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第三章 行波管 制作：戴姜平 讲解：方 毅 答疑：余 明 目录 3.1 引言 3.1.1行波管的特点 3.1.2行波管发展简史 3.1.3行波管分类 3.2 行波管工作原理 3.2.1行波管的结构 3.2.2行波管的工作原理 3.2.3行波管的主要特性 3.2.4双模行波管 3.2.5相位一致行波管 3.2.6小型化行波管 3.3 慢波结构 3.3.1概述 3.3.2螺旋线慢波结构 3.3.3耦合腔慢波结构 3.1 引言 行波管具有宽频带和高增益的特点，适用于高频率、宽频带、大功率领域； 之前的静电控制超高频管及速调管都不能同时满足以上两个要求； 原理上的不同，行波管让电子穿过一个长慢波结构。由于作用时间长，增益仍可以很高，同时没有谐振腔，工作带宽大大增加； 康夫纳（Kompfner）1943年制成第一只行波管，皮尔斯1947年发展了小信号理论，解决了正反馈问题，提高了管子的稳定性。周期永磁聚焦系统的研究减小管子的重量和体积，同时制造工艺不断发展成熟； 根据慢波结构可分为螺旋线行波管、环杆行波管、耦合腔行波管等； 根据功能可分为宽带行波管、大功率行波管、双模行波管、相位一致行波管、卫星通信行波管、低噪声行波管、调相行波管和储频行波管； 3.2 行波管工作原理 3.2.1 行波管的结构 行波管主要由五部分构成： （1）电子枪 （2）磁聚焦系统 （3）慢波结构 （4）输入输出装置 （5）收集极 3.2 行波管工作原理 3.2.1 行波管的结构 行波管主要由五部分构成： （1）电子枪。产生一个具有所需尺寸和电流的电子束，并将它加速到比慢波结构上行进的电磁波的相速稍快一些，以便和电磁场交换能量而实现放大。 3.2.1 行波管的结构 （2）磁聚焦系统。电子束从电子枪出来后还要穿过细长的慢波结构，而且为了得到充分的能量交换还希望电子束要尽可能地靠近慢波结构。电子束中电子带负电荷，相互之间的斥力会使电子束很快发散而打到慢波结构上去，从而失去将能量交给电磁场的机会。因此，需要一个磁聚焦系统来约束电子束，使其能顺利通过慢波结构而实现放大。 3.2.1 行波管的结构 （3）慢波结构。根据相对论，电子不可能被加速到光速。若不使电磁波的传播速度慢下来，电磁波就会在电子旁边高速向前飞去，电子一会儿处于正电场中被加速， 一会儿处于负电场中被减速。总的结果是没有明显的加速或减速，也就是没有明显的能量交换，当然就不可能有放大。因此，必须使电磁波的相速降到和电子的运动速度基本相同，以使电子能和电磁波充分交换能量，放大信号。慢波结构的任务就是使电磁波的相速降下来。 3.2.1 行波管的结构 （4）输入输出装置。这是被放大信号的入口和出口，常见的有波导和同轴两种。一般在频率较低或功率较小且要求工作带宽较宽时采用同轴结构；反之，则采用波导结构。也有输入用同轴结构而输出用波导结构的。 3.2.1 行波管的结构 （5）收集极。它用来收集已经和电磁场交换能量完毕的电子。由于这时电子仍然有很高的速度，打在收集极上时将转化为热量，因此热耗散是收集极设计中的一个重要问题。为了提高效率，行波管经常采用降压收集极。 3.2.1 行波管的结构 3.2.2 行波管的工作原理 行波管是依靠和电磁波同步的电子把能量交给电磁波而实现放大。对于同一个电子而言，和电磁波同步时，电子可以稳定的处于减速场中而交出能量，但从电子枪中发射出来的电子在进入慢波结构时遇到的电场可能有4种典型状态。 3.2.2 行波管的工作原理 如图3.4，A和C两类电子处于零电场处和电磁波没有互作用，既不交给电磁波能量也不从电磁波中取得能量。B类电子处于加速场中，将从电磁波中取出能量。D类电子则处于减速场中，将把能量交给电磁波。 3.2.2 行波管的工作原理 在电子和电磁波交换能量的过程中还伴随着“电子群聚”的过程，这就是B类电子被加速后其速度将比C类电子快而慢慢赶上C类电子，D类电子被减速后其速度将比C类电子慢而慢慢落下来向C类电子靠拢，即大部分电子都将聚集在C类电子附近。 3.2.2 行波管的工作原理 使电子的速度略微高于电磁波的速度，那么群聚在C类电子处的电子将进入减速场区中，交出能量。A类电子将进入加速场区中从电磁波处取得能量，但A类电子是极少数，因此总的结果是电子交出能量，电磁波得到放大。 3.2.2 行波管的工作原理 在图3.4（b）和（c）中可以看到电子与电磁场的相互作用可以分为以下几个阶段： （1）慢波结构的起始部分，电磁场和电子的相互作用表现为电磁场对电子进行速度调制（使处于不同相位的电子速度产生不同的变化）。这时电子不仅不能将能量交给电磁场，反而要从电磁场中吸取一部分能量，电磁波会有一些减弱。 3.2.2 行波管的工作原理 （2）在此之后，由