微波管

微波管（microwave tube；microwave valve）微波管又稱超高頻管。按波長劃分，比超短波更短的稱為微波，即從米波到毫米波、亞毫米波的範圍，在這範圍內工作的電真空器件稱為微波管。

微波波段頻率很高，低頻電子管採用的靜電控制作用由於渡越時間效應而遇到困難。對此困難有兩種處理辦法。一種是縮小管內電極間距以減小渡越時間影響，使靜電控制電子管延伸至微波波段。屬於這一類的即微波三、四極管。另一種是改變低頻電子管的傳統工作原理，把渡越時間的有害作用化為有利作用，做出了一系列工作於微波波段的電真空器件。屬於這一類的有速調管、行波管、返波管、正交場器件等。另外，微波氣體放電開關管也屬於微波管之列。

基本介紹

• 中文名：微波管
• 外文名：microwave tube
• 別稱：超高頻管
• 頻率：300兆赫到3000吉赫
• 波長：1米～0.1毫米之間
• 材料：氧化鋁、金剛石等
• 套用：產生和放大微波信號的電子器件

微波管概述

工作在微波波段的真空電子器件。簡稱微波管。電磁波譜中的微波波段通常指頻率在300兆赫到3000吉赫， 對應波長在1米～0.1毫米之間的電磁波。在第二次世界大戰期間微波雷達出現後，微波管迅即得到大量套用。20世紀50年代以來，它的套用已迅速擴展到微波中繼通信、衛星通信、電視廣播、導航、能量傳輸、工業和民用加熱、科學研究等方面。微波電子管主要包括3類原理上不同的器件，即靜電控制微波電子管（如在靜電控制電子管基礎上發展出來的微波三極體與四極管）、普通微波管（如磁控管、速調管、行波管、正交場放大管）和新原理微波管（如迴旋管）。由於受到電子慣性等限制，早期的靜電控制電子管不能工作到米波波長。20世紀30～40年代出現利用電子速度-密度調製的渡越時間微波管（常稱普通微波管），將工作波長推進到厘米波。由於普通微波管受到電子空間電荷拒斥力等限制，工作波長不能達到毫米波的短波端，所以60～70年代又出現迴旋管等新原理微波管。此外，微波管還包括微波氣體放電開關管。微波電子管已成為真空電子器件的一個重要組成部分。但進入60～70年代以來，由於同半導體微波器件的激烈競爭，在低頻率、小功率方面 ，微波電子管的生產數量逐年下降 。在大功率、高頻率和寬頻帶方面，微波電子管能力還優於半導體器件。

微波管的基本結構

微波管的主要組成部分。

微波真空電子器件是通過電子在真空（或電漿）中的運動，將電子所攜帶的直流電能轉換成微波能量的器件，這一性質決定了微波管在結構上必然應該具有產生電子注的機構——電子槍；電子注將直流能量轉換成高頻能量的機構——高頻系統；收集電子注的機構——收集極以及輸出高頻能量的機構——輸能裝置。除此之外，對於放大管來說，還應該有輸入微波信號的裝置；在大部分微波管中，為了維持電子注的形狀和正常運動，還需要一套聚焦系統。因此，一般情況下，微波管的主要組成部分應包括電子槍、高頻系統、收集極、輸能裝置和聚焦系統，典型的結構示意圖如下圖所示。

微波管典型結構示意圖

電子槍的作用是產生具有一定形狀和電流大小的電子注，並將電子注加速到一定速度。電子槍一般由陰極、聚焦極、陽極和柵極組成。

1）陰極

陰極是發射電子的電極，陰極質量的好壞，比如發射電流密度、導流係數、發射均勻性等與微波管性能的好壞有很大的關係，而陰極的壽命更是直接決定著微波管的壽命。微波管使用

2）聚焦極

聚焦極也可以叫做成形極，它的作用是壓縮電子注防止它擴散，所以一般都與陰極同電位。有時聚焦極也可以起到控制陰極電子發射的作用，在聚集極上加上相對陰極足夠高的負電壓，就可以使陰極截止，即在陽極正常加有高壓的情況下，陰極沒有電流發射；聚焦極電位回復到陰極同電位，陰極就恢復到正常工作狀態。

