微波器件原理

1.微波管参量：带宽、功率等的基本概念、分类带宽：是指微波振荡器或放大器在一定工作条件下，能满足一定技术指标要求的工作频率范围。

分类：绝对带宽，相对带宽，增益带宽，功率带宽，效率带宽，瞬时带宽，调谐带宽，冷带宽，热带宽；功率：连续波状态的功率，脉冲状态的功率，平均功率2.平板间隙中的感应电流，感应电流的产生过程，渡越角，耦合系数等概念，电子与场的能量交换过程。

0020112(1)()E a k a k x q q qx Q S E qk q d Q q S E x qa q Q q S E d E E d x d εεε-=⎫⎪⎧==-⎪⎪⎪⎪+=⇒⎬⎨⎪⎪=-=⎪⎪⎩⎪+-=⎭其中E 为当平板中没有从阴极飞向阳极的电子带只有外加电压c V 时的电场 (1)()x Qk Q qk Q q d x Qa Q qa Q q d ⎧=-+=-+-⎪⎪⎨⎪=+=+⎪⎩电流是由电荷的变化产生的，因而外电路中的电流：a dQ dQ q dx dQ q i v dt dt d dt dt d ==+=+ c d dV dQ i C dt dt ∴==感应电流：ind v i q d=，所以二极管电极外电路中流过的电流实际上是运动电荷q -在飞行过程中电极上感应电荷的变化引起的，成为感应电流。

设注入间隙的密度调制电子流为0m I sin i I t ω=+，0I 为电流的直流分量，m I 为电流的交变分量。

选择间隙中间为坐标原点，0t 为电子层通过0x =点的时刻，认为电子以直流速度0v 匀速通过间隙，则电子层到达x 处的时间为00x t t v =+，0dx dt v =，dx 层中的电荷为0dx dq idt iv ==，000ind v v dx dx di dq i i d v d d=== 200m 00m 0022I sin sin I sin 2dind ind dv d i di I t I M t d v ωωωω-∴==+=+⎰sin 22M θθ= 0d v ωθ= θ渡越角：电子在通过间隙的时间内密度调制的电子流变化的相位弧度数。

M ：电子流与间隙的耦合系数：反映电子流与间隙电场相互作用程度的一个量能量交换过程：电子流进入间隙场，若电子流的运动方向与间隙的电场同向，则电子流速度减小，将能量交出，若0v 和E 反向，则电子流受到加速，电子流吸收能量。

3.微波管互作用条件，微波管常见类型、分类，以及各种管型的互作用条件。

互作用条件：电子注只有在通过谐振腔的高频间隙时才与场发生相互作用（谐振腔型）；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（慢波线型）常见类型：谐振腔型和慢波线型分类：速调管，行波管，返波管，磁控管，回旋管速调管互作用条件：群聚电流基波分量最大时，电子注刚好通过输出高频间隙，即漂移管长度满足0121.84opt v l M αω=，能量交换过程自动完成，输出腔输出最大基波功率。

行波管互作用条件：电子注直流速度略大于行波相速（0p v v ≥）去，群聚中心及其两边的群聚电子将移入减速场区，电子交出能量多于获得能量，行波场得到放大。

磁控管：通过相位聚焦和电子挑选，使有利电子与高频场互作用，不断地将位能转化成动能，然后对失去部分动能转化成高频场的能量。

回旋管：①必须使电子具有足够大的回旋速度—横向能量。

②辐射场的频率ω必须略大于电子回旋频率c ω，即c ωω。

③必须有一定的互作用长度，以利于电子群聚及充分进行能量交换。

4.速调管工作原理，分几部分，各部分起什么作用。

工作原理：①微波信号输入输入谐振腔，在高频间隙上产生高频交变电压，当从阴极发出的均匀的电子注通过间隙时，在高频电压正半周时，对通过的电子加速，负半周时对通过的电子减速，所以电子注在离开高频间隙时，速度已不再均匀，但它们之间的相对位置还来不及变化，该过程为速度调制；②电子注离开间隙进入漂移管，由于偏移管是一个等电位空间，速度调制后的电子在漂移管中作惯性运动，引起速度不等的电子之间发生追赶现象，使电子注变得有稀有密，不均匀，该过程为密度调制。

③电子密集的区域称为群聚块，已群聚的电子注穿过输出谐振腔时，在腔内建立起感应电流，并由此在输出高频间隙上形成高频电压，该电压又反过来作用在电子注上。

输出腔离开输入腔距离的选择使得速度调制的电子注正好形成最强烈的群聚，群聚电子在输出腔感应电流产生减速场使电子受到减速，失去自己的部分能量交给高频场，使场放大。

速调管分为以下几个部分：①电子枪：产生密度均匀的电子注；②高频结构（输入谐振腔，漂移管，输出谐振腔）电子注在高频系统中完成与高频场的能量交换，将自身的直流能量部分的交给高频场使微波信号得到放大；③收集极：飞出高频结构的电子流最后打上收集极，并在收集极上以热能形式消耗掉剩余能量；④聚焦系统：为了防止电子注因空间电荷力而扩散，聚焦系统可以使电子注保持一定直径而不致打上高频系统；⑤能量输入装置：输入高频交变电压，完成对电子注的速度调制；⑥能量输出装置：输出放大后的高频场。

5.速调管中速度调制的详细过程。

微波信号输入输入谐振腔，在高频间隙上产生高频交变电压，当从阴极发出的均匀的电子注通过间隙时，在高频电压正半周时，对通过的电子加速，负半周时对通过的电子减速，所以电子注在离开高频间隙时，速度已不再均匀，但它们之间的相对位置还来不及变化，该过程为速度调制。

