第1章 绪论……………………………………………………………………… 1
1.1 基本工作原理………………………………………………………… 2
1.2 速调管的分类………………………………………………………… 5
1.3 速调管的技术现状和发展趋势……………………………………… 6
参考文献…………………………………………………………………… 18
第2 章 速调管的特性和工作参数…………………………………………… 21
2.1 速调管的性能指标…………………………………………………… 21
2.1.1 速调管的主要特性…………………………………………… 21
2.1.2 速调管的副特性……………………………………………… 23
2.2 速调管的工作方式…………………………………………………… 26
2.2.1 调制方式……………………………………………………… 26
2.2.2 聚焦方式……………………………………………………… 27
2.2.3 冷却方式……………………………………………………… 28
2.2.4 高频输入和输出方式………………………………………… 29
2.2.5 安装方式……………………………………………………… 29
2.3 速调管的工作参数…………………………………………………… 29
2.4 典型速调管的性能和工作参数……………………………………… 31
参考文献…………………………………………………………………… 33
第3 章 速调管的总体设计…………………………………………………… 34
3.1 微波电子系统对速调管性能的要求和总体设计考虑……………… 34
3.1.1 宽带雷达系统用宽带速调管(高脉冲功率应用场合)………… 35
3.1.2 宽带雷达系统用宽带速调管(中等脉冲功率应用场合)……… 36
3.1.3 窄带雷达系统用速调管……………………………………… 37
3.1.4 中能粒子加速器用速调管…………………………………… 38
3.1.5 高能粒子加速器用速调管(特高脉冲功率应用:正负电子
对撞机?同步光源) …………………………………………… 38
3.1.6 长脉冲和连续波微波电子系统用速调管……………………… 39
3.1.7 通信、广播系统和照射雷达用速调管(连续波应用) ………… 40
3.1.8 导弹导引头雷达用速调管(脉冲应用) ……………………… 41
3.2 影响速调管性能的主要因素………………………………………… 41
3.2.1 输出功率……………………………………………………… 41
3.2.2 效率…………………………………………………………… 42
3.2.3 瞬时带宽……………………………………………………… 45
3.2.4 增益…………………………………………………………… 48
3.3 速调管总体设计计算………………………………………………… 49
3.3.1 电子注参数…………………………………………………… 49
3.3.2 电子枪和聚焦磁场参数……………………………………… 52
3.3.3 电子注群聚参数和谐振腔参数……………………………… 54
3.3.4 速调管群聚段的设计计算…………………………………… 58
3.3.5 速调管输出段的设计………………………………………… 60
3.3.6 速调管的冷却设计…………………………………………… 61
3.3.7 速调管环境适应性和可靠性的设计………………………… 61
3.4 宽带速调管的设计…………………………………………………… 61
3.4.1 电子注和谐振腔参数的选择………………………………… 61
3.4.2 宽带群聚段的设计…………………………………………… 66
3.4.3 宽带输出段的设计…………………………………………… 68
3.4.4 典型宽带速调管实例………………………………………… 68
3.5 高效率速调管的设计………………………………………………… 73
3.5.1 速调管的二次谐波群聚……………………………………… 74
3.5.2 典型高效率速调管…………………………………………… 80
3.6 多注速调管的设计…………………………………………………… 82
3.6.1 影响多注速调管性能的主要因素…………………………… 83
3.6.2 多注速调管的设计考虑……………………………………… 86
3.6.3 多注速调管的设计举例……………………………………… 90
参考文献…………………………………………………………………… 102
第4 章 阴极和热子…………………………………………………………… 105
4.1 引言………………………………………………………………… 105
4.2 阴极的发射和蒸散特性…………………………………………… 106
4.3 氧化物阴极………………………………………………………… 108
4.4 浸渍阴极…………………………………………………………… 111
4.4.1 浸渍阴极的发展历史………………………………………… 111
4.4.2 浸渍阴极的技术水平………………………………………… 113
4.4.3 影响浸渍阴极性能的因素…………………………………… 116
4.5 热子和热子组件…………………………………………………… 117
4.6 阴极在大功率速调管中的应用…………………………………… 121
4.6.1 阴极在大功率速调管中的应用情况………………………… 121
4.6.2 阴极发射不均匀性对电子注特性的影响…………………… 124
4.6.3 阴极使用需要注意的一些问题……………………………… 124
参考文献…………………………………………………………………… 126
第5 章 电子枪和聚焦系统…………………………………………………… 129
5.1 引言………………………………………………………………… 129
5.2 电子枪的调制方式………………………………………………… 131
5.3 电子枪的耐压……………………………………………………… 133
5.3.1 真空中电极间的耐压………………………………………… 133
5.3.2 电子枪陶瓷绝缘段的耐压…………………………………… 137
5.3.3 电子枪的打火和损坏………………………………………… 143
