第一章 微波电真空器件概述

带宽。（放大器）
（b）调谐带宽： 又称之为调谐范围 （振荡管）。
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微波电真空器件国家级重点实验室 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。
（b）脉冲状态下的功率： ˆ2 V ˆ 峰值功率： P R 是指调制脉冲峰值点的功率。
R :负载电阻，V ˆ :调制脉冲在恒定负载电阻R两端的
峰值电压。 脉冲功率： Pp

1

0
P(t )dt
指在一个调制脉冲的持续时间 内微波功率的平均值。
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微波电真空器件国家级重点实验室 1.2 微波管的主要参量
1.2 微波管的主要参量
1.3 微波真空器件中的电子注
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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
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微波电真空器件国家级重点实验室 1.2 微波管的主要参量
（1）Gain:
G 10lg P out P in dB
（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.
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微波电真空器件国家级重点实验室 1.2 微波管的主要参量
（2）B.W.: （Bandwidth） 一般的定义：
（a）绝对带宽： f f max f min
f （b）相对带宽： f0
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。
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微波电真空器件国家级重点实验室 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：
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第一章 微波电真空器件概论
主讲人：段兆云 教授
E-mail：zhyduan@
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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
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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。
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f
1 2 LC
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。
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微波电真空器件国家级重点实验室 1.1 微波电真空器件的发展
（c） f ,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：
4 Ia 0 9 2e V Sa m d ak
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. Rusin and G. D. Bogomolov发明 了Orotron; 1973年日本学者K. Mizuno and S. Ono发明 了Ledatron. THz Source，基于Smith-Purcell effect。 1970s: FEL，Stanford Univ.， J. Madey教授。
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。
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微波电真空器件国家级重点实验室 1.2 微波管的主要参量
电子效率：
Pe e 100% I 0V0
Pout 100%（习惯上） I 0V0
Pe：高频场得到的功率，I0V0：电子注的直流功率。 线路效率：
f max n 2 （c）倍频程： f ，n个倍频程带宽。 min
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微波电真空器件国家级重点实验室 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
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 。
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微波电真空器件国家级重点实验室 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
T 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 f Microwave
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。
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微波电真空器件国家级重点实验室 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？
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1.1 微波电真空器件的发展
0.1-10 THz (广义)
0.3-3 THz （狭义）
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微波电真空器件国家级重点实验室 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。
（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)
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1952年出版论文（法国C. S. F Lab.）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。
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1.1 微波电真空器件的发展
Pout 100% P0
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。
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微波电真空器件国家级重点实验室 1.2 微波管的主要参量
严格地讲：

Pout Pin 100% P
0
P P
Pf P m P cl
微波电真空器件国家级重点实验室 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）:
3 2 a
当 T 与

d ac
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。
电子室 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。
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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。
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微波电真空器件国家级重点实验室 1.3 微波真空器件中的电子注
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。 （The Netherlands） 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。
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（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（ Pt ）的平均值：
1 P nT

nT
0
P t dt
n：求平均功率所取的周期数， T：调制信号周期。
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I P 3 2 V 6 10 （
P ）微朴
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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（ J ） 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。
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1.1 微波电真空器件的发展
1937年瓦里安兄弟(Varian Brothers, Stanford University, Hansen)发明了速调管(Klystron)。 1943年康夫纳尔发明了TWT （Kompfner）建议BWO “O”型器件应用于 Pierce, Bell LAB
c
Pout 100% Pe
Pe Pout , Pe Pout PRFloss
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1.2 微波管的主要参量
1.3 微波真空器件中的电子注
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1.1 微波电真空器件的发展
1.2 微波管的主要参量
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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。
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平均功率： P Pp

T

1 Q 称为占空比。 Pp：脉冲功率， T
图1－7 重复脉冲的平均功率 电子科技大学物理电子学院
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（c）功率单位： W， MW， kW， GW。
dB，dBm（m:1mW)，dBW（W:1W)
（4）efficiency：
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
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微波电真空器件国家级重点实验室 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。
0.1-30 GHz 30-300 GHz 300-3000 GHz THz 微波 毫米波或亚（sub）毫米波
（1）轴对称收敛型电子枪（focusing electrode）
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：
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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 电子科技大学物理电子学院