行波管是靠連續調制電子注的速度來實現放大功能的微波電子管。在行波管中，電子注同慢波電路中行進的微波場發生相互作用﹐在長達6～40個波長的慢波電路中電子注連續不斷地把動能交給微波信號場﹐從而使信號得到放大。

　　特點　　

行波管的特點是頻帶寬﹑增益高﹑動態范圍大和噪聲低。行波管頻帶寬度(頻帶高低兩端頻率之差/中心頻率)可達100%以上﹐增益在25～70分貝范圍內﹐低噪聲行波管的噪聲系數最低可達1～2分貝。

　　原理

　　在行波管中﹐電子注與慢波電路中的微波場發生相互作用。微波場沿著慢波電路向前行進。為了使電子注同微波場產生有效的相互作用﹐電子的直流運動速度應比沿慢波電路行進的微波場的相位傳播速度(相速)略高﹐稱為同步條件。輸入的微波信號在慢波電路建立起微弱的電磁場。電子注進入慢波電路相互作用區域以後﹐首先受到微波場的速度調制。電子在繼續向前運動時逐漸形成密度調制。大部分電子群聚于減速場中﹐而且電子在減速場滯留時間比較長。因此﹐電子注動能有一部分轉化為微波場的能量﹐從而使微波信號得到放大。在同步條件下﹐電子注與行進的微波場的這種相互作用沿著整個慢波電路連續進行。這是行波管與速調管在原理上的根本區別。

　　結構

　　行波管在結構上包括電子槍﹑慢波電路﹑集中衰減器﹑能量

　　行波管耦合器﹑聚焦系統和收集極等部分。

　　電子槍的作用是形成符合設計要求的電子注。

　　聚焦系統使電子注保持所需形狀﹐保證電子注順利穿過慢波電路并與微波場發生有效的相互作用﹐最後由收集極接收電子注。

　　待放大的微波信號經輸入能量耦合器進入慢波電路﹐并沿慢波電路行進。

　　電子與行進的微波場進行能量交換﹐使微波信號得到放大。放大後的微波信號經輸出能量耦合器送至負載。

　　電子槍

　　行波管常用的電子槍有皮爾斯平行流槍﹑皮爾斯會聚槍﹑高導流系數電子槍﹑陽控電子槍﹑柵控電子槍﹑無截獲柵控電子槍低噪聲電子槍等。

　　以脈沖方式工作的行波管可以采用控制陰極電壓的方法來實現對電子注的調制﹐稱為陰控。陰控需要配備大功率調制器﹐設備笨重﹑復雜﹐而且耗電量大。用附加調制陽極對電子注進行控制﹐稱為陽控。陽控所需脈沖電壓也比較高。在陰極與陽極之間裝一個控制柵便構成柵控電子槍。在這種情況下﹐僅用較低的脈沖電壓即可對電子注進行控制﹐因而能減小調制器體積﹑重量和耗電量。

　　在柵控電子槍中﹐控制柵約截獲電子注電流的10%。當行波管電子注功率較大時﹐控制柵耗散功率增大﹐致使柵極溫度升高﹑柵極電子發射增加﹑柵網變形甚至燒毀。為了解決這個問題﹐可以采用無截獲柵控電子槍。無截獲柵控電子槍是在控制柵與陰極之間設置陰影柵﹐陰影柵與陰極同電位﹐結構上與控制柵精確對準﹐從而使控制柵的截獲電流下降到總電流的千分之一以下。采用無截獲柵控電子槍不僅能提高柵控行波管的平均功率容量﹐而且能降低調制器的功率。

　　聚焦系統

　　行波管中常用的聚焦方法是均勻永磁聚焦﹑倒向場聚焦﹑周期永磁聚焦和均勻電磁聚焦(見強流電子光學)。

　　慢波電路

　　電子注的直流速度決定于行波管的工作電壓。行波管工作電壓為2.5千伏時﹐電子注直流速度約為自由空間電磁波速度(即光速)的10%﹔工作電壓為50千伏時﹐電子注直流速度約為自由空間電磁波速度的40%。為了使電子注同微波場產生有效的相互作用﹐微波場的相速應略低于上述電子注的直流速度。因此﹐行波管中微波場的相速應顯著低于自由空間中電磁波傳播速度。慢波電路就是減小微波場相速的裝置。