5.3.4 电子枪耐压的计算模拟……………………………………… 145
5.4 电磁聚焦系统……………………………………………………… 146
5.5 均匀永磁聚焦系统………………………………………………… 148
5.5.1 筒形永磁聚焦系统-1 ……………………………………… 148
5.5.2 筒形永磁聚焦系统-2 ……………………………………… 149
5.5.3 修正筒形永磁聚焦系统……………………………………… 150
5.5.4 马鞍形(yoke)永磁聚焦系统………………………………… 152
5.5.5 永磁材料…………………………………………………… 152
5.6 周期反转永磁聚焦系统…………………………………………… 154
5.7 周期永磁聚焦系统………………………………………………… 156
参考文献…………………………………………………………………… 161
第6 章 谐振腔………………………………………………………………… 163
6.1 引言………………………………………………………………… 163
6.2 谐振腔的优化设计………………………………………………… 164
6.2.1 谐振腔几何形状对特性阻抗的影响………………………… 164
6.2.2 漂移管头的形状和尺寸的选择……………………………… 166
6.2.3 谐振腔特性的计算模拟……………………………………… 168
6.3 谐振腔与外电路的耦合…………………………………………… 169
6.3.1 谐振腔与同轴线的耦合……………………………………… 169
6.3.2 同轴窗的设计………………………………………………… 172
6.3.3 滤波器加载输入腔的设计…………………………………… 173
6.3.4 谐振腔与波导耦合的计算…………………………………… 173
6.3.5 谐振腔与波导的耦合方式…………………………………… 175
6.4 谐振腔特性的测量………………………………………………… 176
6.4.1 谐振频率和品质因子的测量(中间谐振腔) ………………… 176
6.4.2 输入和输出谐振腔外观品质因子Qext的测量……………… 177
6.4.3 谐振腔特性阻抗的测量……………………………………… 181
6.5 谐振腔的加载……………………………………………………… 184
6.5.1 谐振腔腔壁涂覆微波衰减材料……………………………… 184
6.5.2 外接同轴负载………………………………………………… 185
6.5.3 外加吸收谐振腔……………………………………………… 186
6.6 谐振腔的调谐……………………………………………………… 188
6.6.1 电容调谐…………………………………………………… 189
6.6.2 电感调谐…………………………………………………… 190
6.6.3 复合调谐…………………………………………………… 191
6.6.4 调谐机构对输出腔外观品质因子Qext的影响……………… 191
6.7 谐振腔的散热……………………………………………………… 191
6.7.1 输出腔的高频损耗…………………………………………… 192
6.7.2 漂移管头散热的分析………………………………………… 193
6.7.3 漂移管头温度的测量………………………………………… 195
6.8 谐振腔的高频击穿………………………………………………… 196
参考文献…………………………………………………………………… 198
第7 章 输出电路……………………………………………………………… 200
7.1 引言………………………………………………………………… 200
7.2 滤波器加载宽带输出电路………………………………………… 202
7.2.1 滤波器加载宽带输出电路的设计方法……………………… 203
7.2.2 滤波器型宽带输出电路间隙阻抗-频率特性的计算……… 208
7.2.3 滤波器型宽带输出电路的设计举例………………………… 208
7.3 重叠模双间隙耦合腔宽带输出电路……………………………… 212
7.3.1 设计方法…………………………………………………… 212
7.3.2 设计举例…………………………………………………… 216
7.3.3 滤波器加载重叠模双间隙耦合腔输出电路的设计………… 218
7.4 滤波器加载双间隙耦合腔宽带输出电路………………………… 221
7.4.1 耦合方式…………………………………………………… 221
7.4.2 设计考虑和设计步骤………………………………………… 223
7.4.3 设计举例-1 ………………………………………………… 225
7.4.4 设计举例-2 ………………………………………………… 227
7.5 多模宽带输出电路………………………………………………… 229
7.5.1 径向耦合多腔输出电路……………………………………… 229
7.5.2 双频谐振腔输出电路………………………………………… 231
7.6 高峰值功率速调管的输出电路…………………………………… 233
7.6.1 双间隙耦合腔输出电路……………………………………… 233
7.6.2 无耦合双腔输出电路………………………………………… 235
7.6.3 行波输出电路………………………………………………… 236
7.7 输出电路阻抗-频率特性测量和调试…………………………… 237
7.7.1 滤波器加载宽带输出电路的间隙阻抗-频率特性的测量
原理………………………………………………………… 237
7.7.2 双间隙耦合腔输出电路的间隙阻抗-频率特性的测量原理…… 239
7.7.3 宽带输出电路阻抗-频率特性的测量和调试方法………… 242
7.7.4 采用矢量网络分析仪测量宽带输出电路的阻抗-频率特性…… 244
参考文献…………………………………………………………………… 246
第8 章 输出窗………………………………………………………………… 249
8.1 引言………………………………………………………………… 249
8.2 输出窗的设计计算………………………………………………… 251
