《微波电子学教程》主要讨论微波电子学基本原理以及相对应发展的器件工作机理和相关设计技术（包括速调管、行波管和回旋管），同时简要介绍器件向短毫米波和太赫兹频段的发展情况。通过研究电子在直流电磁场作用下的产生、运动、成形、控制，以及其在真空中与部分特殊高频电路（谐振腔、慢波和快波结构等）中电磁场相互作用，将电子的直流能量转换为微波能量（振荡、放大）。结合三种类型真空微波电子器件工作机理和设计技术的讨论，帮助读者熟悉电子注与谐振和行波电路以及高次模式电磁场相互作用的特点，为不同类型器件研制和在不同形式中应用（例如：雷达与加速器）奠定理论基础。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 微波电子学发展历史和现状 1
1.1.1 电子学基础 1
1.1.2 真空电子学和电子器件 2
1.1.3 微波电子学和器件的发展.2
1.2 真空微波电子器件的应用 4
1.2.1 微波电子管对现代高技术战争制电磁权的影响 4
1.2.2 雷达 5
1.2.3 电子对抗 6
1.2.4 微波通信 6
1.2.5 加速器 7
1.2.6 微波定向能武器 8
1.2.7 微波与物质相互作用 8
1.3 微波电子学研究的内容.13
参考文献 15
第2章 电子在静电磁场中的运动 16
2.1 电子运动 16
2.1.1 电子在外加均匀正交静电磁场中的运动 16
2.1.2 电子在外加均匀相互平行静电磁场中的运动 22
2.1.3 相对论速度修正 25
2.1.4 轴对称场中电子的运动 28
2.2 附加均匀恒定非磁性力场对电子运动的影响 32
2.3 电透镜和磁透镜 34
2.3.1 电透镜（旋转对称电场对电子的聚焦和发散） 34
2.3.2 磁透镜 37
2.4 磁场空间缓慢变化对电子运动的影响 38
2.4.1 磁场缓变非均匀性描述 38
2.4.2 散度项的影响→磁矩不变性（绝热压缩） 40
2.4.3 梯度项的影响→梯度漂移* 41
2.4.4 *率项的影响→*率漂移* 43
2.4.5 剪切项的影响 45
2.4.6 绝热不变量 45
2.4.7 磁镜效应 46
2.5 多电子集体产生的场及其影响 47
2.5.1 多电子产生的电场 47
2.5.2 电子注通用发散*线 51
2.5.3 多电子产生的磁场 55
第2章习题 56
参考文献 57
第3章 电子注的产生、传输和控制 58
3.1 阴极 58
3.1.1 概述 58
3.1.2 热发射 61
3.1.3 热阴极的演化历程 75
3.1.4 浸渍扩散阴极 78
3.1.5 阴极的寿命 82
3.2 电子枪 83
3.2.1 皮尔斯电子枪 84
3.2.2 电子注的控制技术 98
3.3 电子注 101
3.3.1 概述 101
3.3.2 均匀磁场聚焦 102
3.3.3 均匀场聚焦与层流性 108
3.3.4 均匀磁场聚焦与非层流电子注 124
3.3.5 周期永磁聚焦（层流电子注） 125
第3章习题.131
参考文献 132
第4章 快波与慢波.133
4.1 导波的分类 133
4.2 慢波.136
4.2.1 慢波的起源及其实现途径 136
4.2.2 慢波特性基本参量 139
4.3 周期系统 141
4.3.1 均匀系统 142
4.3.2 周期系统——弗洛凯定理 142
4.3.3 空间谐波 143
4.3.4 周期系统的色散特性，布里渊图 144
4.4 周期系统等效电路 146
4.4.1 T 型网络级联的基本特性 146
4.4.2 几种典型的滤波网络 148
4.4.3 周期加载的均匀传输线 150
4.5 螺旋线 153
4.5.1 定性分析 153
4.5.2 定量分析 155
4.6 耦合腔 163
4.6.1 色散特性 163
4.6.2 双槽型耦合腔行波管 172
4.7 交错双栅 183
4.7.1 任意形状交错双栅模型和场解 183
4.7.2 色散、耦合阻抗和高频损耗 186
4.7.3 计算实例和比较 189
