学科前沿结课论文 行波管的原理及应用.docx

2012 年 6 月 28 日学科前沿结课论文：行波管的原理及应用指导教授：魏彦玉学号：2011043010010 姓名：陈天奇2《学科前沿结课论文：行波管的原理及应用》陈天奇行波管（Travelling-Wave Tube）1943 年，物理学家 R.康夫纳在英国制出世界上第一只行波管，1947 年美国物理学家 J.皮尔斯发表对行波管的理论分析现代行波管已成为雷达、电子对抗、中继通信、卫星通信、电视直播卫星、 导航、 遥感、遥控、遥测等电子设备的重要微波电子器件行波管的特点是频带宽、增益高、动态范围大和噪声低行波管频带宽度（频带高低两端频率之差/中心频率）可达 100％以上，增益在25～70 分贝范围内，低噪声行波管的噪声系数最低可达 1～2 分贝行波管的原理行波管靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管在行波管中，电子注同慢波电路中行进的微波场发生相互作用,在长达 6～40 个波长的慢波电路中电子注连续不断地把动能交给微波信号场，从而使信号得到放大在行波管中，电子注与慢波电路中的微波场发生相互作用微波场沿着慢波电路向前行进为了使电子注同微波场产生有效的相互作用，电子的直流运动速度应比沿慢波电路行进的微波场的相位传播速度（相速）略高，称为同步条件。

输入的微波信号在慢波电路建立起微弱的电磁场电子注进入慢波电路相互作用区域以后，首先受到微波场的速度调制电子在继续向前运动时逐渐形成密度调制大部分电子群聚于减速场中，而且电子在减速场滞留时间比较长因此，电子注动能有一部分转化为微波场的能量，从而使微波信号得到放大在同步条件下，电子注与行进的微波场的这种相互作用沿着整个慢波电路连续进行这是行波管与速调管在原理上的根本区别行波管的结构行波管在结构上包括电子枪、慢波电路、集中衰减器、能量耦合器、聚焦系统和收集极等部分电子枪：电子枪的作用是形成符合设计要求的电子注聚焦系统使电子注保持所需形状，保证电子注顺利穿过慢波电路并与微波场发生有效的相互作用，最后由收集极接收电子注待放大的微波信号经输入能量耦合器进入慢波电路，并沿慢波电路行进电子与行进的微波场进行能量交换，使微波信号得到放大放大后的微波信号经输出能量耦合器送至负载行波管常用的电子枪有皮尔斯平行流枪、皮尔斯会聚枪、高导流系数电子枪、阳控电3《学科前沿结课论文：行波管的原理及应用》陈天奇子枪、栅控电子枪、无截获栅控电子枪及低噪声电子枪等以脉冲方式工作的行波管可以采用控制阴极电压的方法来实现对电子注的调制，称为阴控。

阴控需要配备大功率调制器，设备笨重、复杂，而且耗电量大用附加调制阳极对电子注进行控制，称为阳控阳控所需脉冲电压也比较高在阴极与阳极之间装一个控制栅便构成栅控电子枪在这种情况下，仅用较低的脉冲电压即可对电子注进行控制，因而能减小调制器体积、重量和耗电量在栅控电子枪中，控制栅约截获电子注电流的 10％当行波管电子注功率较大时, 控制栅耗散功率增大, 致使栅极温度升高、栅极电子发射增加、栅网变形甚至烧毁为了解决这个问题，可以采用无截获栅控电子枪无截获栅控电子枪是在控制栅与阴极之间设置阴影栅，阴影栅与阴极同电位，结构上与控制栅精确对准，从而使控制栅的截获电流下降到总电流的千分之一以下采用无截获栅控电子枪不仅能提高栅控行波管的平均功率容量，而且能降低调制器的功率聚焦系统：行波管中常用的聚焦方法是均匀永磁聚焦、倒向场聚焦、周期永磁聚焦和均匀电磁聚焦慢波电路：电子注的直流速度决定于行波管的工作电压行波管工作电压为 2.5 千伏时,电子注直流速度约为自由空间电磁波速度（即光速）的 10％；工作电压为 50 千伏时，电子注直流速度约为自由空间电磁波速度的 40％为了使电子注同微波场产生有效的相互作用，微波场的相速应略低于上述电子注的直流速度。

