第一章微波电真空器件概述.

微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院第一章微波电真空器件概论主讲人：段兆云教授E-mail：[e-mail]微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展1.2微波管的主要参量1.3微波真空器件中的电子注微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展1.2微波管的主要参量1.3微波真空器件中的电子注微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展（1）定义：利用带电粒子在电极间的运动过程从而实现微波信号的产生或放大的一种电子系统—微波电真空器件。0.1-30GHz微波30-300GHz300-3000GHzTHz0.1-10THz(广义)0.3-3THz（狭义）毫米波或亚（sub）毫米波微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展（2）普通电子管，如二极管、三极管、四极管、五极管等就目前情况几乎全部被固态器件所取代。（静电控制原理）p307（3）微波电真空器件（动态控制原理）是从普通电子管的基础发展起来的。普通电子管微波频段限制（a）电子渡越时间的限制。电子渡越时间：电子从一个电极运动到另一个电极所需的时间。微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展当信号频率不是很高时，阳极上所加信号电压的周期比长得多，因而，电子在行进过程中所感受到的阳极电压可以认为是稳定的。（b）振荡系统的限制当Microwave这样，电子管的极间电容和引线电感就可以与它们相比拟甚至超过它们了。TfLCf21微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展（c）,普通电子管的集肤损耗、介质损耗增加，效率降低等等，从而普通电子管不可能正常工作在微波频段。以二极管为例：当与可以比拟时：（i）对于二极管而言，电子在从阴极向阳极飞越的过程中，阳极电压已经发生了变化，甚至从正半周变为了负半周，会阻止电子继续向阳极飞行。faakaaSdVmeI230294acdT微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展显然二分三次方定律不再成立，阳极电流不再能反映阳极电压的变化。（ii）对于三极管而言，阳极电流不再反映加在栅极上的信号电压，换言之，栅极电压失去了对阳极电流的控制作用。（4）微波电子管的发展1883年，爱迪生（Edison）在研究白炽灯泡时，观察到电子在真空中可以从一个电极向另一个电极运动，奠定基础。(USA)微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展1895年洛伦兹（Lorentz）假定存在单个的电子。（TheNetherlands）1897年汤姆森（J.J.Thomson）在实验上证实了电子的存在。(UK)1904年弗莱明（Fleming）发明了第一只电子管—检波二极管。(USA)1906年福来斯特（Forest）发明了三极管(Germany)。1924年霍尔（A.W.Hull,Phys.Rev.1921）发明了磁控管,1939年英国人发明了高功率微波谐振腔磁控管。微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展1937年瓦里安兄弟(VarianBrothers,StanfordUniversity,Hansen)发明了速调管(Klystron)。1943年康夫纳尔发明了TWT“O”型器件应用于（Kompfner）建议BWOPierce,BellLAB1952年出版论文（法国C.S.FLab.）现在的Thales公司。1952年TWT被用于曼彻斯特至爱丁堡的中继通信系统中。1958年Twiss提出了电子回旋谐振受激辐射的机理。1965年美国学者从实验上证实了上述机理。微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展前苏联学者首次做了管子。Gyrotron,Gyro-devices.1960年左右：（Gaponov等）1965年前苏联学者F.S.RusinandG.D.Bogomolov发明了Orotron;1973年日本学者K.MizunoandS.Ono发明了Ledatron.THzSource，基于Smith-Purcelleffect。1970s:FEL，StanfordUniv.，J.Madey教授。1977年：正交场器件如前向波放大器（CFA）、M型BWO（1951）等又称为“M”型器件相继出现。微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展讨论谈谈半导体功率器件与电真空器件的比较？微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展1.2微波管的主要参量1.3微波真空器件中的电子注微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展1.2微波管的主要参量1.3微波真空器件中的电子注微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.2微波管的主要参量（1）Gain:（a）小信号增益（线性增益）（b）饱和增益（c）额定功率增益：在规定的输出功率下测得的Gain.10lgoutinGPPdB微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.2微波管的主要参量（2）B.W.:（Bandwidth）一般的定义：（a）绝对带宽：（b）相对带宽：（c）倍频程：，n个倍频程带宽。minmaxfff0ffnff2minmax微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.2微波管的主要参量以技术指标定义的B.W.：（a）增益带宽：1.5dB，3dB（b）功率带宽：1.5dB，3dB（c）效率带宽：以工作状态定义的B.W.：（a）瞬时带宽：是指不改变微波管的工作状态：高频结构尺寸、电流、电压等时微波放大器工作时的带宽。（放大器）（b）调谐带宽：又称之为调谐范围（振荡管）。微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.2微波管的主要参量根据有无电子注时的B.W.