6.速调管群聚参量表达式及物理意义。

群聚参量：11000sin()112222d m d v X M v θαθθθ== 0d d v ωθ= 00l v ωθ=l ：漂移管长度 物理意义：表示电子注的群聚能力，且1X =是出现超越现象的临界值。

7.电子群聚的相位图分析。

⑴群聚参量0X =，这时相位图为一条直线，其斜率121d t d t ωω=，当不存在调制时，所有电子均以初速度0v 运动，在1t ∆间隔内进入漂移管的电子必定在相同时间间隔内离开漂移空间，电子注密度始终均匀，没有受到调制⑵ 01X <≤，相位图上的直线变成了曲线，曲线上各点的斜率不同，表明在不同时刻出发但在相同时间间隔1t ∆内进入漂移空间的各批电子，在离开漂移空间时间间隔2t ∆已不同即21t t ∆≠∆，且由曲线斜率可知，2211dt t k dt t ∆==∆，可分析得出，在10t ω=附近，211t t ∆<∆，电子注密度增大，1t ωπ=±附近，211t t ∆>∆，电子注密度减小。

当1X =时，相位图上10t ω=附近很小的1t ∆内，由于曲线在10t ω=处斜率为0，所以电子注将在无限小的2t ∆间隔内离开漂移管。

⑶ 1X >，曲线出现与横坐标有多处相交，即1t ω成为（20t ωθ-）的多值函数，表示在漂移管中快电子赶上并超越了慢电子，出现了所谓超越现象。

8.速调管最佳漂移长度的计算。

群聚电流2020112()cos ()n n i I J nx n t ωθ∞=⎡⎤=+-⎢⎥⎣⎦∑，由贝塞尔函数的值与nx 的关系可知，1, 1.84n x ==时，贝塞尔函数达到最大值，1()0.582J x =，相应的基波电流也达到最大值m 0I 1.164ax I =，可见 1.84x =时，速调管达到最佳群聚状态0101211.84 1.842v x M l M αθαω==⇒= sin 22d d M θθ= 9.输出腔间隙中的能量交换过程。

已群聚的电子注穿过输出谐振腔时，在腔内建立起感应电流，并因此在输出间隙上形成高频电压，该电压反过来又作用在电子注上，群聚的电子注是一个在方向上运动并穿过输出间隙，不会出现方向的变化，而只有幅值大小的周期变化。

而间隙上的高频电压只有交变电压，所以在这种作用下，群聚的电子注出现了加速区和减速区，电子集中在高频场负半周交出能量，只要保证群聚电流基波分量最大时电子注刚好通过输出腔高频间隙，即漂移管有最佳漂移长度，能量交换过程自动完成，输出腔输出最大基波功率。

10.周期结构中的慢波特性，空间谐波概念，相位常数表达式及含义。

① 在周期结构慢波系统中，电磁波的传播也具有周期性，符合周期性定理，即弗洛奎定理该定理叙述为：在一给定频率下，对一确定的传输模式。

沿周期系统传输的波在任一截面上的场分布与离该截面整数个周期处的场，只差一个复数常数，数学表达式：0(,,)(,,)nl E x y z nl E x y z e γ-+=，0γ为传播常数，l 为周期。

② 在周期系统中传播的波，由于结构的空间周期性，波的场分布也具有周期性，因而可以分解成无数个谐波，这些谐波就成为空间谐波。

③ 相位常数pv ωβ=，含义：波在媒质中进行单位长度时所引起的相位变化和弧度数。

11.从周期结构和色散曲线出发，掌握前向波、返波、基波和高次谐波概念以及行波管、返波管的工作点选取。

（正色散）前向波：p v 和g v 同号成为前向波，0,0p g v v >>时正常色散；0,0p g v v ≤≤时，异常色散 返波：p v 和g v 异号（负色散）：异常色散基波：0次空间谐波又称为基波高次谐波：行波管，返波管工作点选取。

12.周期结构中的相速，群速，耦合阻抗概念及各参量的意义。

相速：001p pn p n v v n L ωλβ==+各空间谐波具有不同的相速，即在传播相同距离后，各谐波变化的相位不同。

群速：0gn g g nv v v ωβ∂===∂，同一模式的所有空间谐波群速相同，都等于基波群速。

耦合阻抗：22()2zm n cn n E k Pβ=，表征慢波系统与电子注相互作用的有效程度。

13.行波管组成部分，各部分的作用。

⑴电子枪：产生具有一定形状和电流强度的电子注，并将电子注加速到一定速度以便和慢波线上的电磁场交换能量。

⑵聚焦系统：用电磁场抵消电子注和空间电荷推斥力，约束电子注使其能顺利通过整个慢波系统而不被截获。

⑶慢波结构：传输高频电磁行波并使电磁波的相速降到同步速度，慢波结构也是电磁场对电子注实现调制，而调制后的电子注交出直流能量放大高频场的机构。

⑷输入输出装置：通过输入输出装置将高频输入信号能量耦合到慢波线上和将已放大的高频信号能量耦合到输出回路上去。

⑸收集极：用来收集已经和电磁场换能完毕后的电子，这时电子速度仍然很大，打上收集极时将转化成热能耗散掉。

14.行波管工作原理。

电子注刚进入慢波线时，密度均匀，在运动坐标系中，随着时间的推移（假设e p v v =），处在行波场正半周的电子由于e v 和E 同向，而被减速，处于行波场负半周的电子由于e v 和E 反向而被加速，而处于行波场零点的电子仍以e v 匀速地与场一同前进。

若e p v v =，且电子注密度均匀，这时处于减速场与处于加速场的电子同样多，前者向场交出能量，后者从场获得能量，交出与获得的相等，电子注与高频场没有净能量交换。