因此，行波管中微波场的相速应显著低于自由空间中电磁波传播速度慢波电路就是减小微波场相速的装置在选定的工作模式下，慢波电路主要的特性和参量有色散特性、耦合阻抗等色散特性表示在慢波电路中传播的微波场的相速随频率变化的关系用于宽频带行波管的慢波电路，在频带宽度内相速随频率的变化应尽量小，即色散较弱这样才能在整个频带宽度内保证电子注与微波场相速之间的同步耦合阻抗是表示电子注与微波场相互作用强弱的一个参量耦合阻抗的量值越大，微波场与电子注的耦合越强，电子注与微波场之间的能量交换越充分此外，在实际应用和生产中还要求慢波电路机械强度高、散热性能好、结构简单、易于加工行波管常用的慢波电路有两类：螺旋线型电路和耦合腔型电路螺旋线型慢波电路包括螺旋线、环杆线、环圈线等螺旋线结构简单、色散弱，因而频带宽，缺点是散热能力差，工作电压高时易产生返波振荡螺旋线多用于宽频带、中小功率行波管，工作带宽可达 100％以上,I 波段(8 ～10吉赫)J 波段（ 10～20 吉赫）的螺旋线行波管脉冲功率已达 10 千瓦环杆线同螺旋线相比，耦合阻抗高、散热能力强、机械强度好、不易发生返波振荡，但色散较强环杆线工作电压在 10～30 千伏，频带宽度为 15％～20 ％，广泛用于中功率行波管。

环圈线抑制返波振荡的性能较好，也已得到应用耦合腔型慢波电路：耦合腔型慢波电路包括休斯电路、三叶草电路等它们的特点是机械强度高、散热能力强，适用于大功率行波管，但频带宽度比较窄采用休斯电路的行波管，脉冲功率在 1 至几百千瓦 ,频带宽度约 10％脉冲功率在 500 千瓦以上的行波管,多采用三叶草电路此外，行波管中采用的慢波电路还有交叉指型慢波线（亦用于 O 型返波管） 、曲折线、卡普线等集中衰减器：输入、输出能量耦合器与慢波电路之间和慢波电路各部分之间，都应有良好的阻抗匹配匹配不佳会造成电磁波反射反射波引起反馈，会导致行波管内出现寄生振荡为避免这种振荡，须在慢波电路的一定位置上设置集中衰减器集中衰减器由损耗涂层或损耗陶瓷片构成在集中衰减器处,反射波被吸收,可达到消除反馈抑制振荡的目的虽然在集中衰减器中工作模式的微波场同样也受到衰减，但电子注内业已形成的密度调制将在下一段电路中重新建立起微波场4《学科前沿结课论文：行波管的原理及应用》陈天奇收集极：电子注在完成同微波场的相互作用后从慢波电路射出，最后打在收集极上为了提高行波管的总效率，可以采用降压收集极行波管的应用及现状脉冲行波管用于地面固定和移动式雷达、机载火控雷达、电子对抗设备等。

脉冲功率在 10 千瓦至 4 兆瓦的行波管, 频带宽度为 8％～30％;脉冲功率为 5 千瓦者，频带宽度可达67％ ;脉冲功率为 1 千瓦者,频带宽度可达 100％以上大功率连续波行波管多用于卫星通信地球站，在 10 吉赫下输出功率可达 14 千瓦，38 吉赫下达 1 千瓦多模行波管用于电子对抗系统，可在多种脉冲状态和连续波状态下工作多模行波管的脉升比（脉冲功率/连续波功率）为 3～12 分贝印制行波管和小型行波管体积小、重量轻、成本低，适合于用量大的场合，如相控阵雷达空间行波管是空间应用的专用管型，特点是可靠性高、寿命长和效率高通信卫星和电视直播卫星大多数采用行波管作发射管，寿命可达 10 年以上相对于目前快速发展的固态功率器件，行波管的不足之处主要有：常规行波管体积大、可靠性差、成本高，进口器件大多禁运当然，行波管的优势也较明显：频率范围宽、单个器件输出功率高、可输出宽脉宽和连续波高功率，在频率高端输出功率优势明显，效率普遍明显高于固态器件固态器件的飞速发展对电真空器件行波管而言固然是一个威胁，但限于目前固态电子电路的工艺水平，以及在宽带和超宽带匹配和功率合成技术还未有效突破，因此在４ＧＨｚ以上的频段，真空功率器件（主要是行波管类）比固态器件的输出功率大、瞬时覆盖频带宽，因此，在这频段以上，行波管比固态功率器件有更好的应用前景。

