環(huán)桿線（圖3b）同螺旋線相比，耦合阻抗高、散熱能力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度好、不易發(fā)生返波振蕩，但色散較強(qiáng)。環(huán)桿線工作電壓在10～30千伏，頻帶寬度為15%～20%，廣泛用于中功率行波管。環(huán)圈線（圖3c）抑制返波振蕩的性能較好，也已得到應(yīng)用。

耦合腔型慢波電路包括休斯電路（圖3d）、三葉草電路（圖3e）等。它們的特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高、散熱能力強(qiáng)，適用于大功率行波管，但頻帶寬度比較窄。采用休斯電路的行波管，脈沖功率在1至幾百千瓦，頻帶寬度約10%。脈沖功率在500千瓦以上的行波管，多采用三葉草電路。此外，行波管中采用的慢波電路還有交叉指型慢波線（亦用于O型返波管）、曲折線、卡普線等。

3.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(yīng)有良好的阻抗匹配。匹配不佳會(huì)造成電磁波反射。反射波引起反饋，會(huì)導(dǎo)致行波管內(nèi)出現(xiàn)寄生振蕩。為避免這種振蕩，須在慢波電路的一定位置上設(shè)置集中衰減器。集中衰減器由損耗涂層或損耗陶瓷片構(gòu)成。在集中衰減器處，反射波被吸收，可達(dá)到消除反饋抑制振蕩的目的。雖然在集中衰減器中工作模式的微波場(chǎng)同樣也受到衰減，但電子注內(nèi)業(yè)已形成的密度調(diào)制將在下一段電路中重新建立起微波場(chǎng)。

4.聚焦系統(tǒng)

行波管中常用的聚焦方法是均勻永磁聚焦、倒向場(chǎng)聚焦、周期永磁聚焦和均勻電磁聚焦。

均勻磁場(chǎng)聚焦：最簡(jiǎn)單的辦法是把整個(gè)電子注連同陰極都放入均勻磁場(chǎng)中，使電子運(yùn)動(dòng)方向與磁力線平行，這就是均勻磁場(chǎng)聚焦。均勻磁場(chǎng)聚焦分永磁和電磁兩種。磁場(chǎng)越強(qiáng)，聚焦效果就越好。這種聚焦穩(wěn)定性好，但聚焦系統(tǒng)太笨重，若用電磁螺旋線包，耗電也太多。

周期永磁聚焦：這是最輕便的磁聚焦方法。它適用于細(xì)長(zhǎng)的電子注。周期永磁聚焦系統(tǒng)實(shí)際上是一系列極性正負(fù)相間串聯(lián)起來(lái)的磁透鏡，透鏡參量的選擇應(yīng)使周期磁場(chǎng)的聚焦力平均起來(lái)正好與電子注空間電荷的發(fā)散力相抵消。周期永磁聚焦分為徑向場(chǎng)聚焦（磁環(huán)徑向磁化）和軸向場(chǎng)聚焦（磁環(huán)軸向磁化）兩種。周期永磁聚焦方法的缺點(diǎn)是穩(wěn)定性較差，而且只適應(yīng)于細(xì)長(zhǎng)的系統(tǒng)。

倒向場(chǎng)聚焦：便磁鐵極性反向?qū)右淮位騼纱危ㄖ芷谟来啪劢故欠聪驅(qū)佣啻危?，也能達(dá)到減小器件尺寸和減輕重量的目的。

5.收集極

電子注在完成同微波場(chǎng)的相互作用后從慢波電路射出，最后打在收集極上。為了提高行波管的總效率，可以采用降壓收集極。

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