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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有很清晰的闡釋，不過(guò)大多數(shù)研究都認(rèn)為與電子束的脈動(dòng)起伏有關(guān)。離子噪聲的重要特點(diǎn)是頻率很低，一般在幾兆赫茲，有時(shí)可達(dá)到低聲頻以至超低聲，這樣低的頻率是無(wú)法由微波諧振電路產(chǎn)生的，也遠(yuǎn)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(guò)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(dòng)，由于空間電荷效應(yīng)，在軸線產(chǎn)生了靜電勢(shì)阱。由電子束碰撞產(chǎn)生的正離子被俘獲在勢(shì)阱中，當(dāng)填充到一定程度，電子束聚焦?fàn)顩r會(huì)發(fā)生變化，勢(shì)阱向陰極移動(dòng)，離子隨之被釋放，打在陰極上，這一過(guò)程周期性地反復(fù)進(jìn)行。在離子被俘獲、逃逸、再俘獲的過(guò)程中，沿軸線靜電勢(shì)阱要相應(yīng)發(fā)生變化，使電子束的軸向速度改變，再與高頻場(chǎng)相互作用，形成輸出信號(hào)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(yīng)用于通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、遙感等領(lǐng)域。但是和所有真空器件一樣，管子不可能處于絕對(duì)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(huì)產(chǎn)生正離子，其空間電荷效應(yīng)會(huì)改變電子束的狀態(tài)，進(jìn)而影響到電子束與波的互作用，使信號(hào)產(chǎn)生振幅與相位(特別是相位)的周期性擾動(dòng)，這種擾動(dòng)被稱為離子噪聲，有時(shí)也稱為相位噪聲[1]。
隨著通信技術(shù)與探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)信號(hào)源穩(wěn)定性的要求也相應(yīng)提高,微波管的相位噪聲研究已成為高功率微波領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。許多文獻(xiàn)對(duì)由離子張馳振蕩引發(fā)的相位噪聲做了詳細(xì)的研究[1～4]，但大多數(shù)的研究集中于離子噪聲的物理機(jī)理，特別是離子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)及其對(duì)電子束的影響。而對(duì)波本身特別是低頻噪聲調(diào)制到高頻信號(hào)的過(guò)程的研究還遠(yuǎn)不完善。本文基于小信號(hào)近似，從波動(dòng)理論與運(yùn)動(dòng)學(xué)理論出發(fā)，分別研究了離子振蕩對(duì)行波管與速調(diào)管的輸出信號(hào)的影響，并分析了輸出信號(hào)的頻譜特性與相位特性。