通过多年的发展，目前形成了各频段、各功率量级各工作带宽的系列产品的技术能力，如Ｌ、Ｓ波段可输出数百瓦到千瓦级，Ｘ／Ｋｕ波段可输出百瓦量级，而Ｋａ波段可达几十到百瓦除此之外，在控制方式上还具有带栅控（或聚焦极控制）等控制新技术的应用对各频段内除宽带工作外，还有雷达、通讯等特定工作频带的窄带应用，从需要的功率量级看也是行波管具备更多优势根据资料，美军在现役武器装备中依然大量使用行波管和其他真空功率器件作为功率放大的主要手段，如在Ｆ１５，Ｆ１６，Ｆ１８的机载火控雷达和电子战吊舱，宙斯盾的ＡＮ／ＡＰＹ－１，Ｅ－２Ｃ，Ｅ－３Ｃ甚至Ｅ－８Ａ上的雷达以及爱国者导弹系统等另外，这些器件也同样应用于阵列系统，在超大功率远程警戒雷达应用中仍然采用高功率的电真空器件为基本功率放大模块，可以有效减少模块数量，降低系统复杂度由此可见，行波管等真空功率器件在宽带和大功率军用电子装备的应用中仍然有强大的生命力行波管的前景要顺应电子技术发展趋势，对行波管技术发展需求主要有以下几点：（１）更高频率范围的需求，如大功率Ｋａ、Ｑ、Ｖ、Ｗ 波段毫米波行波管采用微波单片集成电路（ＭＭＩＣ）与功率合成技术，全固态的中小功率８ｍｍ以下功率源在与毫米波行波管相比甚至更具体积和可靠性方面的优势。

行波管要想继续发展必须开发设计出宽带宽、大功率的产品才有可能在应用中占据优势5《学科前沿结课论文：行波管的原理及应用》陈天奇（２）更大输出功率的需求Ｋｕ以下频段单管连续波输出功率要求普遍在百瓦级以上，对Ｌ、Ｓ波段有千瓦级以上应用需求，Ｃ、Ｘ／Ｋｕ波段大于百瓦级要求Ｋ波段以上，一般要求大于百瓦级脉冲管输出功率一般在千瓦级以上３）双模管技术既能够工作于连续波模式又能工作于脉冲模式的行波管目前虽无绝对的连续波到脉冲转换，但同时具备高重频脉冲和低重频脉冲高功率工作模式的行波管仍可以满足大多数有源探测和干扰一体化的需求４）多级降压收集极技术应用为满足各类机载、升空平台等在总供电方面的限制要求，必须提高行波管效率这就需要行波管采用多级降压收集极技术，目前效率高的宽带行波管可在２５％～３５％以上，对窄带管效率更可高达５０％以上，高效率是行波管保持优势的有效法宝５）小型化设计为满足在机载、升空平台及航天应用等对发射机在体积、重量方面的限制，必须采用小型化设计技术通常不光是行波管本身，连对应的高压电源、微波通道等都需要进行相应的小型化集成设计，形成如ＭＰＭ 等以达到目的由于阵列化发射机采用空间功率合成技术，可以使得电子战发射机获得更高的空间等效辐射功率，所以，对于单管的功率需求压力减小了。

对于超大功率的应用场合，常常采用现有的中、大功率行波管利用功率合成技术实现所以，单管使用向ＭＰＭ 发展，这样既可以应用于各类机载、航天平台，也可以应用于阵列化发射机由于ＭＰＭ 技术结合了固态器件的低噪声、高增益和行波管的宽带、高输出功率和高效率的特点，因此ＭＰＭ 比普通行波管具有更高的效率、更小的体积这需要行波管研制厂所和整机应用单位通力合作，充分发挥各自优势，在行波管、微波通道组件、高压电源、控制检测保护电路等方面开展电气、机械结构和散热等联合一体化设计６）采用栅极控制与调制技术当行波管具备有可控制电子束关闭和导通的栅极（或聚焦控制极）时，可以通过该极电源的状态转换，实现电子束关闭和导通的快速转换，当电子束关闭时，可使行波管输出噪声降低至接近未加电时的水平，该功能可有效提高系统在收发隔离方面的能力７）对幅度和相位一致性要求当单一行波管无法实现所要求的大功率输出时，就必须使用多个功率器件进行功率合成根据功率合成原理要求，进行功率合成的各功率器件需要在幅度和相位指标上满足一定的一致性要求，以实现通道合成、空间功率合成等８）扩大应用适应环境范围，提高可靠性从常用的地面车载、舰载向航空、航天等应用领域发展，必须具备低气压使用能力。

需要开展可靠性设计，大力提升设计、制造和使用的可靠性参考资料廖复疆，孙振鹏，闫铁昌． 《真空电子技术———信息化武器装备的心脏》 （第２版）官朝晖（西南。