4.8 快波.193
4.8.1 快波的起源及其实现途径 193
4.8.2 色散*线与横向同步 198
第4章习题.202
参考文献 202
第5章 速调管 204
5.1 电子注与间隙的相互作用 204
5.1.1 平面栅控间隙 204
5.1.2 非平面无栅间隙 214
5.2 电子的群聚 220
5.2.1 轨道群聚 220
5.2.2 考虑空间电荷力时的电子群聚 224
5.2.3 实验验证 244
5.3 耦合（调制）系数和电子负载 247
5.3.1 耦合系数（有栅间隙） 247
5.3.2 电子负载（平板有栅间隙） 248
5.3.3 耦合系数（无栅间隙） 251
5.3.4 电子负载（无栅间隙） 252
5.4 谐振腔 257
5.4.1 从谐振电路到谐振腔 257
5.4.2 谐振腔的功率耦合 260
5.4.3 谐振腔的调谐 262
5.4.4 谐振腔的场分布表达式 263
5.4.5 谐振腔的高频损耗 265
5.4.6 谐振腔的设计和计算 266
5.5 速调管工作原理及特性 267
5.5.1 速调管分类 267
5.5.2 两腔速调管工作 268
5.5.3 速调管小信号工作（增益） 270
5.5.4 速调管功率输出特性 272
5.6 特殊用途速调管 276
5.6.1 高效率速调管 276
5.6.2 高功率速调管 283
5.6.3 宽带速调管 287
5.6.4 多注速调管 291
第5章习题.294
参考文献 294
第6章 行波管 297
6.1 注波相互作用的小信号理论 297
6.1.1 电子注中的高频电流 297
6.1.2 线路方程 298
6.1.3 特征方程 299
6.1.4 同步状态 300
6.1.5 非同步状态 305
6.1.6 线路损耗的影响 307
6.1.7 空间电荷的影响 308
6.2 螺旋线行波管 312
6.2.1 螺旋线的带宽 312
6.2.2 增益 318
6.2.3 功率 322
6.2.4 效率 330
6.3 耦合腔行波管 334
6.3.1 耦合腔行波管原理 334
6.3.2 耦合腔行波管小信号分析 335
6.3.3 耦合腔行波管大信号分析 343
6.4 收集极 345
6.4.1 功率耗散 346
6.4.2 功率回收(降压收集极） 347
第6章习题.359
参考文献 360
第7章 回旋管 361
7.1 回旋管发展和应用概述 361
7.1.1 引言 361
7.1.2 回旋管的基本组织结构及系列家族 361
7.1.3 回旋管和普通微波管的一些性能的比较.363
7.1.4 回旋管的发展现状 364
7.1.5 回旋管的应用 365
7.2 电子回旋脉塞辐射机理 366
7.2.1 相对论电子在恒定磁场中的运动 367
7.2.2 回旋电子受激辐射机理 368
7.3 磁控注入电子枪 373
7.3.1 电子枪的结构模型和基本参数 374
7.3.2 电子枪性能 379
7.4 波导场横向分布的局部展开 382
7.5 回旋管线性理论 386
7.5.1 电子动力学 386
7.5.2 高频场动力学 387
7.6 回旋管的自洽非线性理论 389
7.6.1 概述 389
7.6.2 电子动力学 390
7.7 回旋振荡器 391
7.7.1 开放式谐振腔 392
7.7.2 模式选择和抑制 395
7.7.3 注波互作用分析 397
7.7.4 准光模式变换器 397
7.7.5 磁扫描系统 405
7.8 回旋行波放大器 409
7.8.1 线性分析 409
7.8.2 自洽非线性分析 419
第7章习题.426
参考文献 426
第8章 太赫兹(THz）波产生的问题和器件相适应发展概述 429
8.1 引言.429
8.1.1 THz 波特点 429
8.1.2 THz 波产生遇到的问题及解决办法 430
8.2 传统器件用于THz波产生的高频电路结构变化 433
8.2.1 梯形线 433
