[科普中國]-微波電子管

微波電子管是工作于微波波段的真空電子器件，常簡稱微波管。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(yīng)波長在1米～0.1毫米之間的電磁波。

簡介微波電子管工作于微波波段的真空電子器件，常簡稱微波管。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(yīng)波長在1米～0.1毫米之間的電磁波。微波電子管是隨著微波波段的開發(fā)利用而發(fā)展起來的，在第二次世界大戰(zhàn)期間微波雷達(dá)出現(xiàn)后迅即得到大量應(yīng)用。50年代以來，微波波段在民用領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速。它的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到微波中繼通信、衛(wèi)星通信、地面電視廣播、衛(wèi)星電視廣播、導(dǎo)航、能量傳輸、工業(yè)和民用加熱、科學(xué)研究等方面。微波電子管已成為真空電子器件的一個(gè)重要組成部分1。

分類微波電子管主要包括三類原理上不同的器件,即:靜電控制微波電子管（微波三極管與四極管）、普通微波管和新原理器件。微波三極管、四極管是在靜電控制電子管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的工作于微波波段的三、四極管。屬于普通微波管的有磁控管、正交場放大管及其他正交場器件;直射速調(diào)管、反射速調(diào)管;行波管、返波管。新原理器件包括回旋管、自由電子激光器等。此外，微波管還包括微波氣體放電開關(guān)管。

發(fā)展歷史由于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。30～40年代出現(xiàn)利用電子速度－密度調(diào)制的渡越時(shí)間微波管，將工作波長推進(jìn)到厘米波。這類器件業(yè)已成熟并得到普遍應(yīng)用，常稱為普通微波管。在向更短波長發(fā)展時(shí)，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(dá)到毫米波的短波端。60～70年代又出現(xiàn)回旋管等新原理微波管，它正處在深入研究階段2。

原理1、電子慣性限制與電子渡越時(shí)間效應(yīng)

電子是負(fù)電荷的基本單元，其電荷量是1.602×1庫侖。在所有穩(wěn)定的基本粒子中電子的質(zhì)量最小，靜止質(zhì)量僅為9.1066×1千克。盡管電子的質(zhì)量極小，但它仍然有一定的質(zhì)量，因而是有慣性的。在電場作用下,電子受到加速,能達(dá)達(dá)到一定的速度。例如，電子受到 100伏電壓的加速，速度達(dá)到 5930公里/秒（約為光速的2%）；電子受到10千伏電壓的加速,速度達(dá)到58500公里/秒（約為光速的20%）。

電子在一定的電壓作用下從電子管的一個(gè)電極運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)電極，總是需要一定的時(shí)間，稱為電子在這兩個(gè)電極間的渡越時(shí)間。例如,在相距2毫米的平板電極間加上100伏的電壓，電子以零初速飛離陰極,到達(dá)陽極所需要的渡越時(shí)間大約等于十億分之一秒（10-9秒）。

對于長波、中波、短波無線電波,信號周期較大,電子渡越時(shí)間比信號周期小得多，電子在飛越電極間的空間時(shí)，信號相位變化極小。因此，可以認(rèn)為電子是無慣性地越過了電極之間的空間。例如，頻率為1兆赫時(shí),周期為一百萬分之一秒，電子渡越時(shí)間比信號周期小得多。 進(jìn)入微波波段以后，信號周期已變成可以同渡越時(shí)間相比擬，甚至更小。例如，當(dāng)頻率為300兆赫時(shí),信號周期為3.3×10-9秒；在1000兆赫下，信號周期為10-9秒。在這種情況下，靜電控制電子管已不再是一個(gè)無慣性的器件，電子渡越時(shí)間效應(yīng)導(dǎo)致陰極負(fù)荷加重、柵極電子負(fù)載加大、效率下降。 普通靜電控制電子管之所以不能工作于微波波段，還遇到電路方面的限制。靜電控制電子管各電極之間存在極間電容，電極引線具有電感。由極間電容造成的容抗和引線電感造成的感抗，與頻率有直接關(guān)系。在較低工作頻率下,容抗和感抗的值都很小,對電路的影響不大。而在微波頻率下，這種容抗和感抗在諧振電路總電容和總電感中便占據(jù)很大比例，限制工作頻率的提高。此外，在微波頻率下，普通靜電控制管的開敞式電極向外輻射電磁能量，構(gòu)成損耗；玻璃管殼的介質(zhì)損耗也比較大。

