【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 行波管的放大鏈發(fā)射機(jī)，選擇哪個(gè)調(diào)制器加脈沖電壓即可選擇三種輸出功率電平。功率編程，也稱(chēng)做饋通工作（Feedthrough operation）特別適合3D雷達(dá)應(yīng)用，因?yàn)樗试S在大掃描角下用減少峰值功率來(lái)保持相同的平均功率。正交場(chǎng)放大管的低插入損耗還允許輸出端反射功率通過(guò)管子回送到輸入端。在許多情況下，輸入端反射回的功率會(huì)超過(guò)激勵(lì)功率，因此，必須在正交場(chǎng)放大管放大鏈各級(jí)間加上有適當(dāng)額定值的隔離器[3][25]。磁控管的某些常見(jiàn)問(wèn)題在正交場(chǎng)管中也同樣存在。詳細(xì)情況可參見(jiàn)磁控管“常見(jiàn)問(wèn)題”（）中所討論的打火、跳模、噪聲環(huán)、寄生射頻輸出、射頻泄漏等。一個(gè)主要的差別在于，因?yàn)樯漕l激勵(lì)在電壓上升期間出現(xiàn)，許多（而不是全部）陰極脈沖調(diào)制的正交場(chǎng)放大管允許有比磁控管快得多的電壓上升速率。同樣由于射頻激勵(lì)已經(jīng)存在，在所希望的模式上沒(méi)有起動(dòng)時(shí)間的延遲；但p模振蕩需要一個(gè)有限的起動(dòng)時(shí)間，如果電壓上升快速通過(guò)它的起動(dòng)區(qū)間，則p模就不能建立。在直流運(yùn)用的正交場(chǎng)放大管中，由于陰極電壓一直保持滿額定值，p模振蕩無(wú)法建立。速調(diào)管多腔速調(diào)管以其高增益和大功率而聞名。但在20世紀(jì)50年代它的帶寬只有1%或更低一些，只有對(duì)腔體進(jìn)行機(jī)械調(diào)諧，才能得到寬頻帶，通常使用同調(diào)（用一個(gè)調(diào)諧旋鈕或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)調(diào)諧所有的腔體）。盡管在速調(diào)管增益與帶寬間進(jìn)行折中是可行的，但速調(diào)管的參差調(diào)諧比中頻電路復(fù)雜得多。速調(diào)管的頻率響應(yīng)是中間增益的乘積以及其全部獨(dú)立腔體響應(yīng)的總乘積；某些調(diào)諧組合會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的諧波輸出，并且寬帶的小信號(hào)增益不能確保寬帶的飽和增益。由于強(qiáng)電子注給腔體提供大負(fù)載，速調(diào)管的帶寬隨功率電平的增大而增大[16]。 長(zhǎng)作用腔現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)的使用使得確定調(diào)諧各腔的最佳方案成為可能，速調(diào)管的帶寬迅速增大。在固定腔體調(diào)諧下3 dB帶寬達(dá)8%，個(gè)別的可達(dá)11%（Varian VA—812C）。速調(diào)管帶寬的展寬也部分地決定于電子注導(dǎo)流系數(shù)的改進(jìn)，但更重要的是輸出腔設(shè)計(jì)的改進(jìn)。無(wú)論前面的增益或激勵(lì)有多大，輸出腔的功率帶寬特性決定了從通過(guò)這個(gè)腔的電子注里能吸取出的能量。因此在寬帶速調(diào)管里，用雙重調(diào)諧或三重調(diào)諧的腔體，有時(shí)稱(chēng)為長(zhǎng)作用腔（Extendedinteraction circuit）[26][27]，取代單腔。長(zhǎng)作用腔是在一個(gè)腔體內(nèi)有多個(gè)作用縫隙以從電子注中取能。這種組腔技術(shù)也推廣到了前面的腔體中。在發(fā)現(xiàn)組中各腔體不必相互耦合后，聚腔速調(diào)管（Clusteredcavity klystron[28]）可達(dá)到20%的帶寬。