8.2.2 哑铃型多间隙腔 437
8.2.3 折叠波导 440
8.2.4 交错双栅 444
8.2.5 *折线型慢波结构 448
8.3 带状注电子枪 452
8.3.1 引言 452
8.3.2 带状注的成形 452
8.4 带状电子注的传输控制 455
第8章习题 459
参考文献 459
附录 交错双栅色散特性和损耗公式 463
A.1 色散特性 463
A.2 矩形交错双栅欧姆损耗表达式分子项 470

第1章绪论
　　1.1微波电子学发展历史和现状
　　1.1.1电子学基础
　　1865年麦克斯韦(Maxwell)通过位移电流假说，获得了电磁相互激励耦合的关系，在此基础上建立了麦克斯韦方程组，并预言了电磁波的存在。1888年赫兹(Hertz)基于LC振荡电路机理设计了火花隙振荡器，成功产生和接收了电磁辐射。1896年马可尼(Marconi)在约3.2km距离成功地进行了电磁波的发射和接收试验。从此开启了电磁场和电磁波对人类科学和技术进步、社会文明和生活绚丽多彩持续不断的推进作用。
　　1883年爱迪生(Edison)在研究白炽灯泡时，发现电流能从灼热的灯丝通过真空到达灯泡内的金属电极上(阴极射线)，被称为爱迪生效应。1895年洛伦兹(Lorentz)在研究阴极射线受磁场影响偏转的基础上，发现该射线具有粒子性质，便假设存在单个的电荷，并称之为电子(electron)。两年后汤姆孙(Thomson)通过对不同材料作为阴极受电场和磁场作用阴极射线发生偏转的实验，测量出阴极射线荷质比(e/m)都大致相同，其平均值为2.0×10.11C/kg，从实验上证实了电子的存在。至此电子作为一种基本粒子存在，围绕不同科学技术的发展和进步，逐步奠定了电子学的基础。
　　1904年弗莱明(Fleming)利用爱迪生效应，成功研制了**个电子管(灵敏检波二极管)。二极管由处于真空中的灯丝和阳极组成，灯丝与阳极之间有一个相对较小的距离。当阳极电势高于灯丝电势时，灯丝发射的电子被阳极收集，使连接二极管的外回路导通。当灯丝电势高于阳极电势时，二极管回路不导通。二极管用于信号检波极大提高了灵敏度和可靠性。
　　1906年福来斯特(Forest)在弗莱明二极管的灯丝和阳极之间，加入一个栅极，发明了真空三极管。由于栅极的引入，在栅极上小的电压变化，会在阳极上得到相对更大的电压变化，这就是说加在栅极上的电压信号被放大了。三极管打开了信号放大与调制的大门，成为20世纪*伟大的发明之一，是电子学发展中具有划时代意义的象征。三极管很快在无线电通信中得到应用，大大提高了接收机的灵敏度。1913～1920年期间，三极管在等幅振荡器和放大器等方面的成功，使无线电技术与电子管技术相结合形成了无线电电子学。
　　电子学是主要研究带电粒子在气体、真空或半导体中运动的科学。带电粒子在金属中的运动不属于电子学研究的范畴，而是属于电气工程的范畴。电气工程是专门研究电子在金属中运动有关的科学技术，例如发电机、马达和电灯等，这些都是依赖于电子在金属中运动而工作的设备和系统。
　　1.1.2真空电子学和电子器件
　　当人们研究带电粒子在真空中的运动时，形成真空电子学和真空电子器件；电子在气体中的运动，形成气体电子学和气体放电器件。要使电子在气体中运动，必须先将容器抽真空，再注入某种气体以形成气体放电器件。从这种意义上理解，我们将气体放电器件也划入真空电子器件一类。电子在半导体中的运动，形成半导体电子学和半导体器件。也就是说，电子器件实际上可分成两类，一类是真空电子器件，另一类是半导体器件。真空电子器件是指在真空或气体媒质中，由于电子或离子在电极间传输产生信号放大与转换效应的有源器件。它的基本特点是：
　　(1)电子在真空中可以被加速到接近光速的运动速度，它可以具有足够的动能供直流与电磁波之间转换，可以工作在很高的电压和电流条件下以获得很高的功率输出；
　　(2)电子在真空中运动的速度可以被控制，当电子完成其和外电路的相互作用后，通过多级降压收集极，使电子能量得到回收，以实现很高的总效率；
