阿特勒管实用结构的研究
阿特勒管是一种具有特殊结构的低噪声行波管。本文在理论分析的基础上,研究了阿特勒管的实用结构。按照此结构制造的管子,可达到增益≥15dB、噪声系数≤4的水平。
20世纪60年代以前,低噪声行波管均是基于电子注与纵向电场的相互作用的工作原理,以及基于慢波电路上的慢波同电子注空间电荷波慢波分量之间的相互作用的关系而进行的,因此输出的噪声主要考虑了阴极发射上纵向起伏的作用,两个主要的噪声源是散粒噪声和拉克噪声,而在强磁场聚焦下的横向起伏部分则并未考虑,也未加以研究。从60年代初开始,人们开始着手对噪声横向分量和电子注对横向电场分量上的相互作用进行了探讨,并在实验室中研制出了回转电子注参量放大管,即阿特勒管,理论上可使噪声系数达到零分贝,但未推广使用。随着固态器件应用领域的不断扩展,高性能低噪声行波管的研究工作已不被人们所重视。但近年来,我们发现阿特勒管被成功地应用于国外某些先进武器装备系统中作为雷达接收机的前置放大器,在系统中发挥着关键作用,具有噪声系数小、抗烧毁能力强等特点,引起了我们的研究兴趣。本文在理论分析的基础上,着重研究一种阿特勒管的实用结构。
1、理论分析
阿特勒管是一种应用纵向直流磁场和横向交变电场使沿轴运动的电子注产生一定频率的回转以及应用注入频率的能量产生参量放大的行波管。电子注自阴极发射后经过阳极,当其进入横向交变电场和纵向直流磁场时,电子受到电磁场的作用,将回转成螺旋状前进。若调节直流磁场的强度,使磁场中的回转频率恰同信号频率同步,则电子注在行进于横向电场中时,将不断的自交变信号场中获得能量,而使回转半径越转越大,直到离开为止;其次,在同步频率上,电子注也聚集于圆周上。
经信号横向电场作用而回转行进的电子注,通过同样结构的输出电路间隙时,即可在输出电路中同步感应,产生信号能量并输出。
至于阴极发射所产生的起伏噪声,其横向运动分量同样受到直流磁场的作用而回转,这部分回转的噪声分量在通过输入电路谐振腔间隙时,也将感应而在输入腔内产生噪声交变电磁场,并从信号输入的同轴电缆中输出,而电子的回转半径也将逐步收缩。若同轴电缆的外接端具有阻抗匹配,则输出的噪声即可全部被吸收,而不再反射回输入腔中。
因此,电子注在经过输入回路间隙后,其所带噪声的旋转分量已全部消失,即电子注不再具有横向运动的噪声分量,电子注通过输出腔时已无噪声可感应,就理论而言,噪声可以全部被消除,也就是说,可以得到零分贝的噪声系数。至于纵向噪声分量与横向电场相互作用,可不予考虑。其原理如图1 所示。
图1 电子耦合器消除电子注噪声的原理示意图
因此,电子注上的噪声可以消除,并同信号电路分开。为了完成放大的作用,阿特勒采用了参量放大的方法,在输入及输出两腔的中途加上注入频率的交变电场,使回转电子注在通过时始终受到注入频率场的加速作用,从而使其回转半径增大。于是回转电子注通过输出腔时具备了更强的信号能量,得到了放大。
从设计的角度来看,该类型器件输入输出均采用电子耦合器的结构。电子耦合器是利用磁场对电子横向运动所产生的回转运动,将信号频率的能量耦合到电子注的一种结构形式。垂直于磁场的电子横向运由横向电场所产生,如果横向电场的频率和磁场回转频率相等,则信号的能量即可不断输送到电子注上,而电子注的回转半径则愈转愈大。电子耦合器系宽频带耦合器,仅需将轴上直流磁场随信号频率调整即可,即:
ω= ( e/ m) ×B
在轴上直流磁场和横向电场的作用下,电子的回转半径为:
r = 2.36 E1 L1 / (Ub1/ 2 f )
式中, E1 为横向交变电场场强峰值; L1 为电子穿过耦合器的长度;Ub 为轴上直流加速电压; f 为交变电场频率。而交变场耦合至电子注的功率为:
P = 1.112 ×10 - 2 f 2 r2 I0
式中, I0 为电子注电流。
电子注在此电子耦合器内的回旋对信号而言形成一个电子电阻,其值为:
Re = 8 (Ub / I0 ) ×( d/ L1 ) 2
式中, d 为横向电场边界的宽度, L1 为横向电场边界的长度。若调节直流磁场的强度,使磁场中的回转频率恰同信号频率同步,则电子注在行进于横向电场中时,将不断的自交变信号场中获得能量,而使回转半径越转越大,直到离开为止;其次,在同步频率上也使电子注聚集于圆周上。
经信号横向电场作用而回转行进的电子注,在通过同样结构的输出电路间隙时,即可在输出电路中同步感应产生信号能量并输出。
在输入输出电路之间有一个梳形交叉加速偏转电极,其结构及电场分布图2 所示。左右两边电极电位不同。电子从电极纵向中间的通道中穿过,在交叉电极的间隙中,旋转行进的电子受到电场力横向及纵向两个分力的作用,若适当调整电极厚度及相邻两个电极的电位差,可以使电子通过间隙时,一方面受到纵向加速,另一方面受到横向偏转作用,这样,电子不仅能够沿着电极纵向前进,而且在横向的旋转半径也会越来越大。