盡管其復(fù)雜性與價(jià)格高于一般速調(diào)管，聚腔速調(diào)管仍然較性能相似的行波管或行波速調(diào)管簡(jiǎn)單、便宜。行波管小功率螺線形行波管在帶寬上仍占第一位。由于在所有頻率上其相速基本不變，螺線使行波管的帶寬超過(guò)倍頻程。螺線形行波管沒(méi)有用于大功率雷達(dá)，因?yàn)榇蠊β室蟾邏弘娮幼ⅲ娮铀俣忍?，則難以與螺線上的低速射頻波同步。螺線形行波管最高運(yùn)用于10kV，峰值功率約幾千瓦。為了得到大功率，需使用其他類(lèi)型的有較高射頻速度的慢波電路，而這些慢波結(jié)構(gòu)的帶通特性可能導(dǎo)致帶邊振蕩。此外，在慢波線上會(huì)同時(shí)傳播前向波和反向波，這可能引起返波振蕩。根據(jù)不同線路，還可能產(chǎn)生其他振蕩。由于這些原因，大功率行波管的研制落后于速調(diào)管，到目前仍然較貴。1963年，Varian公司用三葉草形線路研制出兆瓦級(jí)的脈沖行波管（）[29]，這種三葉草形慢波結(jié)構(gòu)既重又堅(jiān)實(shí)，足以承受與速調(diào)管相當(dāng)?shù)墓β?。大功率行波管的慢波結(jié)構(gòu)包括螺線形結(jié)構(gòu)（反繞螺線或環(huán)桿線路）和耦合腔電路（如三葉草線路）以及梯形網(wǎng)絡(luò)（Ladder network）[30]。當(dāng)功率在100 kW以下，環(huán)桿線路的帶寬比耦合腔電路寬，效率也高；在200 kW以上或低于200 kW但受平均功率限制，耦合腔線路則占優(yōu)勢(shì)[31]。如果采用耦合腔電路的行波管是陰極脈沖調(diào)制的，則在脈沖電壓上升或下降過(guò)程中的某一時(shí)刻，電子注速度和射頻電路的截止頻率（p模）同步，這會(huì)引起振蕩。在射頻輸出脈沖前后沿所產(chǎn)生的特殊振蕩形狀稱(chēng)為“兔耳”（）。很少能完全抑制這種振蕩。由于這種特殊振蕩決定于電子速度，而電子速度又取決于注電壓，因此，采用脈沖調(diào)制陽(yáng)極或柵極可以防止它的產(chǎn)生（在本節(jié)后面說(shuō)明）。在這種情況下，只要保證不在加高壓期間就加上陰極調(diào)制脈沖，而是等高壓加到約60%～80%的滿值時(shí)，即超過(guò)引起振蕩的安全值時(shí)，再加上調(diào)制脈沖。 三葉草形慢波結(jié)構(gòu) 陰極脈沖調(diào)制的行波管和射頻輸出包絡(luò)上的“兔耳”振蕩為了防止由于輸入端和輸出端反射引起的振蕩，在大功率行波管的慢波線中間，必須有不連續(xù)性，即切斷（Sever）。雖然沿慢波線分布損耗也能防止振蕩，但它會(huì)降低效率，對(duì)大功率管是不利的。一般達(dá)到15～30 dB增益的每節(jié)管子都有一個(gè)切斷。在每個(gè)切斷處，已調(diào)制的電子注載運(yùn)信號(hào)繼續(xù)前進(jìn)，而沿慢波線傳播的功率被耗散在切斷處的負(fù)載中，這樣就消除了反向傳輸功率。切斷處的負(fù)載可以放在管外，以減少射頻結(jié)構(gòu)內(nèi)的功率耗散。行波管的效率低于速調(diào)管，這是因?yàn)楸３址€(wěn)定需要負(fù)載，同時(shí)也因沿整個(gè)結(jié)構(gòu)的大部分都存在有較高的功率。提高大功率行波管效率的一個(gè)重要手段是所謂“速度漸變”（Velocity tapering），運(yùn)用這種方法時(shí)，對(duì)慢波線最后幾節(jié)的長(zhǎng)度進(jìn)行漸變，以便能與換能后失速的電子注相適應(yīng)。速度漸變?cè)试S從電子注中取出更多的能量，并顯著改進(jìn)管子的功率帶寬特性[31]。但大功率行波管在帶邊的功率輸出一般有顯著下降，它的額定帶寬在很大程度上取決于整個(gè)系統(tǒng)所能允許的功率跌落。降壓收集極[16][32]可以顯著提高行波管（速調(diào)管）的效率。在中等電壓下的多收集極節(jié)在近于最佳電壓時(shí)吸收每個(gè)失能的電子。