　　(3)电子在真空中的运动方向和位置可通过静电场或磁场加以控制，这样可以实现信号的放大、振荡、显示和电子加速等多种功能；
　　(4)真空电子器件都是三维结构，各种介质和金属材料都可以加工成特定的形状，有利于制造成各种不同形状以实现不同目的的器件。1.1.3微波电子学和器件的发展真空三极管的发明和改进，使其能在低频到射频频段提供几千瓦到几十千瓦的功率输出，为广播电台的建立提供了核心器件。1920年西屋电气公司(Westinghouse)在匹兹堡建立了**个广播电台，到1924年就有500家广播电台在美国建立。今天世界各国遍布了成千上万的广播电台和电视台，相当多的广播电台和电视台仍然采用大功率三极管、四极管作为广播电视发射源。英国科学家将1924年霍尔(Hull)发明的磁控管进一步完善，给雷达系统提供了可用的发射源，为赢得第二次世界大战的胜利做出了很大的贡献。国防科学技术的发展，推动了微波电子管研制的进步。1937年美国瓦里安(Varian)兄弟发明了速调管，展示了微波真空电子器件在实现高功率高效率方面的特点，同时为高能电子加速器的发展提供了合适的微波功率源。1943年英国科学家康福纳尔(Kompfner)发明了行波管，它的*大特点是有很宽的频带宽度，使雷达和通信系统都得到进一步改进。1952年行波管被用于曼彻斯特至爱丁堡的中继通信系统中。20世纪50年代微波管得到了很大的发展，广泛应用在雷达、电子对抗和通信系统中。1962年7月10日发射的电视中继卫星“电星”采用行波管作为上下行的功率放大器，从此开启了行波管在卫星上的应用。
　　20世纪70年代，许多国家将大量科研经费投入半导体器件的研究中，微波管的研究费用大量削减。到20世纪80年代末，许多国家都发现，半导体器件的结构和工作原理使它在功率和频率的发展上受到限制，没有达到预想的结果。1990年美国国防部电子器件领导小组的研究报告“微波管：国家安全的忧虑”指出：半导体器件受到被使用材料的限制，而真空电子器件的频率和功率增长的潜力却是显而易见的。图1.1给出了主要微波真空电子器件的功率发展水平和主要半导体器件(如耿氏二极管、碰撞雪崩渡越时间二极管(IM-PATT)、双极型晶体管、场效应晶体管等)单管的功率发展水平。图1.2给出了微波及毫米波军事电子装备对器件的功率、频率的要求以及这两种器件所能提供的功率电平和工作频率。可以看出，在低频率、低功率情况下，微波管完全被半导体器件所取代，但在高功率、高频率情况下，微波真空电子器件占有绝对的优势，是唯一可选用的器件。
　　1.2真空微波电子器件的应用
　　1.2.1微波电子管对现代高技术战争制电磁权的影响
　　1991年发生的海湾战争充分显示了现代高技术局部战争的特点和大功率微波管的重要作用。美国对伊拉克发动的“沙漠风暴”行动证明，没有制电磁权就不可能有制空权和制海权。美国依靠其强大的电磁干扰武器，压制了伊拉克的全部通信、警戒雷达和火控系统，使伊拉克的防空网络陷于瘫痪。在没有任何抵抗的情况下，美国空军长驱直入，实行对伊拉克重要目标的狂轰滥炸，使其陷于瘫痪状态。美国在这场战争中采用的电子战(干扰)飞机、预警飞机、轰炸机、歼击机、空中加油机、火控雷达及精密制导设备几乎都离不开微波电子管，用于雷达、通信及干扰信号发送的器件90％都是由微波电子管担负。微波电子管在这场战争中的作用主要体现在：
　　(1)电子干扰设备，几乎都离不开宽带大功率微波管，特别是行波管作为干扰源，海湾战争中使用的宽带行波管大多是倍频程，*高频率为18GHz，平均输出功率在200W以上。如果说电子干扰在这场战争中起了决定性作用的话，则宽带大功率行波管是*关键的器件。
　　(2)空中预警指挥飞机在这场高技术战争中处于一体化指挥和引导的关键地位。美国此次使用的预警雷达均采用微波管作发射源。E3-A和E2-C分别采用速调管和三极管作发射源。E8-A是由4个大功率行波管作发射源。
