一种行波管、电子枪及功率放大系统的制作方法

本技术实施例涉及通信，尤其涉及一种行波管、电子枪及功率放大系统。

背景技术：

1、为了满足通信系统超大容量的传输需求，第三代合作伙伴协议(3rd generationpartnership project，3gpp)标准已经将通信系统的工作频段拓展到高频段(例如，40ghz)。但是高频通信系统中存在高传输路径损耗和穿透损耗，会导致高频通信系统的应用场景受限。毫米波发射机具有宽频带和高线性度的特点，适用于高频通信系统，因此研究高功率的毫米波发射机，对于扩大高频通信系统的应用场景具有重要意义。而毫米波功率放大器是毫米波发射机中必不可少的模块，其性能的好坏直接决定了毫米波发射机性能的好坏。因此，研制高性能的毫米波功率放大器是实现高功率毫米波发射机的关键。

2、目前常见的毫米波功率放大器包括固态功率放大器(solid state poweramplifier，sspa)和行波管功率放大器(travelling wave tube amplifier，twta)，一般的，行波管功率放大器简称为行波管，其中，sspa适用于较低功率需求的通信场景，twta适用于较高功率需求的通信场景。因此，高功率发射机中通常使用twta。

3、为了实现超高速的系统速率和高频率利用率，高频通信系统中通常采用高宽带(例如，带宽为400mhz/800mhz)、高阶调制(例如，16qam/64qam/256qam)的正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)信号，这类信号具有很高的峰值功率(也称作饱和功率)。

4、如图1所示，twta在对这类信号进行线性放大时，需要工作在线性放大区，但twta工作在线性放大区时，随着twta的输出功率的减小，twta的电子效率(即将电能转换为射频能量的效率)会大幅降低，难以满足高频通信系统的功耗要求。

5、因此，twta工作在线性放大区时，如何提升twta的电子效率，以减少twta的功耗，是本领域亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种行波管、电子枪以及功率放大系统，用于在行波管对射频信号进行线性放大时，提升行波管的电子效率，进而有效减少行波管的功耗。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种行波管，该行波管包括输入装置、控制电路、电子枪、慢波电路、和输出装置；其中，输入装置可以用于接收射频信号，并向慢波电路馈入射频信号；控制电路可以用于确定电子注的数量n，和，n个电子注的电流大小，行波管的电子效率大于或等于第一阈值；其中，n为大于或等于1的正整数；电子枪可以用于在控制电路的控制下，发射n个电子注；慢波电路可以用于与n个电子注进行注波互作用，放大射频信号的功率；输出装置可以用于输出放大后的射频信号。

3、本技术实施例中，在行波管中增加了控制电路，该控制电路可以确定行波管中的电子枪发射的电子注的数量n和n个电子注的电流大小，并控制行波管中的电子枪发射n个电子注；进而慢波电路可以与该n个电子注进行注波互作用，使得射频信号的输入功率和输出功率呈线性相关，线性放大射频信号的功率，且慢波电路工作在饱和区，可以使行波管的电子效率大于或等于第一阈值。如此，在对射频信号进行线性放大的同时，有效提升了行波管的电子效率，进而有效降低行波管的功耗，从而可以满足高频通信系统的低功耗需求。

4、在一种可能的设计中，上述慢波电路可以包括功率分配器、m路慢波结构和m个开关，m路慢波结构与m个开关一一对应；其中，m大于或等于n；控制电路还可以用于：控制功率分配器将馈入慢波电路的射频信号分为n个子信号；以及，开启m个开关中的n个开关，将n个子信号输入m路慢波结构中的n路慢波结构；其中，n个开关与n路慢波结构一一对应，n个子信号中的一个子信号输入n路慢波结构中的一路慢波结构。

5、在该设计中，控制电路可以控制功率分配器将馈入慢波电路的射频信号分为n个子信号，并开启m个开关中的n个开关，将n个子信号输入m路慢波结构中的n路慢波结构，并控制n路慢波结构中的每路慢波结构工作在饱和区。如此，使得n个子信号中的一个子信号可以输入n路慢波结构中的一路慢波结构，进而一路慢波结构可以对一个子信号的功率进行放大，可以使得该路慢波结构工作在饱和区，有效提升该路慢波结构的电子效率。