通信領(lǐng)域用到多于10個(gè)收集極節(jié)的行波管，3節(jié)大功率行波管（）是現(xiàn)代雷達(dá)中典型的應(yīng)用。降壓收集極的各種不同電壓需求使高壓電源變得較為復(fù)雜，幸運(yùn)的是收集極電壓并不像電子注電壓那樣要求嚴(yán)格的穩(wěn)壓。行波速調(diào)管1963年Varian公司研制了一個(gè)復(fù)合管，前面幾節(jié)都是速調(diào)管腔體，輸出級(jí)用了三葉草行波結(jié)構(gòu)。當(dāng)時(shí)的目的是從腔體對(duì)電子注能更有效地群聚出發(fā)，企圖提高S波段寬帶行波管VA—125的效率。結(jié)果不僅效率略有提高，而且由于腔體調(diào)諧的靈活性加上后面的寬功率帶寬能力的行波輸出腔，從而在帶寬方面也有了顯著的改進(jìn)。為了補(bǔ)償行波管輸出級(jí)在邊帶的增益跌落，有意識(shí)地在邊帶頻率處將前面幾級(jí)速調(diào)管腔的增益調(diào)高。因?yàn)樗糠謱偎僬{(diào)管，部分屬行波管，故命名為行波速調(diào)管[33]。在VA—145中可達(dá)14%的3 dB帶寬，或12%的1 dB帶寬，在中心頻率有41 dB增益和48%的效率。雖然比大多數(shù)速調(diào)管復(fù)雜且昂貴，但與除了聚腔速調(diào)管之外的其他速調(diào)管相比，在同樣的大功率下，行波速調(diào)管具有較寬的帶寬。 多降壓收集極射頻管的選擇。影響選管的因素主要有價(jià)格、帶寬、噪聲、控制電極、增益、尺寸、電壓及可用率（未在表中列出）等。線性注管噪聲小，增益高，可以柵控；正交場(chǎng)管體積小，重量輕，可低電壓工作、且價(jià)格低。有時(shí)某個(gè)參數(shù)特別重要，設(shè)計(jì)師不得不容忍其他所有次要不利參數(shù)。常見(jiàn)的是，系統(tǒng)可選幾種方案，根據(jù)費(fèi)用、時(shí)間以及性能特性方面折中解決。電壓電壓影響高壓電源和調(diào)制器的尺寸、價(jià)格，以及X射線輻射是否嚴(yán)重。增益增益在很大程度上決定放大鏈所需的級(jí)數(shù)，即它的復(fù)雜性（部件數(shù)量、控制、故障監(jiān)控、維護(hù)等）。 大功率脈沖放大管（在相同的頻率及峰值和平均功率下進(jìn)行比較）線性注管正交場(chǎng)管*速調(diào)管行波管常規(guī)高增益電壓高壓（1 MW約需90 kV）低壓（1 MW約需40 kV）增益30～70 dB8～15 dB15～30 dB帶寬%～8%**10%～15%10%～15%X射線嚴(yán)重，但鉛屏蔽可靠不是問(wèn)題效率基本15%～30%35%～45%降壓收集極40%～60%離子泵大型管需要自消氣重量重輕尺寸大小價(jià)格中等高中等寄生噪聲***90 dB55 dB70 dB寄生模式(典型)無(wú)陰極脈沖調(diào)制在上升與下降沿有p模振蕩，調(diào)制陽(yáng)極與柵極調(diào)制無(wú)此現(xiàn)象陰極脈沖調(diào)制在上升與下降沿有p模振蕩，管子加電而無(wú)射頻激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生滿功率噪聲輸出可用動(dòng)態(tài)范圍40～80 dB數(shù)分貝控制電極無(wú)或調(diào)制陽(yáng)極、柵極無(wú)或關(guān)斷電極磁場(chǎng)周期永磁體在S波段可達(dá)1 MW，否則用螺線管，桶形永磁與靜電聚焦不需要永磁動(dòng)態(tài)/靜態(tài)阻抗比～相位調(diào)制靈敏度5176。～40176。（1%ΔE/E）176?！?176。（1%ΔI/I）* 分布發(fā)射，重入式，環(huán)形。** 在高成本下，聚腔速調(diào)管帶寬可達(dá)10%～15%。 *** 在1 MHz帶寬下。帶寬這里指的是管子的瞬時(shí)帶寬，即在不加調(diào)諧情況下的帶寬。管子帶寬必須和整機(jī)要求的帶寬相適應(yīng)；而整機(jī)帶寬也必須根據(jù)已有的或假定的管子帶寬來(lái)決定。