阿特勒管實用結構的研究

真空封接 孫海勇 甘肅虹光電子有限責任公司

  阿特勒管是一種具有特殊結構的低噪聲行波管。本文在理論分析的基礎上,研究了阿特勒管的實用結構。按照此結構制造的管子,可達到增益≥15dB、噪聲系數≤4的水平。

  20世紀60年代以前,低噪聲行波管均是基于電子注與縱向電場的相互作用的工作原理,以及基于慢波電路上的慢波同電子注空間電荷波慢波分量之間的相互作用的關系而進行的,因此輸出的噪聲主要考慮了陰極發射上縱向起伏的作用,兩個主要的噪聲源是散粒噪聲和拉克噪聲,而在強磁場聚焦下的橫向起伏部分則并未考慮,也未加以研究。從60年代初開始,人們開始著手對噪聲橫向分量和電子注對橫向電場分量上的相互作用進行了探討,并在實驗室中研制出了回轉電子注參量放大管,即阿特勒管,理論上可使噪聲系數達到零分貝,但未推廣使用。隨著固態器件應用領域的不斷擴展,高性能低噪聲行波管的研究工作已不被人們所重視。但近年來,我們發現阿特勒管被成功地應用于國外某些先進武器裝備系統中作為雷達接收機的前置放大器,在系統中發揮著關鍵作用,具有噪聲系數小、抗燒毀能力強等特點,引起了我們的研究興趣。本文在理論分析的基礎上,著重研究一種阿特勒管的實用結構。

1、理論分析

  阿特勒管是一種應用縱向直流磁場和橫向交變電場使沿軸運動的電子注產生一定頻率的回轉以及應用注入頻率的能量產生參量放大的行波管。電子注自陰極發射后經過陽極,當其進入橫向交變電場和縱向直流磁場時,電子受到電磁場的作用,將回轉成螺旋狀前進。若調節直流磁場的強度,使磁場中的回轉頻率恰同信號頻率同步,則電子注在行進于橫向電場中時,將不斷的自交變信號場中獲得能量,而使回轉半徑越轉越大,直到離開為止;其次,在同步頻率上,電子注也聚集于圓周上。

  經信號橫向電場作用而回轉行進的電子注,通過同樣結構的輸出電路間隙時,即可在輸出電路中同步感應,產生信號能量并輸出。

  至于陰極發射所產生的起伏噪聲,其橫向運動分量同樣受到直流磁場的作用而回轉,這部分回轉的噪聲分量在通過輸入電路諧振腔間隙時,也將感應而在輸入腔內產生噪聲交變電磁場,并從信號輸入的同軸電纜中輸出,而電子的回轉半徑也將逐步收縮。若同軸電纜的外接端具有阻抗匹配,則輸出的噪聲即可全部被吸收,而不再反射回輸入腔中。

  因此,電子注在經過輸入回路間隙后,其所帶噪聲的旋轉分量已全部消失,即電子注不再具有橫向運動的噪聲分量,電子注通過輸出腔時已無噪聲可感應,就理論而言,噪聲可以全部被消除,也就是說,可以得到零分貝的噪聲系數。至于縱向噪聲分量與橫向電場相互作用,可不予考慮。其原理如圖1 所示。

電子耦合器消除電子注噪聲的原理示意圖

圖1  電子耦合器消除電子注噪聲的原理示意圖

  因此,電子注上的噪聲可以消除,并同信號電路分開。為了完成放大的作用,阿特勒采用了參量放大的方法,在輸入及輸出兩腔的中途加上注入頻率的交變電場,使回轉電子注在通過時始終受到注入頻率場的加速作用,從而使其回轉半徑增大。于是回轉電子注通過輸出腔時具備了更強的信號能量,得到了放大。

  從設計的角度來看,該類型器件輸入輸出均采用電子耦合器的結構。電子耦合器是利用磁場對電子橫向運動所產生的回轉運動,將信號頻率的能量耦合到電子注的一種結構形式。垂直于磁場的電子橫向運由橫向電場所產生,如果橫向電場的頻率和磁場回轉頻率相等,則信號的能量即可不斷輸送到電子注上,而電子注的回轉半徑則愈轉愈大。電子耦合器系寬頻帶耦合器,僅需將軸上直流磁場隨信號頻率調整即可,即:

ω= ( e/ m) ×B

  在軸上直流磁場和橫向電場的作用下,電子的回轉半徑為:

r = 2.36 E1 L1 / (Ub1/ 2 f )

  式中, E1 為橫向交變電場場強峰值; L1 為電子穿過耦合器的長度;Ub 為軸上直流加速電壓; f 為交變電場頻率。而交變場耦合至電子注的功率為:

P = 1.112 ×10 - 2 f 2 r2 I0

  式中, I0 為電子注電流。

  電子注在此電子耦合器內的回旋對信號而言形成一個電子電阻,其值為:

Re = 8 (Ub / I0 ) ×( d/ L1 ) 2

  式中, d 為橫向電場邊界的寬度, L1 為橫向電場邊界的長度。若調節直流磁場的強度,使磁場中的回轉頻率恰同信號頻率同步,則電子注在行進于橫向電場中時,將不斷的自交變信號場中獲得能量,而使回轉半徑越轉越大,直到離開為止;其次,在同步頻率上也使電子注聚集于圓周上。

  經信號橫向電場作用而回轉行進的電子注,在通過同樣結構的輸出電路間隙時,即可在輸出電路中同步感應產生信號能量并輸出。

  在輸入輸出電路之間有一個梳形交叉加速偏轉電極,其結構及電場分布圖2 所示。左右兩邊電極電位不同。電子從電極縱向中間的通道中穿過,在交叉電極的間隙中,旋轉行進的電子受到電場力橫向及縱向兩個分力的作用,若適當調整電極厚度及相鄰兩個電極的電位差,可以使電子通過間隙時,一方面受到縱向加速,另一方面受到橫向偏轉作用,這樣,電子不僅能夠沿著電極縱向前進,而且在橫向的旋轉半徑也會越來越大。