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1、微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院第二第二章章微波微波电真空器件的高频结构电真空器件的高频结构主讲人：段兆云主讲人：段兆云 教授教授E-mail：微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院目目 录录2.1 概论概论2.2 慢波系统的一般慢波系统的一般特性特性2.4 耦合腔耦合腔SWS2.3 Helix慢波慢波系统系统微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院目目 录录2.1 概论概论2.2
2、慢波系统的一般慢波系统的一般特性特性2.4 耦合腔耦合腔慢波系统慢波系统2.3 Helix慢波慢波系统系统微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.1 概论概论2.1.1 微波管微波管的高频结构（系统的高频结构（系统）（1）定义定义 能够建立起特定的电磁场并实现电子注与高频场有效的能够建立起特定的电磁场并实现电子注与高频场有效的能量交换的机构。能量交换的机构。（2）作用作用 微波电真空器件中电子注与微波电真空器件中电子注与高频高频场相互作用进行能量交场相互作用进行能量交换以实现微波振荡或放大的场所。换以实现微波振荡或放大的场
3、所。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.1 概论概论 （3）高频系统的特点高频系统的特点 谐振腔型高频系统谐振腔型高频系统 慢波线型高频系统慢波线型高频系统 谐振腔型高频系统的特点：谐振腔型高频系统的特点：a）高频场在谐振腔中建立的是驻波场，电子注只有在）高频场在谐振腔中建立的是驻波场，电子注只有在通过谐振腔的间隙时才与场发生相互作用；通过谐振腔的间隙时才与场发生相互作用；b）由于谐振腔的频率选择性作用，或者说是谐振腔的）由于谐振腔的频率选择性作用，或者说是谐振腔的谐振谐振频率是分离的一系列的频率点，因此利用谐振腔频率
4、是分离的一系列的频率点，因此利用谐振腔微波电真空器微波电真空器件的高频系统件的高频系统微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.1 概论概论作为高频系统的作为高频系统的器件必然是窄器件必然是窄频带器件，谐振腔的品质因频带器件，谐振腔的品质因数越高，器件的频带越窄。数越高，器件的频带越窄。c）谐振腔全部由金属封闭形成，只在电子注通过的）谐振腔全部由金属封闭形成，只在电子注通过的的地方和微波能量输入输出的地方才开孔，因此它的导热的地方和微波能量输入输出的地方才开孔，因此它的导热性能好，热耗散能力强，可以实现大功率的输出。性能好，
5、热耗散能力强，可以实现大功率的输出。慢波线型高频系统的特点：慢波线型高频系统的特点：a）高频场在慢波线上建立的是行波场，电子注在通过）高频场在慢波线上建立的是行波场，电子注在通过慢波线的整个过程中与行波同步，始终发生相互作用。慢波线的整个过程中与行波同步，始终发生相互作用。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.1 概论概论由于电子注的速度只能由于电子注的速度只能小小于于光速光速，因此行波在高频系统上，因此行波在高频系统上的相速也必须小于光速，才能与电子注保持同步，所以行的相速也必须小于光速，才能与电子注保持同步，所以行波
6、是慢波，传输慢波的高频系统也必须是慢波系统。波是慢波，传输慢波的高频系统也必须是慢波系统。b）弱色散的慢波结构比如螺旋线可以具有十分宽的工）弱色散的慢波结构比如螺旋线可以具有十分宽的工作频带，带宽可以达到几个倍频程，当然强色散的慢波线作频带，带宽可以达到几个倍频程，当然强色散的慢波线比如耦合腔链带宽要窄的多，只能与谐振腔型高频系统的比如耦合腔链带宽要窄的多，只能与谐振腔型高频系统的带宽想比拟。带宽想比拟。c）弱色散的慢波结构往往是一种开敞式的结构，它）弱色散的慢波结构往往是一种开敞式的结构，它微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电
7、子学院2.1 概论概论需要介质支撑固定在器件内部，因而热传导能力低，能承需要介质支撑固定在器件内部，因而热传导能力低，能承受的功率容量小，其输出功率一般要比谐振腔型高频系统受的功率容量小，其输出功率一般要比谐振腔型高频系统的器件低一个数量级甚至更多。而强色散的的器件低一个数量级甚至更多。而强色散的慢波结构如果慢波结构如果是是全全金属结构，没有介质支撑，能金属结构，没有介质支撑，能与谐振腔高频系统与谐振腔高频系统相仿，相仿，输出同样的高功率。输出同样的高功率。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.1 概论概论2.1.2 分