　　(3)毫米波技术在此次战争中得到应用。美国研制的“爱国者”防御系统在导弹方面的改进是增加了主动引导头，采用35GHz、峰值功率为1kW的行波管作发射源，使导弹*大射程增加一倍，并更适合于攻击雷达散射截面小和隐蔽的低空目标。毫米波技术的*特优点，使其在精密制导、低仰角跟踪监视及火控方面有重要应用。
　　1.2.2雷达
　　雷达的发展从它诞生之日起就紧密地和大功率微波管的发展联系在一起。在现代化战争中雷达是获取敌方信息动态的重要手段，对掌握作战的主动权至关重要。同时雷达在气象监测、大气和环境分析，以及飞机、轮船和航天器飞行安全等方面具有重要作用。作为发射机的微波功率源，通常雷达对微波管有如下要求：
　　(1)要求有宽的工作频带和瞬时带宽，宽的工作频带有利于频率捷变，躲避敌方干扰；宽的瞬时带宽，有利于发射或传输宽频带信号。
　　(2)发射功率是展示雷达威力和抗干扰能力的重要指标。脉冲功率决定探测距离和分辨率，平均功率决定雷达系统的稳定可靠性。发展的趋势是采用大工作比，降低微波管的峰值功率和工作电压，以缩小系统的体积重量。
　　(3)要求发射源具有相位或频率调制的能力和相位稳定性。
　　(4)多模雷达要求微波发射管具有可变的脉冲宽度和重复频率。栅控行波管，特别是双模或多模行波管可以满足这一要求。
　　(5)有源相控阵体制是新发展的一种技术，它包含了大量的发射/接收(T/R)模块。用于这种体制的发射器件之间要求具有增益和相位的一致性。
　　(6)对于给定的平均功率，由于采用的器件不同，效率不同，因而电源也不同。
　　(7)冷却系统包括液冷、风冷和辐射冷却。
　　(8)发射管要经受住苛刻的环境、振动和辐射条件。
　　(9)对于可移动设备，要求发射管具有小体积、轻重量和安装维修方便等特点。
　　1.2.3电子对抗
　　在战争中，敌对双方通过各种高技术手段获取对方信息，以争取战争的主动权。于是通过各种干扰或截取对方电子信息以及相应的防御手段受到重视。这种电子对抗(ECM)系统在现代高技术战争中具有十分重要的作用，它的主要任务是：
　　(1)获取敌方信息；
　　(2)减小、避免或修正敌方的电磁辐射以保护自己；
　　(3)保证我方有效地利用电磁辐射武器。电子对抗的发射源都采用行波管，由于作用的特殊性，通常对这类行波管的带宽、发射功率、控制方式等都有特殊要求：
　　(1)宽频带或超宽频带，通常选用的行波管，其工作带宽为1～2GHz，2～4GHz，4～8GHz，8～16GHz，26.5～40GHz。近年来已研制出2～8GHz和6～18GHz的超宽带行波管。
　　(2)在宽频带内的输出功率可达100W、200W、400W。
　　(3)为了对抗雷达的探测，在欺骗式干扰系统中常采用多模或双模行波管。
　　(4)为了提高干扰功率，多波束干扰机采用功率合成的办法，使同一阵面上的16个、32个或64个单元发射的电磁波在干扰方向合成。干扰方向可以通过波束的扫描来选择。
　　1.2.4微波通信
　　微波通信频率通常在1～100GHz范围。微波通信不需要介质搭载，直接通过空中直线传送信息。通常微波通信主要有视距通信、对流层散射通信和卫星通信三种方式。
　　(1)视距通信：为了克服地球球形表面的弯*，每50km设立一个中继站，形成一个长距离的地面通信系统(图1.4(a))，又称为中继通信。由于光纤的应用，这种中继通信已经不是常用的远距离通信手段了。当今视距通信通常更多为点对点或点对面等类似局域组网采用。
　　(2)对流层散射通信：这种通信方式的通信距离远大于视距(图1.4(b))。由于大气衰减作用，这种通信接收的信号很微弱，同时因对流层状态的不稳定，信号起伏也很大。
　　(3)卫星通信：利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而实现两个或多个地球站之间的通信(图1.4(c))。全球覆盖的固定卫星通信业务静止地球轨道(GEO)卫星，轨道高度大约为36000km，呈圆形轨道，只要三颗相隔120的均匀分布的卫星，理论上可以覆盖全球。
　　卫星通信的成本与距离无关，适合长距离通信；不受通信两点间任何复杂地理条件的限制；不受通信两点间的任何自然灾