8.2.1 盒型输出窗的设计计算……………………………………… 251
8.2.2 半波长盒型窗(厚窗)的设计计算…………………………… 256
8.2.3 矩形波导窗的设计计算……………………………………… 257
8.3 输出窗的材料……………………………………………………… 259
8.4 输出窗损坏和机理分析…………………………………………… 262
8.4.1 窗表面污染引起的输出窗击穿……………………………… 264
8.4.2 输出窗谐振模式引起的输出窗损坏………………………… 265
8.4.3 输出窗结构和工艺问题引起的输出窗损坏………………… 266
8.5 二次电子倍增效应及其抑制……………………………………… 267
8.5.1 二次电子倍增效应…………………………………………… 267
8.5.2 抑制窗片二次电子倍增的方法……………………………… 269
8.6 输出窗的功率容量………………………………………………… 272
8.6.1 峰值功率的限制……………………………………………… 272
8.6.2 平均功率和连续波功率的限制……………………………… 273
8.7 输出窗的高功率试验……………………………………………… 274
8.7.1 行波谐振环的基本原理……………………………………… 274
8.7.2 采用谐振腔法进行输出窗高功率试验……………………… 277
8.7.3 输出窗高功率试验实例……………………………………… 279
8.8 提高输出窗功率容量的方法和新型输出窗……………………… 281
8.8.1 长盒型窗…………………………………………………… 281
8.8.2 TE01模行波输出窗…………………………………………… 283
8.8.3 TE11模喇叭形输出窗………………………………………… 284
8.8.4 TWC(Traveling Wave in Ceramic)型窗……………………… 285
8.8.5 圆极化波盒型窗……………………………………………… 286
8.8.6 复合模行波窗………………………………………………… 287
8.8.7 TM01模输出窗………………………………………………… 288
参考文献…………………………………………………………………… 290
第9 章 收集极和冷却系统…………………………………………………… 294
9.1 引言………………………………………………………………… 294
9.2 计算流体与发热面间热交换的基本公式………………………… 296
9.3 风冷收集极的设计………………………………………………… 300
9.4 水冷收集极的设计………………………………………………… 304
9.5 蒸发冷却收集极的设计…………………………………………… 311
9.5.1 蒸发冷却的基本原理………………………………………… 311
9.5.2 蒸发冷却收集极的设计计算………………………………… 313
9.5.3 速调管蒸发冷却系统………………………………………… 316
9.6 速调管冷却系统…………………………………………………… 317
9.6.1 冷却液和水净化系统………………………………………… 317
9.6.2 速调管冷却表面和冷却回路的腐蚀和污垢………………… 318
9.7 降压收集极………………………………………………………… 319
9.8 收集极绝缘陶瓷的微波泄漏……………………………………… 323
9.9 收集极冷却结构的计算模拟……………………………………… 324
参考文献…………………………………………………………………… 326
第10 章 速调管的结构和工艺……………………………………………… 328
10.1 引言………………………………………………………………… 328
10.2 电子枪结构和制备工艺…………………………………………… 329
10.3 高频互作用电路的结构设计和制备工艺………………………… 332
10.4 谐振腔和调谐机构的结构………………………………………… 335
10.4.1 调谐机构的结构…………………………………………… 336
10.4.2 信道调谐机构……………………………………………… 338
10.4.3 速调管的调谐步骤………………………………………… 339
10.5 输出窗的结构和制备工艺………………………………………… 340
10.6 钛泵和吸气剂……………………………………………………… 343
10.6.1 钛泵………………………………………………………… 343
10.6.2 吸气剂……………………………………………………… 346
10.7 微波衰减材料和涂覆工艺………………………………………… 347
10.8 速调管材料及其特性……………………………………………… 348
10.8.1 常用金属材料及其物理特性……………………………… 349
10.8.2 焊接材料…………………………………………………… 352
10.9 速调管烘烤和排气工艺…………………………………………… 354
10.10 速调管的加工和制备工艺……………………………………… 358
10.10.1 速调管零件的设计和加工………………………………… 358
10.10.2 速调管部件的装配和焊接工艺…………………………… 361
10.10.3 阴极和热子的制备工艺…………………………………… 363
10.10.4 速调管总装配和烘烤排气工艺…………………………… 365
10.10.5 纯铁的防腐工艺…………………………………………… 366
10.11 真空卫生………………………………………………………… 366
参考文献…………………………………………………………………… 368
第11 章 速调管的测试、老练和使用………………………………………… 370
11.1 速调管测试系统…………………………………………………… 370
11.2 电源和调制器……………………………………………………… 371
11.2.1 线性调制器………………………………………………… 371
11.2.2 刚管脉冲调制器…………………………………………… 373
11.2.3 浮动板脉冲调制器和调制阳极脉冲调制器………………… 374