：（a）冷带宽：指高频结构本身的某一通频带范围，或者指能满足相速基本不变（没有统一的定义）的频率范围。（b）热带宽：器件正常工作时的带宽。微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.2微波管的主要参量（3）功率：（a）连续波状态的功率：调制信号若干周期内的微波功率（）的平均值：n：求平均功率所取的周期数，T：调制信号周期。tP01nTPPtdtnT微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.2微波管的主要参量（b）脉冲状态下的功率：峰值功率：是指调制脉冲峰值点的功率。:负载电阻，:调制脉冲在恒定负载电阻R两端的峰值电压。脉冲功率：指在一个调制脉冲的持续时间内微波功率的平均值。RVP2ˆˆRVˆ01()pPPtdt微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.2微波管的主要参量平均功率：Pp：脉冲功率，称为占空比。图1－7重复脉冲的平均功率TPPpTQ1微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.2微波管的主要参量（c）功率单位：W，MW，kW，GW。dB，dBm（m:1mW)，dBW（W:1W)（4）efficiency：Pout为微波管的微波输出功率，P0为供给电极的直流功率，ΣP0为所有电极电源消耗的总功率。0100%outPP微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.2微波管的主要参量严格地讲：P0：各电极电源消耗的功率Pf：灯丝加热功率；Pm：电磁铁电源消耗的功率；Pcl：冷却系统的电源消耗的功率。100%outinPPP0fmclPPPPP微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.2微波管的主要参量电子效率：Pe：高频场得到的功率，I0V0：电子注的直流功率。线路效率：,00100%eePIV%10000VIPout（习惯上）100%outcePPoutePPRFlossoutePPP微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展1.2微波管的主要参量1.3微波真空器件中的电子注微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.1微波电真空器件的发展1.2微波管的主要参量1.3微波真空器件中的电子注微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.3微波真空器件中的电子注1.3.1微波电真空器件的主要组成部分电子枪高频系统聚焦系统收集极输入输出装置：输能装置。微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.3微波真空器件中的电子注1.3.2简介电子光学系统电子枪：Definition：产生电子注并赋予电子注直流能量的机构。组成：阴极（cathode）、聚焦极、阳极（anode）、热子。所谓的热子就是加热阴极用的灯丝。这样形成的电子枪称之为热阴极电子枪。另外，我们常说的冷阴极电子枪就是采用场致发射阴极的电子枪。微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.3微波真空器件中的电子注1.3.2简介电子光学系统电子枪：工作机理：阴极的发射都是受阳极电压或控制极电压的控制的，或者更确切地说，是受阴极表面的电场来控制的，这种控制状态称为空间电荷限制状态；与此对应的阴极发射还有另一种状态——温度限制状态（较少很用）。表征电子枪的参量之一：导流系数（perveance）:（）微朴P62310VIP微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.3微波真空器件中的电子注1.3.2简介电子光学系统它仅由电子枪的结构（geometry）决定。其中：I：阴极发射电流，发射电流密度（）V：阳极电压。聚焦极一般与阴极同电位，它的作用是限制和压缩电子注，使之初步形成一定形状的电子注。J微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.3微波真空器件中的电子注1.3.2简介电子光学系统电子枪：阳极加有正高压，其作用是使阴极获得足够的电流发射并对发射电流加速。过渡区：电子注在此区间最终成形，已达到所要求的电子注的注入条件。微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.3微波真空器件中的电子注1.3.2简介电子光学系统电子枪：表征电子注特征的物理量：（1）电压（2）电流（3）电子注半径：（注腰半径）（4）层流性：电子注的速度离散。特点：层流运动。微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.3微波真空器件中的电子注1.3.2简介电子光学系统电子枪的类型：（1）轴对称收敛型电子枪（focusingelectrode）使用最广，圆状型或圆环型的电子注的产生。TWT，BWO。O型器件中阳控枪：栅控枪：微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.3微波真空器件中的电子注1.3.2简介电子光学系统电子枪：图1－9会聚枪的设计思想与实际结构示意图（a）设计思想（b）台阶形聚束枪（c）圆筒形聚束枪微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.3微波真空器件中的电子注1.3.2简介电子光学系统电子枪：（2）M型电子枪：应用于M型器件中。图1－10M型电子枪的两种结构形式微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.3微波真空器件中的电子注1.3.2简介电子光学系统电子枪：（3）磁控注入电子枪：较低的电压（几十kV）获得较大的电流，即导流系数提高。用于Gyro-devices中。特点：回旋运动。图1－11磁控注入枪的结构示意图微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院1.3微波真空器件中的电子注1.3.2简介电子光学系统聚焦系统（a）均匀磁场聚焦系统：solenoid，空间电荷排斥力vr，Fφ，vφ，-vr螺旋管、电磁铁和永久磁铁均匀磁场