微波工程基础第7章.ppt
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1、第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生,参考书:S。Y。利奥著,微波器件与电路,科学出版社,1987杨祥林等编著,微波器件原理,电子工业出版社,1994,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生,1921年发明磁控管促进了第二次世界大战雷达的出现,改变了战争的局势1939年发明速调管高增益、高效率、高功率1944年发明螺旋线行波管宽频带1967年发明回旋管 高频率、大功率雷达、通讯、制导、电子对抗、加速器、微波加热、射电天文观察,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管(速度调制和电流调制),从阴极发射的所有电子以均匀
2、速度到达第一腔,在间隙电压(或信号电压)为零时通过第一腔间隙的电子速度不变。在腔间隙电压正半周通过的电子速度加快。在腔间隙电压负半周通过的电子速度减慢。这样的作用使电子在漂移过程中逐渐产生群聚。漂移空间电子速度的变化速度调制。在第二腔缝隙处电子密度随时间周期地变化。电子注包含有交变分量电流调制。电子注应该在第二腔间隙的中间达到最大群聚并处于减速相位,于是电子的动能便转变为第二腔的微波场能。从第二腔出来而被减速了的电子最后终止在收集极上。,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管,靠近阴极的腔体
3、称为输入腔或者群聚腔,它使电子注产生速度调制,另一腔称为输出腔,它将群聚电子注的能量转换为微波能量。1)假定电子注横截面上密度均匀2)忽略空间电荷效应3)假定输入的微波信号幅度远小于直流加速电压 速度调制过程电子注进入群聚腔前首先被直流高压加速,其速度是均匀的,(7.1),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 速度调制过程,微波信号加到输入腔上,群聚间隙电压为:,(7.2),式中V1是信号的振幅,并假设通过输入腔间隙距离d的平均渡越时间为,平均间隙渡越角可表示为,(7.3),(7.4),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 速
4、度调制过程,群聚间隙的平均微波电压可以用下式得到,令:,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 速度调制过程,定义i为:,(7.5),i称为输入腔的电子注耦合系数。间隙渡越角增加,电子注与群聚腔之间的耦合则下降。,(7.6),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 速度调制过程,在速度调制后,立即可以得到群聚腔出口处的电子速度为,称为速度调制深度。当,,(7.7),(7.8),调制深度不仅和信号电压有关,而且与耦合系数i成正比,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 群聚过程,对tb时刻的电子来说,
5、从群聚间隙到电子密度群聚位置的距离为,对于ta和tc时刻的电子而言,距离分别是,(7.9),(7.10),(7.11),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 群聚过程,(7.12),(7.13),(7.14),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 群聚过程,在时刻ta,tb,tc的电子经过距离L后相遇的必要条件是:,(7.15),(7.16),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 群聚过程,在输入腔间隙处,时间间隔dt0内通过的电荷为,根据电荷守恒原理,也有相同数量的电荷在稍后些的时间间隔dt
6、2内通过输出腔,有,(7.19),(7.18),由(7.17)有,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 群聚过程,对(7.19)微分可得:,到达输出腔的群聚电流可以表示为,(7.20),(7.21),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 群聚过程,用t2表示时电流为,(7.22),(7.23),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 群聚过程,输出腔处的电子注电流是周期性波形,周期为2/,可将电流展开为傅立叶级数,(7.24),(7.25a),(7.25b),(7.25c),第七章 微波与物质相
7、互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 群聚过程,输出腔处注电流的基波分量幅值是,当X=1.841时基波分量具有最大幅值,最大基波分量下的最佳群聚距离为,(7.28),(7.26),(7.27),已知,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 群聚过程,有趣的是由式(7.16)L给出的距离比Loptimum给出的结果小15%,该差异首先是由于推导L时所做的近似,其次是由于电子注中存在高次谐波分量,其最大基波电流分量与最大电子密度沿轴向分布并不一致。,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 输出功率和电子注负载,速调管:最
8、大群聚出现在输出腔间隙中间附近,当群聚电子注在减速相位下通过间隙时,其动能转变成输出腔的高频场能量,从输出腔出来的电子速度已减慢,最后由收集极所收集。输出腔中的感应电流(基波分量),0是输出腔间隙电子注耦合系数.,(7.29),(7.30),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 输出功率和电子注负载,输出功率,(7.31),Rsh是输出腔总的等效并联电阻(Rsho输出腔电阻,RB电子注负载,RL外加负载电阻),V2是输出腔缝隙电压基波分量。,Rsh,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 输出功率和电子注负载,速调管效率,速调管