3）陽極

在微波管中，陽極的作用是對電子注進行加速。由於在動態控制原理中，對電子注進行密度調製和加速電子注的功能已經分開，陽極不再承擔直接控制電子流的大小隨信號電壓變化而變化的功能，即實現電子注密度調製的任務，而只起加速電子的作用。所以在微波管中，在固定的加速電壓（陽極電壓）下得到的工作電流也都是一個固定值。但是，陽極電壓如果發生了改變，陰極發射電流的大小將隨之改變，因此，調節陽極電壓，可以起到改變微波管工作電流大小的作用。應該指出，陽極電壓更大程度上是由電子注與高頻場相互作用的要求所決定的，一般不能隨意改變。

另外，在微波管中信號能量的輸出功能也不再如普通電子管一樣由陽極完成，而是由專門的能量輸出機構來承擔被放大或振蕩產生的微波能量的輸出任務。

微波管材料

為了能獲得合適的性能，微波管必須在高真空至超高真空狀態下工作。對於最好的情況，將離子泵或吸氣劑作為整管的一個部件，用它來維持高真空。對於最壞的情況，管子不帶有泵，要求管子在存放幾年後還能正常工作。實現和維持可接受的真空度的一個最重要的因素是使用合適的制管材料，下圖列出了許多常見的材料。

在選擇真空外殼內部使用的金屬時，主要考慮的因素是材料的蒸汽壓。

常用的材料

下面以鋅為例，解釋這些圖表的使用方法。在低溫下，其蒸氣壓不高（100℃為10^-9托），但稍微升高溫度（400℃），蒸氣壓就只有10^-1托。這就解釋了黃銅（包含鋅）不能用於可能被加熱的真空系統中的原因。如果使用黃銅，並在400℃或更高的溫度下烘排，鋅蒸氣將會瀰漫到整個系統中。

當陰極工作溫度為1000℃時，鋇蒸氣壓超過1托。因此，在陰極表面上過量的鋇（超過單層）會快速地蒸發，蒸發的鋇最終沉澱在絕緣表面並導致漏電或擊穿。為了去除過量的鋇，新的陰極常常放置在真空室中，進行高溫處理，然後再放入管中。

這些材料嚴重地限制了系統可以工作的壓強和溫度。如系統中所需的非金屬材料必須被烘烤，那么能選擇的材料很少。如果材料用作真空外殼，那么可以選擇Al₂O₃（氧化鋁）、BeO（氧化鈹）、玻璃。在一些特殊情況下，也可選用CVD金剛石。這些材料有極低的蒸氣壓。在真空外殼內部，除了Al₂O₃或BeO之外，也可以使用氮化硼或金剛石。

一些液體可能有極低的蒸汽壓，比如擴散泵油。儘管如此，沒有任何液體適用於微波管的高真空和極高真空環境。需要指出的是，微波管中沒有合適的潤滑劑可以使用。因此，在旋轉調諧磁控管中，陽極部分可以以4000r/min的速度轉動，但沒有使用潤滑劑。由於小心選擇和處理所用的金屬，並對其精密機械加工，所以不會發生過度的磨損。

經典微波管類型

大多數微波管是在第二次世界大戰以前發明的。由於雷達套用的需要，2種類型微波管，即磁控管和反射速調管，在第二次世界大戰期間得到了大力發展。在第二次世界大戰期間和隨後的年代，發明了多種類型和結構的微波管。由於效率和增益低、結構複雜等原因，其中大多數沒有得到實際套用。目前，5種類型微波管占了主導地位，其中4種是普通微波管，第5種是迴旋管。以下5種類型的微波管：

（1）速調管；

（2）行波管；

（3）磁控管；

（4）正交場放大器；

（5）迴旋管。

上述5種類型的微波管可以分為下圖所示的3種類別，即線性注管、正交場管和快波管。如果考慮微波管的結構，以及其中的電場和磁場，則上述劃分的緣由就十分清楚了。

微波管的主要類別

圖1-4和圖1-5表示速調管和行波管的基本結構。在這2種管子中，由電子槍形成的電子注線性地通過高頻電路到達收集極。在速調管中，高頻電路是由若干個諧振腔組成的，諧振腔間沒有電磁耦合。高頻輸入信號對電子注中的電子加速或減速。在電子注漂移過程中，較快的電子趕上較慢的電子，形成了電子群聚，電子注中的高頻電流隨電子注向前移動而增長。高頻電流首先耦合到中間腔（圖1-4中只表示出1箇中間腔），然後耦合到輸出腔。在每一個中間腔，高頻電流感應出信號，轉而產生增強電子注群聚過程的高頻電場。最後，強的高頻電流耦合到輸出腔，產生高頻輸出功率。速調管的增益很高，可達60dB或更高，其頻寬為百分之幾至大約10%，其輸出功率電平可達幾十MW或更高。