X射線輻射它影響發(fā)射機(jī)重量，因?yàn)樾栌闷帘蝸?lái)保護(hù)工作人員和敏感的半導(dǎo)體器件。效率它嚴(yán)重地影響發(fā)射機(jī)的重量、價(jià)格、冷卻要求，以及輸入功率。表中的數(shù)字不包括燈絲、螺線管線包和冷卻系統(tǒng)消耗的功率，它們有可能是較大的。離子泵射頻管中的剩余氣體影響其真空度并導(dǎo)致射頻或直流擊穿，VacIon（Varian Associates公司的商標(biāo)）泵可用來(lái)保持管子的真空度（甚至在處于存儲(chǔ)狀態(tài)時(shí)），并指示真空的質(zhì)量。大多數(shù)正交場(chǎng)管不需要離子泵，因?yàn)樗鼈児ぷ鲿r(shí)會(huì)自行消氣。重量與尺寸，但是大功率線性注管的螺線管及其高壓使線性注管發(fā)射系統(tǒng)的重量和尺寸遠(yuǎn)大于正交場(chǎng)放大管發(fā)射系統(tǒng)。價(jià)格表中所列僅指管子的價(jià)格，參見(jiàn)下面“控制電極”部分，評(píng)論同樣適用于研制成本和單元價(jià)格。寄生噪聲雷達(dá)波段日益擁擠，不斷提高的對(duì)接收機(jī)靈敏度以及對(duì)電磁兼容性的要求，使寄生噪聲成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。寄生噪聲包含下列四方面。（1）諧波。線性注管和正交場(chǎng)放大管所產(chǎn)生的二次諧波功率約為25 dB（相對(duì)于基波輸出），三次諧波為30 dB，諧波頻率越高功率就越小。盡管從一種管子的設(shè)計(jì)改為另一種管子的設(shè)計(jì)時(shí)，這種參數(shù)變化巨大，但在線性注管和正交場(chǎng)管之間一般沒(méi)有太大的差別。如果諧波功率輸出是一個(gè)問(wèn)題的話，可使用性能優(yōu)越的大功率微波濾波器。（2）鄰帶的寄生噪聲。在行波管和正交場(chǎng)放大管中都會(huì)產(chǎn)生鄰帶干擾，一般出現(xiàn)在通帶上百分之幾（前向波管）或在通帶下百分之幾（返波管）的鄰?fù)◣?nèi)。陰極脈沖調(diào)制的管子中問(wèn)題較嚴(yán)重，但在柵極脈沖調(diào)制和陽(yáng)極脈沖調(diào)制行波管或直流運(yùn)用的正交場(chǎng)放大管中，則可避免這種干擾。如果這種干擾存在，除非它離工作頻帶太近，一般可以用濾波器濾掉。（3）帶內(nèi)寄生噪聲。，對(duì)整機(jī)影響最嚴(yán)重，而且一般無(wú)法過(guò)濾。帶內(nèi)噪聲能干擾其他整機(jī)，或影響本機(jī)動(dòng)目標(biāo)指示系統(tǒng)的對(duì)消作用，以及影響脈沖壓縮副瓣電平。帶內(nèi)噪聲也限制了脈沖成形對(duì)頻譜的改善（），它也可由射頻激勵(lì)源產(chǎn)生（）。（4）脈間噪聲。與上三項(xiàng)不同，脈間噪聲來(lái)自一個(gè)在脈沖間認(rèn)為是完全截止的管子。脈間產(chǎn)生的噪聲影響較大，因?yàn)閹缀踉谒械睦走_(dá)系統(tǒng)中，這類(lèi)噪聲直接進(jìn)入接收機(jī)并制造假目標(biāo)或屏蔽真實(shí)目標(biāo)。在陰極調(diào)制管內(nèi)，脈沖之間管子上無(wú)高壓，所以除非調(diào)制脈沖的后沿或反擺太大（引起噪聲環(huán)，），否則對(duì)接收機(jī)是沒(méi)有干擾的。工作于直流的正交場(chǎng)放大管或柵極、陽(yáng)極調(diào)制的線性注管，在脈沖之間管子上仍有高壓，即使只有很小的電流流過(guò)管子，也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲。由于所有直流運(yùn)用的正交場(chǎng)放大管都用冷陰極，除非加上射頻激勵(lì)，否則就沒(méi)有電流。對(duì)于線性注管，電子注電流必須很好地截止，以保證噪聲輸出（和放大的輸入信號(hào)）足夠小。