8、类分类（1）谐振腔型高频系统，其特点为：）谐振腔型高频系统，其特点为：（a）驻波场，间断互作用。）驻波场，间断互作用。（b）窄带）窄带 （c）功率容量大（热传导性能好，热耗散能力强）。）功率容量大（热传导性能好，热耗散能力强）。因为谐振腔全部由金属封闭形成。因为谐振腔全部由金属封闭形成。（2）慢波型高频结构的特点为）慢波型高频结构的特点为:（a）行波场连续互作用。）行波场连续互作用。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.1 概论概论 （b）宽带：（弱色散）宽带：（弱色散）弱色散：宽带弱色散：宽带 强色散强色散：窄带窄带
9、（c）功率容量小：弱色散的慢波线往往是一种开敞式）功率容量小：弱色散的慢波线往往是一种开敞式结构，它需要介质支撑固定在器件内部，因而热传导能力结构，它需要介质支撑固定在器件内部，因而热传导能力低，能承受的功率容量小。低，能承受的功率容量小。高频高频系统的功率与带宽往往相互制约系统的功率与带宽往往相互制约：高高的输出功率：金属的输出功率：金属封闭性封闭性，热传导热传导性和散热能力；性和散热能力；宽宽的工作带宽：系统具有开敞性，以减弱它的色散。的工作带宽：系统具有开敞性，以减弱它的色散。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院目目
10、 录录2.1 概论概论2.2 慢波系统的一般慢波系统的一般特性特性2.4 耦合腔耦合腔SWS2.3 Helix慢波慢波系统系统微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院目目 录录2.1 概论概论2.2 慢波系统的一般慢波系统的一般特性特性2.4 耦合腔耦合腔SWS2.3 Helix慢波慢波系统系统微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.2 慢波系统的一般特性慢波系统的一般特性 重入式谐振腔重入式谐振腔一般用在速调管中一般用在速调管中，多腔谐振系多腔谐振系统一
11、般用在磁控管中，统一般用在磁控管中，开放式开放式波导谐振腔一般用在波导谐振腔一般用在回旋管中。谐振腔的一般特性在回旋管中。谐振腔的一般特性在微波技术基础微波技术基础课上课上都会都会讲解，这里我们就不再讲述。而慢波系统讲解，这里我们就不再讲述。而慢波系统一般只在微波电子学等专门的课程中讨论，所一般只在微波电子学等专门的课程中讨论，所以我们主要讲解。以我们主要讲解。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.2 慢波系统的一般特性慢波系统的一般特性2.2.1 构成慢波系统的条件构成慢波系统的条件 在在本书的本书的1.2节中节中：，
12、：自由空间波数（自由空间波数（wavenumber(vector)）弧度弧度数（数（）在在传播状态下传播状态下，,（）。（rad/m）微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.2 慢波系统的一般特性慢波系统的一般特性 （a），即，即k22，k，vpc；TE、TM，快波系，快波系统，例如波导统，例如波导。，（b），即即k22，k，于是，于是vpc；主模主模TEM，同轴线同轴线。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.2 慢波系统的一般特性慢波系统的一般特性
13、 （c），即即k22，k，vpc；HE，EH慢波系统，慢波系统，Helix，CC-SWS等。等。表面表面波特点：电磁场的横向分布将具有按指数规律或近波特点：电磁场的横向分布将具有按指数规律或近似按指数规律衰减的特点，换言之，场离开慢波系统的表似按指数规律衰减的特点，换言之，场离开慢波系统的表面即开始按指数规律衰减。面即开始按指数规律衰减。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.2 慢波系统的一般特性慢波系统的一般特性2.2.2 慢波系统的基本参量慢波系统的基本参量（1）色散特性：）色散特性：（a）Defination：随随
14、 变化变化的关系。的关系。（b）表示法）表示法：vpf曲线曲线、k曲线（布里渊图）曲线（布里渊图）图图21 色散特性的直接表示方法色散特性的直接表示方法 图图22 慢波系统的布里渊图慢波系统的布里渊图微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.2 慢波系统的一般特性慢波系统的一般特性（2）耦合阻抗）耦合阻抗 定义定义：为了表征慢波系统与电子注相互作用的有效程：为了表征慢波系统与电子注相互作用的有效程度，我们引进一个参数度，我们引进一个参数：。由于电子注与慢波系统中传。由于电子注与慢波系统中传输的混合模的输的混合模的 发生作用，
15、所以发生作用，所以：其中其中：微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.2 慢波系统的一般特性慢波系统的一般特性 通过通过SWS的电磁场平均功率的电磁场平均功率，：相位常数。相位常数。另外另外：SWS单位长度的电磁场储能密度单位长度的电磁场储能密度，：能速。能速。平均功率平均功率流流密度密度 ，微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.2 慢波系统的一般特性慢波系统的一般特性 所以：所以：讨论讨论：（：（for all the cases）（a）对于正常色