6、相应的，慢波电路与n个电子注进行注波互作用，放大射频信号的功率，包括：穿过n路慢波结构的n个电子注与n路慢波结构进行注波互作用，放大n个子信号的功率；其中，n个电子注中的一个电子注与其穿入的n路慢波结构中的一路慢波结构进行注波互作用，放大输入一路慢波结构中的一个子信号的功率。如此，穿过慢波结构的电子注与该路慢波结构进行驻波互作用，对输入该路慢波结构的子信号的功率进行放大。

7、在一种可能的设计中，上述慢波电路还包括功率合成器；控制电路还可以用于控制功率合成器将放大后的n个子信号合成放大后的射频信号。

8、在该设计中，通过功率合成器将放大后的n个子信号合成并输出，使得行波管可以将放大后的射频信号完整地输出。

9、上述控制电路用于确定n个电子注的数量，和，n个电子注的电流大小，包括但不限于以下实施方式：

10、实施方式一、控制电路接收控制信号，该控制信号用于指示n的取值和n个电子注的电流大小。

11、在该实施方式中，控制电路可以直接根据接收到的控制信号，确定n个电子注的数量和n个电子注的电流大小，使得控制电路实现简单。

12、实施方式二、控制电路基于射频信号的输入功率，确定n的取值和n个电子注的电流大小。

13、在该实施方式中，控制电路可以基于射频信号的输入功率，确定n个电子注的数量和n个电子注的电流大小，无需接收控制信号，有效提升控制电路确定n个电子注的数量和n个电子注的电流大小的效率。

14、在一种可能的设计中，控制电路基于射频信号的输入功率，确定n的取值和n个电子注的电流大小，包括：若射频信号的输入功率小于或等于第二阈值，确定n的取值为1，以及确定n个电子注的电流大小；或者，若射频信号的输入功率大于第二阈值，确定n的取值大于1，以及确定n个电子注的电流大小；其中，n个电子注中的至少一个电子注的电流达到至少一个电子注的电流阈值，n的取值与射频信号的输入功率成正相关。

15、在该设计中，控制电路结合射频信号的输入功率，来确定n的取值和n个电子注的电流大小，可以使得经过行波管放大的射频信号的输出功率与输入功率呈线性相关，并且可以使得慢波电路中与n个电子注对应的n个慢波结构的工作在饱和状态，有效提升n个慢波结构的电子效率，进而有效提升行波管的电子效率。

16、在一种可能的设计中，上述电子枪包括m个阴极；其中，所述m大于或等于所述n；相应的，控制电路控制电子枪发射n个电子注，包括：基于所述n的取值和n个电子注的电流大小，调整m个阴极的电流大小，控制m个阴极中的n个阴极发射n个电子注；其中，n个阴极中的每个阴极用于发射n个电子注的一个电子注，n个阴极中的每个阴极的电流大小与其发射的电子注的电流大小相关，且n个阴极中的每个阴极的电流大于零。

17、需要说明的是，“n个阴极中的每个阴极的电流大小与其发射的电子注的电流大小相关”可以理解为n个阴极中的每个阴极的电流大小与其发射的电子注的电流大小相等。

18、在该设计中，控制电路在确定电子枪发射的n个电子注的数量和n个电子注的电流大小之后，可以根据n个电子注的数量和n个电子注的电流大小，调整m个阴极的电流大小，使得m个阴极中的n个阴极的电流大于零，进而这个n个阴极可以发射n个电子注。

19、在一种可能的设计中，电子枪还包括h个阳极，m个阴极中的每个阴极与h个阳极中的至少一个阳极对应，至少一个阳极与控制电路连接；其中，h大于或等于m；控制电路调整m个阴极的电流大小，包括：调整至少一个阳极的电压大小。在该设计中，控制电路通过对m个阴极关联的阳极的电压大小进行调整，实现对m个阴极的电流大小的调整。

20、在一种可能的设计中，电子枪还包括m个栅极，m个栅极与控制电路连接；m个阴极与m个栅极一一对应；控制电路调整m个阴极的电流大小，包括：调整m个栅极的电压大小。在该设计中，控制电路通过对m个阴极关联的栅极的电压大小进行调整，实现对m个阴极的电流大小的调整。