盡管峰值輸出功率和接收機(jī)噪聲電平間有200 dB的差別，大多數(shù)射頻管都能滿足脈間噪聲的要求。問(wèn)題最嚴(yán)重的是老式截獲柵型線性注管，因?yàn)榧词龟帢O電流已截止，熱柵極也能發(fā)射并產(chǎn)生殘余的電子注流。寄生模式表中所列寄生模式是常見(jiàn)的。在設(shè)計(jì)良好的管內(nèi)，這些模式可全部被抑制；但設(shè)計(jì)不好時(shí)，帶邊振蕩和諧波振蕩等其他模式也會(huì)出現(xiàn)?？捎脛?dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)范圍和線性度對(duì)脈沖成形十分重要。控制電極決定所需調(diào)制器型式，從而影響整機(jī)的尺寸、重量、價(jià)格和復(fù)雜程度?？刂齐姌O可免于使用全功率陰極脈沖調(diào)制器，調(diào)制陽(yáng)極可用在任何線性注管，調(diào)制陽(yáng)極如同一個(gè)m 值為1的控制柵，便宜、可靠；除極大功率的線性注管外，高m柵是可行的，它能簡(jiǎn)化對(duì)調(diào)制器的要求，但會(huì)增加管子的成本和降低可靠性與壽命。磁場(chǎng)除少量靜電聚焦速調(diào)管外[34][35]，所有的磁控管、正交場(chǎng)管、速調(diào)管、行波管都需要磁場(chǎng)控制電子注的路徑。幾乎所有正交場(chǎng)管使用恒磁鐵。除大功率線性注管使用螺線管外，一般采用周期恒定磁場(chǎng)聚焦（Periodic permanent magnet focusing）。使用螺線管會(huì)影響發(fā)射機(jī)的尺寸、重量、效率、成本、維護(hù)和管子保護(hù)。動(dòng)態(tài)阻抗它是指外加電壓改變時(shí)，管子電流的變化率（）。此參數(shù)的意義決定于所用的調(diào)制器類(lèi)型；在脈內(nèi)給定功率降低這個(gè)參數(shù)的條件下，這個(gè)指標(biāo)影響高壓電源電容器組的尺寸（）。相位調(diào)制靈敏度它指出發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)師該如何努力來(lái)保證滿足整機(jī)的相位穩(wěn)定度要求（）。雖然在線性注管和正交場(chǎng)管中這個(gè)因素差別較大，但它不是選擇管子的關(guān)鍵因素。由于它對(duì)高壓電源濾波器的尺寸或調(diào)制器的復(fù)雜程度有影響，所以要考慮對(duì)整機(jī)的尺寸、重量和費(fèi)用做出折中。獲得動(dòng)目標(biāo)指示系統(tǒng)所需的極低的波紋電平總是可能的，它只受固有噪聲（包括抖動(dòng)和起動(dòng)時(shí)間噪聲）的限制。對(duì)脈沖壓縮系統(tǒng)，不論線性注管或正交場(chǎng)管，用剛管調(diào)制器比線性調(diào)制器容易在整個(gè)脈沖內(nèi)避免環(huán)形振蕩[36]。壽命線性注管和正交場(chǎng)管都具有長(zhǎng)壽命（在某些情況下達(dá)40 000 h）的可能性。但設(shè)計(jì)不佳，開(kāi)發(fā)缺陷，錯(cuò)誤使用或處理不當(dāng)也可能造成很短的壽命。要達(dá)到長(zhǎng)壽命如10 000 h或更長(zhǎng)些，就要求合理地選擇功率定額，對(duì)陰極電流密度留有余地，仔細(xì)地考慮管子與發(fā)射機(jī)的配合。射頻管功率容量因?yàn)樯漕l管的峰值功率容量已大大提高，所以實(shí)際波導(dǎo)內(nèi)的擊穿成為其限制因素。甚至在波導(dǎo)內(nèi)有20 lb/in2的SF6時(shí)也能導(dǎo)致?lián)舸Ｒ虼?，?0世紀(jì)60年代初期以來(lái)，雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)是運(yùn)用適當(dāng)波形（如脈沖壓縮）提高占空系數(shù)，以求不需進(jìn)一步增大峰值功率而得到較大的平