速調管和行波管的基本結構

在行波管中，高頻電路是連續的，信號可以沿高頻電路行進，很像它在傳輸線中傳輸一樣。高頻電路的設計使信號的速度接近通過電路的電子注速度。如圖1-5所示，設計電路使信號在電路中產生的電場伸人到電子注中，高頻電場使一些電子加速，另外一些電子減速，從而形成電子群聚。當這些電子群聚通過附近的電路時，在電路上感應高頻電流，並使電路上的高頻場幅度增加。增強的高頻電場轉而增加電子注的群聚作用，隨著電子群聚和電路中高頻場沿高頻電路以相同速度移動時，電子注中的群聚作用增強。當電子群聚變得更強時，電子注中的高頻電流和電路中的高頻場將變得更大。最終，被放大的信號從電路中耦合出去。通常，行波管的增益在30dB~ 50dB範圍，頻寬達20%到超過2個倍頻程。對於極寬頻帶行波管，其輸出功率電平為數十瓦，對於窄頻帶行波管，其輸出功率電平為數百kW至MW。

圖1-6和圖1-7表示磁控管和正交場放大器的基本結構。在這些器件中，陰極是位於中心的圓柱發射體。一般，電子流是沿徑向向外移動到作為陽極的高頻電路。由於外加磁場垂直於陰極一陽極間電場和電子流方向，因此，電子被迫環繞陰極運動。當高頻場存在時，電子群聚，形成輪輻結構。

磁控管的基本結構

磁控管是振盪器，其高頻電路是由諧振腔組成的。諧振腔的排列使每一個諧振腔產生的高頻磁場與相鄰諧振腔耦合，在理想情況下，整個諧振腔結構諧振在一個相同頻率，相鄰諧振腔的高頻電場的相位相差180°。高頻場振盪時，在諧振腔間隙的高頻場圖像環繞陰極旋轉。如果環繞陰極的電子輪輻與陽極上的旋轉場同步，那么，輪輻可以在到達每一個諧振腔間隙時，在諧振腔中感應高頻電流，使振盪增強。磁控管的輸出功率可達數MW，報導的效率高達88%。

正交場放大器CFA）的工作原理（見圖1-7）與行波管相似，設計高頻電路使沿電路行進的信號與隨之而來的電子同步。在行波管中，電子群聚是沿著行波移動方向形成的，在CFA中，形成電子輪輻，輪輻環繞陰極，且與電路中行進的波同步。電路波的電場增強了輪輻的群聚作用，由輪輻在高頻電路上感應的電流增強了電場。電路上的波從輸入到輸出行進時增長。在某些CFAs中，設計電路使返波作用發生，並產生放大。通常，CFAs的增益小於20dB，而輸出功率可能達到幾十MW。

（圖1-7）正交場放大器的基本結構

套用

微波管是用於產生和放大微波頻率範圍高頻信號的真空電子器件。一般認為，微波頻率範圍從1GHz~100GHz。毫米波頻帶是微波頻帶的一部分，通常從大約30GHz～300GHz。

在固態器件發明以前，微波管是僅有的有源器件，它套用在整個微波波段和在所有的功率電平上。目前，如圖所示，真空器件（微波管）在高功率、高頻率套用中占優勢，而固態器件大多套用在較低頻率和較低功率電平上。

微波管和固態器件的套用範圍

微波管和固態器件的套用範圍沒有很清楚的分界線，其主要原因是：除了平均功率和頻率的因素外，在大多數套用中，還需要考慮其它一些因素。這些因素如下：

（1）一般來說，微波管比固態器件更有效。採用適當的收集極技術，在有些情況下，管子的效率可以接近甚至超過70%。

（2）與固態器件相比，微波管可以工作在更高的溫度。高工作溫度和高效率相結合，意味著微波管可以比固態器件更小和更輕，而仍然能消除管子中剩餘熱量。

（3）由於極高的可靠性，許多衛星套用中選擇行波管作為放大器。

（4）在許多套用中，寬頻帶對於某些微波管來說是一個非常重要的因素。對於某些螺旋線行波管（TWTs），其頻寬可超過2個倍頻程。

因此，即使在功率一頻率圖（見上圖）上有重疊部分，人們也可以選用微波管來獲得系統要求的性能。