11.2.4 固态开关调制器…………………………………………… 376
11.2.5 高压直流电源……………………………………………… 377
11.3 速调管直流特性的测试…………………………………………… 378
11.3.1 低压发射特性的测量……………………………………… 378
11.3.2 冷高压老练………………………………………………… 379
11.3.3 热高压老练和直流特性的测试…………………………… 380
11.3.4 多注速调管高压老练和直流特性的测试…………………… 382
11.4 速调管高频特性的测试…………………………………………… 384
11.4.1 输出功率、效率和增益特性的测试………………………… 384
11.4.2 相位噪声的测量…………………………………………… 387
11.4.3 相位灵敏度的测试………………………………………… 388
11.4.4 微波包络和输出频谱特性的测量………………………… 390
11.5 微波大功率测量和大功率负载…………………………………… 391
11.6 负载失配对速调管性能的影响…………………………………… 395
11.6.1 负载失配对输出电路间隙阻抗的影响……………………… 397
11.6.2 负载失配对速调管效率的影响…………………………… 398
11.7 速调管的使用……………………………………………………… 400
11.7.1 速调管的安装和连接……………………………………… 401
11.7.2 速调管工作参数和工作状态的设定……………………… 402
11.7.3 速调管的保护和加电程序………………………………… 403
11.7.4 速调管的工作环境和贮存条件…………………………… 405
11.7.5 典型速调管的说明书……………………………………… 405
11.8 X 射线辐射和微波泄漏的防护…………………………………… 409
11.8.1 X 射线辐射的防护………………………………………… 409
11.8.2 微波泄漏的防护…………………………………………… 411
参考文献…………………………………………………………………… 412
第12 章 速调管的振荡和不稳定性………………………………………… 414
12.1 引言………………………………………………………………… 414
12.2 电子枪区的二极管振荡…………………………………………… 415
12.2.1 主要实验现象……………………………………………… 415
12.2.2 振荡的机理分析…………………………………………… 417
12.2.3 实验现象的分析…………………………………………… 419
12.2.4 二极管振荡的计算机模拟………………………………… 420
12.2.5 二极管振荡的抑制方法…………………………………… 421
12.3 宽带速调管中的谐振腔高次模振荡……………………………… 422
12.3.1 主要物理现象……………………………………………… 422
12.3.2 振荡原因的分析…………………………………………… 424
12.3.3 消除振荡的途径…………………………………………… 425
12.3.4 高次模式振荡对速调管输出频谱特性的影响……………… 426
12.4 双间隙耦合腔宽带输出电路的振荡……………………………… 427
12.4.1 π 模双间隙耦合腔的振荡问题…………………………… 427
12.4.2 2π 模双间隙耦合腔中的振荡和杂谱……………………… 428
12.4.3 抑制振荡和降低杂谱电平的方法………………………… 430
12.5 漂移管振荡和相邻谐振腔耦合引起的振荡……………………… 435
12.5.1 漂移管振荡………………………………………………… 436
12.5.2 相邻谐振腔耦合引起的振荡……………………………… 437
12.6 二次电子和反射电子引起的杂谱和振荡………………………… 438
12.6.1 多注速调管中的杂谱……………………………………… 438
12.6.2 收集极电子返流引起的振荡……………………………… 441
12.7 速调管的离子噪声和不稳定性…………………………………… 443
参考文献…………………………………………………………………… 444
第13 章 速调管的可靠性和寿命…………………………………………… 446
13.1 速调管故障类型…………………………………………………… 446
13.2 速调管可靠性和寿命的评估……………………………………… 447
13.3 速调管的故障模式和寿命………………………………………… 449
13.4 速调管故障模式分析……………………………………………… 455
13.5 速调管可靠性设计和试验………………………………………… 459
13.5.1 速调管稳定性……………………………………………… 459
13.5.2 环境适应性的设计………………………………………… 460
13.5.3 可靠性试验………………………………………………… 461
13.6 速调管的贮存故障………………………………………………… 463
13.6.1 故障的描述………………………………………………… 463
13.6.2 故障的分析和解决方法…………………………………… 464
参考文献…………………………………………………………………… 465
第14 章 典型速调管………………………………………………………… 467
14.1 高峰值功率速调管………………………………………………… 467
14.2 连续波和高平均功率速调管……………………………………… 469
14.3 雷达用大功率速调管……………………………………………… 471
14.4 多注速调管………………………………………………………… 474
14.5 通信广播用连续波速调管………………………………………… 476
14.6 电视广播用速调管………………………………………………… 477
14.7 感应输出管………………………………………………………… 478
参考文献…………………………………………………………………… 479
大功率速调管的设计制造和应用图书目录