16、散）对于正常色散dvp/d0，正色散，当，正色散，当dvp/d越大，即色散越强，越大，即色散越强，vg愈小，愈小，kc就愈高就愈高；（b）对于异常色散）对于异常色散dvp/d0，当，当 时，时，vg0，正色散，正色散，当当 越大，越大，vg越大，越大，kc就越小；就越小；微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.2 慢波系统的一般特性慢波系统的一般特性当当 时，时，vgc时，传播时，传播TM01模，快波。模，快波。当当 c时时，TM01波波被截止。被截止。微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大
17、学物理电子学院电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS （b）当）当b0时，这时圆波导被分隔成一个个独立的完时，这时圆波导被分隔成一个个独立的完全相同的谐振腔。根据谐振腔的选频特性，此时主模全相同的谐振腔。根据谐振腔的选频特性，此时主模TM010模，当工作频率模，当工作频率0c时，时，EM波才可能被耦合进谐振腔，波才可能被耦合进谐振腔，从而也才有能量从而也才有能量可可以以从从谐振腔谐振腔中中被被耦合耦合出来，所以在出来，所以在c附附近成为通带；其余频率范围内成为阻带。见曲线近成为通带；其余频率范围内成为阻带。见曲线3。（c）当）当0ba时，即一般圆盘加载波导的情况，这是时，即一般圆盘
18、加载波导的情况，这是典型周期系统，色散曲线见图典型周期系统，色散曲线见图2。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS圆波导情形圆波导情形圆盘加载波导圆盘加载波导Disk-loaded circularwaveguide 休斯耦合腔休斯耦合腔 The“Hughes”Structure谐振腔谐振腔图图2-10 耦合腔（圆盘加载波导）的色散特性耦合腔（圆盘加载波导）的色散特性微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS
19、2.4.3 交错排列耦合孔耦合腔慢波系统的等效电路分析交错排列耦合孔耦合腔慢波系统的等效电路分析 由于由于耦合孔、缝的存在，场论的分析相当困难，一般耦合孔、缝的存在，场论的分析相当困难，一般采用等效电路分析法。采用等效电路分析法。（1）结构与特点）结构与特点 结构结构：见：见p369相邻相邻耦合孔成耦合孔成 交错排列！交错排列！图图211 休斯耦合腔慢波结构休斯耦合腔慢波结构微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS 特点特点：（a）全金属结构，导热性好，功率容量大，带宽窄。）全金属结构，导热性好，功率
20、容量大，带宽窄。（b）耦合孔形成的耦合是磁耦合，或称为电感耦合。）耦合孔形成的耦合是磁耦合，或称为电感耦合。对于对于TM010模式而言（耦合孔靠近管壁电流和磁场最强）。模式而言（耦合孔靠近管壁电流和磁场最强）。（c）耦合腔）耦合腔SWS的基波是返波（见的基波是返波（见2-10的的曲线曲线4），），其通带两端的截止频率是：（其通带两端的截止频率是：（，c）0c，c。耦合孔使得磁场减弱，磁场储能减小，而中心孔由于截止，耦合孔使得磁场减弱，磁场储能减小，而中心孔由于截止，对电场影响很小，电场储能基本不变，由对电场影响很小，电场储能基本不变，由微微扰扰理论理论可知，可知，此时谐振频率将降低，因此此时谐
21、振频率将降低，因此c，基波为返波。，基波为返波。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS （d）漂移管（）漂移管（drift tube）的存在，不仅使）的存在，不仅使TM01模（准模（准确地说确地说EH模）截止，而且使作用间隙（相邻漂移管之间的模）截止，而且使作用间隙（相邻漂移管之间的间隙）的纵向电场更加集中，绝大部分电力线终止于漂移间隙）的纵向电场更加集中，绝大部分电力线终止于漂移筒端面而不穿过圆筒；漂移管的存在还增加了纵向电场沿筒端面而不穿过圆筒；漂移管的存在还增加了纵向电场沿轴线（轴线（z向）分
22、布的向）分布的“非正弦非正弦”性，以增加空间谐波分量，性，以增加空间谐波分量，从而提高了从而提高了1次空间谐波的耦合阻抗。一般而言，行波管次空间谐波的耦合阻抗。一般而言，行波管放大器（放大器（CCTWT）工作在）工作在1次空间谐波上（前向波）次空间谐波上（前向波）。（e）电子通道是由中心孔（即漂移管）承担，系统的）电子通道是由中心孔（即漂移管）承担，系统的慢波传输通道由耦合孔完成。慢波传输通道由耦合孔完成。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS（2）等效电路）等效电路 等效电路等效电路的分析的分析