21、在一种可能的设计中，电子枪还包括m个聚焦极，m个聚焦极与控制电路连接；m个阴极与m个聚焦极一一对应；控制电路调整m个阴极的电流大小，包括：调整m个聚焦极的电压大小。在该设计中，控制电路通过对m个阴极关联的聚焦极的电压大小进行调整，实现对m个阴极的电流大小的调整。

22、在一种可能的设计中，上述行波管还包括磁聚焦系统；该磁聚焦系统可以用于n个电子注的聚焦，使n个电子注保持聚束状态。在该设计中，通过该磁聚焦系统对n个电子注进行聚焦，使n个电子注保持聚束状态，进而使得这n个电子注可以顺利穿过慢波电路。

23、在一种可能的设计中，上述行波管还包括吸收集，该吸收集可以用于回收n个电子注的剩余能量，进一步减少行波管的功耗。

24、第二方面，本技术实施例还提供了一种电子枪，该电子枪包括m个阴极和控制电路；其中，控制电路可以用于确定电子注的数量n，和，n个电子注的电流大小，行波管的电子效率大于或等于第一阈值；其中，n为大于或等于1的正整数，m大于或等于n；m个阴极中的n个阴极可以用于在控制电路的控制下发射n个电子注；其中，n个阴极中的每个阴极用于发射n个电子注的一个电子注。

25、本技术实施例中，在电子枪中增加了控制电路，该控制电路可以对电子枪发射的电子注的数量和电流大小进行控制，进而电子枪发射的电子注在用于对行波管的射频信号进行放大时，使得行波管的电子效率大于或等于第一阈值，从而满足行波管的低功耗要求。

26、在一种可能的设计中，控制电路用于确定电子注的数量n，和，n个电子注的电流大小，包括：接收控制信号，控制信号用于指示n的取值和n个电子注的电流大小；或者，基于行波管中待放大射频信号的输入功率，确定n的取值和n个电子注的电流大小。

27、在一种可能的设计中，控制电路用于基于射频信号的输入功率，确定n的取值和n个电子注的电流大小，包括：若射频信号的输入功率小于或等于第二阈值，确定n的取值为1，以及确定n个电子注的电流大小；或者，若射频信号的输入功率大于第二阈值，确定n的取值大于1，以及确定n个电子注的电流大小；其中，n个电子注中的至少一个电子注的电流达到至少一个电子注的电流阈值，n的取值与射频信号的输入功率成正相关。

28、在一种可能的设计中，控制电路控制m个阴极中的n个阴极发射n个电子注，包括：基于所述n的取值和n个电子注的电流大小，调整m个阴极的电流大小，控制n个阴极中的每个阴极的电流大于零；其中，n个阴极中的每个阴极的电流大小与其发射的电子注的电流大小相关。

29、在一种可能的设计中，电子枪还包括h个阳极，m个阴极中的每个阴极与h个阳极中的至少一个阳极对应，至少一个阳极与控制电路连接；其中，h大于或等于m；控制电路调整m个阴极的电流大小，包括：调整至少一个阳极的电压大小。

30、在一种可能的设计中，电子枪还包括m个栅极，m个栅极与控制电路连接；m个阴极与m个栅极一一对应；控制电路调整m个阴极的电流大小，包括：调整m个栅极的电压大小。

31、在一种可能的设计中，电子枪还包括m个聚焦极，m个聚焦极与控制电路连接；m个阴极与m个聚焦极一一对应；控制电路调整m个阴极的电流大小，包括：调整m个聚焦极的电压大小。

32、第三方面，本技术实施例还提供了一种功率放大系统，包括第一信号处理单元和如上述第一方面以及第一方面任一可能的设计中的行波管，第一信号处理单元与行波管连接；第一信号处理单元，用于将射频信号输入行波管；行波管，用于放大射频信号的功率。

33、在一种可能的设计中，还包括第二信号处理单元；第二信号处理单元，用于生成控制信号，将控制信号输入行波管；其中，控制信号用于指示行波管中的电子枪发射的电子注的数量和n个电子注的电流大小。

34、对于第二方面中任一可能的设计所述的技术方案的有益效果和第三方面以及第三方面可能的设计所述的技术方案的有益效果，请参见第一方面中相关的描述，这里不再赘述。