相位噪聲的起源
微波管的相位噪聲在其誕生之初就為人們所注意,但在很長時間內(nèi)都沒有很清晰的闡釋,不過大多數(shù)研究都認為與電子束的脈動起伏有關(guān)。離子噪聲的重要特點是頻率很低,一般在幾兆赫茲,有時可達到低聲頻以至超低聲,這樣低的頻率是無法由微波諧振電路產(chǎn)生的,也遠低于管子內(nèi)的任何等離子體振蕩頻率,近似于張馳振蕩。
具體的物理過程大致如下:電子束由于非平衡的布里淵聚焦而產(chǎn)生了沿軸向的脈動,由于空間電荷效應,在軸線產(chǎn)生了靜電勢阱。由電子束碰撞產(chǎn)生的正離子被俘獲在勢阱中,當填充到一定程度,電子束聚焦狀況會發(fā)生變化,勢阱向陰極移動,離子隨之被釋放,打在陰極上,這一過程周期性地反復進行。在離子被俘獲、逃逸、再俘獲的過程中,沿軸線靜電勢阱要相應發(fā)生變化,使電子束的軸向速度改變,再與高頻場相互作用,形成輸出信號的噪聲。
速調(diào)管與行波管作為大功率微波真空器件,廣泛應用于通信、雷達、電子對抗、遙感等領域。但是和所有真空器件一樣,管子不可能處于絕對的真空中,總是帶有少量的殘余氣體。電子束碰撞電離這些背景氣體,會產(chǎn)生正離子,其空間電荷效應會改變電子束的狀態(tài),進而影響到電子束與波的互作用,使信號產(chǎn)生振幅與相位(特別是相位)的周期性擾動,這種擾動被稱為離子噪聲,有時也稱為相位噪聲[1]。
隨著通信技術(shù)與探測技術(shù)的進步,對信號源穩(wěn)定性的要求也相應提高,微波管的相位噪聲研究已成為高功率微波領域的研究熱點。許多文獻對由離子張馳振蕩引發(fā)的相位噪聲做了詳細的研究[1~4],但大多數(shù)的研究集中于離子噪聲的物理機理,特別是離子的產(chǎn)生、運動及其對電子束的影響。而對波本身特別是低頻噪聲調(diào)制到高頻信號的過程的研究還遠不完善。本文基于小信號近似,從波動理論與運動學理論出發(fā),分別研究了離子振蕩對行波管與速調(diào)管的輸出信號的影響,并分析了輸出信號的頻譜特性與相位特性。
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