23、（a）假定无耦合隙缝时，谐振腔的谐振频率为）假定无耦合隙缝时，谐振腔的谐振频率为c，其，其值为值为：其中其中，L1，C1为腔体的等效电感和等效电容。为腔体的等效电感和等效电容。C1：由漂移管的端部构成；：由漂移管的端部构成；L1：由漂移管壁和腔体壁构成由漂移管壁和腔体壁构成微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS （b）当耦合隙缝存在时，每一个耦合隙缝也可以产生）当耦合隙缝存在时，每一个耦合隙缝也可以产生谐振。可以把缝隙视为一段两端短路的传输线，构成一个谐振。可以把缝隙视为一段两端短路的传输线，构成一
24、个半波长半波长resonator，则其谐振，则其谐振频率为：频率为：其中L2和C2分别为耦合缝隙的等效电感和等效电容。此时此时，由于耦合缝隙的存在，使谐振腔内的回路电流，由于耦合缝隙的存在，使谐振腔内的回路电流分成三个部分分成三个部分：，其中：其中：k为流经耦合隙缝（孔）的电流占全部电流的百分比。为流经耦合隙缝（孔）的电流占全部电流的百分比。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS 这样这样我们就可以我们就可以得到得到如下的如下的等效电路图等效电路图：并联后总电感：并联后总电感：L1。电感电感L1也被
25、分成了三个部分也被分成了三个部分：，微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWSCircuit in microwave form图图212 休斯休斯结构耦合腔结构耦合腔链链的的等效电路等效电路微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS注：该等效电路仅对注：该等效电路仅对0次谐波有效！次谐波有效！根据根据滤波理论（滤波理论（filter theory），我们可以推导出休斯），我们可以推导出休斯结构的色散方程结构的色
26、散方程：其中其中：L，L：为慢波结构的：为慢波结构的周期周期 Kc：耦合系数；：耦合系数；微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS c：腔的谐振频率；：腔的谐振频率；s：耦合缝隙的谐振频率：耦合缝隙的谐振频率 Filter theory:See Schelkunoff,1943.Electromagnetic waves,Van Nostrand,Chapter V.这种这种结构的色散特性具有如下特点：结构的色散特性具有如下特点：（a）存在两个通带，即腔通带与耦合孔通带。）存在两个通带，即腔通带与耦合
27、孔通带。当当耦合孔较小时，耦合孔较小时，较大较大，色散曲线为，色散曲线为实线实线 （solid curves）所示。）所示。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS图图213 休斯休斯系统色散曲线系统色散曲线微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS 当当耦合孔较大时，耦合孔较大时，较小较小，色散曲线为虚线（，色散曲线为虚线（broken curves）所示。）所示。分析分析其色散特性其色散特性：正常正常、反常
28、、反常 正、负正、负 （b）当耦合系数）当耦合系数Kc增加时，腔通带随之增宽。增加时，腔通带随之增宽。（c）通常情况下，）通常情况下，CCTWT是利用腔通带作为电磁波是利用腔通带作为电磁波与电子注相互作用的频带。但是，也有利用孔与电子注相互作用的频带。但是，也有利用孔通带通带的的，而而且这样的器件已经生产多年了。且这样的器件已经生产多年了。色散色散微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS（3）网络参量的计算）网络参量的计算 （a）c的计算，可参阅重入式谐振腔的计算。的计算，可参阅重入式谐振腔的计算。（
29、b）s的计算，把隙缝看成是一段两端短路的传输线，的计算，把隙缝看成是一段两端短路的传输线，构成一个半波长谐振腔，从而求出构成一个半波长谐振腔，从而求出s。（c）k的计算的计算：其中其中 为为耦合隙缝所张的角度。耦合隙缝所张的角度。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS （d）等效电感的计算）等效电感的计算：其中其中并联电阻并联电阻 和和品质因数品质因数 之之比，可以通过实比，可以通过实验或仿真软件求得。谐振频率验或仿真软件求得。谐振频率 也也可以类似求得。可以类似求得。这样这样 就就可以求出可以求出
30、 来。来。因为因为 。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院2.4 耦合腔耦合腔SWS 此外此外，还有其它，还有其它耦合腔耦合腔慢波慢波结构，结构，如如Chodorow-Nalos结构（双耦合孔耦合腔结构）。折叠波导结构（双耦合孔耦合腔结构）。折叠波导SWS（FWSWS）等。分析方法逐步由路的分析法转）等。分析方法逐步由路的分析法转到到精确精确的的场场分析法。在目前的分析法。在目前的TWT产品中，主流的产品中，主流的产产品品仍然是仍然是HTWT和和CCTWT。微波电真空器件国家级重点实验室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电子科技大学物理电子学院Thank You For your Attention!主讲人：段兆云主讲人：段兆云 教授教授E-mail：