9、放大器的跨导 速调管放大器的等效跨导可定义为输出感应电流I2ind与输入电压V1的比值,即,(7.32),(7.33),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生 速调管 输出功率和电子注负载,输入电压可用群聚参数表示为,(7.34),(7.35),为直流电子注电导。跨导不是一个常数,而是随群聚参量的增加而减小。小信号下,归一化跨导最大,等于,(7.36),同速调管中的现象一样,行波管也是由速度调制转变成电流调制,在电路上感应出射频电流引起放大。行波管与速调管存在着一些重要差别:1)行波管中,电子注和高频场的互作用在整个电路长度内是连续的;在速调管中,互作用只在n个谐振腔隙
10、处发生。2)行波管中有一个正在传播的波,速调管则不是(谐振作用驻波)。3)在耦合腔行波管中,每个腔间都有耦合,在速调管中,每个谐振腔都是独立工作的。,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT),螺旋线行波管组成:一个电子注和一个螺旋慢波结构电子注:由一个沿着它本身和慢波结构的均匀磁场聚焦约束朝前行进微波信号:沿着旋转的螺旋线传播并在螺旋线的中心产生一个轴向电场轴向电场:行进的速度近似等于光速乘以螺距与螺旋线周长之比。相互作用:运动的轴向电场与运
11、动的轴向电子间发生互作用。平均说来是电子将能量转移到螺旋线的高频场中去了,使螺旋线上的信号变得更大。微波信号的放大:电子在行进过程中有的得到加速,有的电子受到减速(调制、群聚、放大),当电子进一步行进到收集极端,群聚中心所有电子均遇到较强的减速场(降压收集极回收能量),高频输入,螺旋线行波管原理简图,螺旋线行波管简化电路,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)互作用过程,慢波线上基波的每周相移是,0是平均速度下电子注的相位常数,而P是周期或者螺距.,电子的直流渡越时间为:,第n次空间谐波的相位常数则为,(7.39),第七章 微波与物质相
12、互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)互作用过程,轴向空间谐波的相速与电子注速度同步,(7.40),电子的直流速度稍高于轴向波速,处于减速场中的电子就比处于加速场中的电子更多,大量的能量便从电子注中转移到电磁场中去。外加轴向磁场阻止电子注径向扩散。螺旋线中心设有衰减器使所有沿螺旋线行进的波减小到接近于零,防止来自失配负载的反射波到达输入段和引起振荡。衰减器后面,群聚电子注感应出相同频率的新电磁场在螺旋线上感应出新的放大了的微波信号。,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)互作用过程,螺旋线行波管中电
13、子的运动状态可借助于轴向电场定量的进行分析,(7.41),设电子速度为,(7.42),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)互作用过程,e、e、e分别是速度调制电子注中速度波动的角频率,速度波动的辐值,速度波动的初相位,(7.43),(7.44),电子注速度波动的辐值正比于轴向电场的辐值。,轴向电场在电子注中感应群聚电流;电子注产生轴向电场。电子注速度,电荷密度,电流密度和轴向电场能表为:,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)群聚电流(场对电子注的作用),第七章 微波与物质相互
14、作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)群聚电流,(7.48),(7.49),(7.50),(7.51),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)群聚电流,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)轴向电场(电子注对场的影响),轴向电场电子注中的群聚电流在慢波电路中感应出一个电场。该感应电场叠加到线路中已存在的电场上并使线路功率随距离的延长而增加。,无损分布传输线表示慢波螺旋线,参量定义如下L=单位长电感C=单位长电容I=传输线上的交流电流V=传输线上
15、的交流电压i=群聚电流,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)轴向电场,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)轴向电场,由克希荷夫电压定律:,(7.55a),(7.55b),消除(7.54b)和(7.55b)中I,有,(7.56),无耦合(i=0)传播常数0为,(7.57),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)轴向电场,特性阻抗:,(7.58),存在群聚电流 i 时,传输线电压为,(7.59),轴向电场(电路方程),(7
16、.60),(7.60)确定了慢波螺旋线的轴向电场是怎样受到群聚电流的影响。,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)波的模式,行波管中波的模式可由联立求解电子方程和电路方程所得的传播常数来确定(本征值问题)。传播常数的每一个解代表一个行波模式,传播常数有四个不同的解。表示在O型行波管中有四个行波模式。,(7.61),令电子注直流速度等于行波轴向相速可求得近似解,这相当于令,(7.62),第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波的产生7.1.2 螺旋线行波管(TWT)波的模式,第七章 微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互
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