　　在選定的工作模式下﹐慢波電路主要的特性和參量有色散特性﹑耦合阻抗等。色散特性表示在慢波電路中傳播的微波場的相速隨頻率變化的關系。用于寬頻帶行波管的慢波電路﹐在頻帶寬度內相速隨頻率的變化應盡量小﹐即色散較弱。這樣才能在整個頻帶寬度內保證電子注與微波場相速之間的同步。耦合阻抗是表示電子注與微波場相互作用強弱的一個參量。耦合阻抗的量值越大﹐微波場與電子注的耦合越強﹐電子注與微波場之間的能量交換越充分。此外﹐在實際應用和生產中還要求慢波電路機械強度高﹑散熱性能好﹑結構簡單﹑易于加工。

　　行波管常用的慢波電路有兩類﹕螺旋線型電路和耦合腔型電路(圖3 行波管中常用的慢波電路 )。螺旋線型慢波電路包括螺旋線﹑環桿線﹑環圈線等。螺旋線結構簡單﹑色散弱﹐因而頻帶寬﹐缺點是散熱能力差﹐工作電壓高時易產生返波振湯。螺旋線多用于寬頻帶﹑中小功率行波管﹐工作帶寬可達100%以上﹐I波段(8～10吉赫)﹑J波段(10～20吉赫)的螺旋線行波管脈沖功率已達10千瓦。環桿線同螺旋線相比﹐耦合阻抗高﹑散熱能力強﹑機械強度好﹑不易發生返波振湯﹐但色散較強。環桿線工作電壓在10～30千伏﹐頻帶寬度為15%～20%﹐廣泛用于中功率行波管。環圈線抑制返波振湯的性能較好﹐也已得到應用。

　　耦合腔型慢波電路包括休斯電路﹑三葉草電路等。它們的特點是機械強度高﹑散熱能力強﹐適用于大功率行波管﹐但頻帶寬度比較窄。采用休斯電路的行波管﹐脈沖功率在1至幾百千瓦﹐頻帶寬度約10%。脈沖功率在500千瓦以上的行波管﹐多采用三葉草電路。此外﹐行波管中采用的慢波電路還有交叉指型慢波線(亦用于O型返波管)﹑曲折線﹑卡普線等。

　　集中衰減器

　　輸入﹑輸出能量耦合器與慢波電路之間和慢波電路各部分之間﹐都應有良好的阻抗匹配。匹配不佳會造成電磁波反射。反射波引起反饋﹐會導致行波管內出現寄生振湯。為避免這種振湯﹐須在慢波電路的一定位置上設置集中衰減器。集中衰減器由損耗涂層或損耗陶瓷片構成。在集中衰減器處﹐反射波被吸收﹐可達到消除反饋抑制振湯的目的。雖然在集中衰減器中工作模式的微波場同樣也受到衰減﹐但電子注內業已形成的密度調制將在下一段電路中重新建立起微波場。

　　收集極

　　電子注在完成同微波場的相互作用後從慢波電路射出﹐最後打在收集極上。為了提高行波管的總效率﹐可以采用降壓收集極。

　　應用

　　脈沖行波管用于地面固定和移動式雷達﹑機載火控雷達﹑電子對抗設備等。脈沖功率在10千瓦至4兆瓦的行波管﹐頻帶寬度為8%～30%﹔脈沖功率為5千瓦者﹐頻帶寬度可達67%﹔脈沖功率為1千瓦者﹐頻帶寬度可達 100%以上。大功率連續波行波管多用于衛星通信地球站﹐在10吉赫下輸出功率可達14千瓦﹐38吉赫下達 1千瓦。多模行波管用于電子對抗系統﹐可在多種脈沖狀態和連續波狀態下工作。多模行波管的脈升比(脈沖功率/連續波功率)為3～12分貝。印制行波管和小型行波管體積小﹑重量輕﹑成本低﹐適合于用量大的場合﹐如相控陣雷達。空間行波管是空間應用的專用管型﹐特點是可靠性高﹑壽命長和效率高。通信衛星和電視直播衛星大多數采用行波管作發射管﹐壽命可達10年以上。

　　O型返波管 在行波管中﹐沿慢波電路傳輸的能量流的方向與電子運動方向相同﹐所以行波管是一種前向波放大管。在返波管中﹐沿慢波電路傳輸的能量流的方向與電子運動方向相反。返波管有O型返波管和M型返波管兩大類。O型返波管又可按工作狀態分成振湯管﹑放大管和變頻管三種﹐但僅有返波振湯管獲得廣泛應用。因此﹐返波管通常指返波振湯管。O型返波振湯管的電子調諧范圍大﹐可達67%以上﹐其最高工作頻率可達1250吉赫﹐它是傳統微波管中能達到亞毫米波段的實用器件。O型返波振湯管用于信號源﹑小功率振湯器。