2、渡越時(shí)間的減小與利用

為了使普通靜電控制電子管能夠工作于微波波段,必須設(shè)法減小電子渡越時(shí)間。一個(gè)方法是減小靜電控制電子管的極間距離并采用平板形結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代微波管極間距離最小可達(dá)0.025毫米,制造時(shí)各個(gè)電極要嚴(yán)格平行。另一方法是在電極之間加比較高的電壓，但這受到介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的限制。為了克服極間電容、引線電感、輻射損耗、介質(zhì)損耗等電路方面的限制，可以改變電極結(jié)構(gòu)，使靜電控制電子管電極成為諧振電路的一部分。采用封閉式諧振電路（同軸腔或波導(dǎo)腔）和損耗較小的陶瓷介質(zhì)等，遂逐漸形成微波三極管和微波四極管這一類微波管。

盡管采取了上述各種措施，當(dāng)微波三極管、四極管在更高頻率下工作時(shí)，仍然遇到由于電子渡越時(shí)間效應(yīng)而引起的嚴(yán)重問題，諸如陰極發(fā)射電流密度不足、柵極電子負(fù)載增加以及效率降低等。

為了進(jìn)一步提高真空電子器件的工作頻率，人們轉(zhuǎn)而設(shè)法利用電子渡越時(shí)間效應(yīng)。自30年代開始，研制了多種實(shí)用的微波管。它們利用電子在相當(dāng)長的渡越時(shí)間內(nèi)形成的密度調(diào)制，產(chǎn)生或放大微波信號。在這些微波管里，電子渡越時(shí)間不再是一種限制因素，而成為一種可被有效利用的物理現(xiàn)象。屬于這一類的微波管主要有：磁控管、正交場放大管及其他正交場器件；直射速調(diào)管、反射速調(diào)管；行波管、 O型返波管等。從克服電子渡越時(shí)間效應(yīng)發(fā)展到利用渡越時(shí)間效應(yīng)以形成電子注密度調(diào)制，這是微波電子管原理上的一次突破。

3、電子電荷拒斥力的限制

在O型和M型器件中，電子在較長渡越時(shí)間內(nèi)群聚成非常緊密的電子群，依靠這些電子群與微波拒斥場發(fā)生能量交換。當(dāng)進(jìn)入短毫米波時(shí)，這一原理便受到嚴(yán)重限制。

為了使電子同微波場有效地?fù)Q能，不論是O型器件還是M型器件,電子注都應(yīng)在微波拒斥場區(qū)域聚焦成緊密的電子群。拒斥場對電子群的作用，使電子的動(dòng)能減?。∣型器件）或位能降低（ M型器件）。電子群把動(dòng)能或位能交給微波場，從而實(shí)現(xiàn)對微波場的放大。因此，在依據(jù)密度調(diào)制原理工作的微波管中，電子群的尺寸必須遠(yuǎn)小于相波長。這樣，電子與微波場才能產(chǎn)生有效的相互作用。

在毫米波的短波一端或亞毫米波，要實(shí)現(xiàn)上述要求極為困難。這時(shí)工作波長僅為毫米、亞毫米量級，慢波電路中微波場的慢波波長更短（取決于微波管工作電壓，慢波波長通常為工作波長的百分之幾到十分之幾），即以1毫米工作波長的大功率器件計(jì)算,慢波波長只有零點(diǎn)幾毫米。要使大量電子聚集在比亞毫米短得多的區(qū)域內(nèi)，由于存在電子空間電荷斥力而極為困難。這個(gè)問題在電流較大、空間電荷密度較高的大功率器件中更為嚴(yán)重。然而，如果電子群與波長相比過于分散，將造成效率下降和功率降低。

此外，在毫米波、亞毫米波段，O型及M型微波管的電路（諧振腔、慢波電路）尺寸已相當(dāng)小，這給工藝制造、陰極、聚焦、散熱等都提出了苛刻要求。因此，這些微波管（特別是大功率管）的工作波長很難進(jìn)入毫米波短波端和亞毫米波。

現(xiàn)代O型和M型微波管所能達(dá)到的最短波長是：耦合腔行波管可達(dá)3.16毫米（峰值功率1千瓦，平均功率250瓦）；磁控管可達(dá) 2.14毫米（峰值功率1千瓦）；分布作用振蕩管可達(dá) 1.3毫米（峰值功率70瓦）。雖然反射速調(diào)管和返波管已進(jìn)入亞毫米波，但輸出功率僅為毫瓦級。

60～70年代以來出現(xiàn)了一些新原理的毫米波、亞毫米波真空電子器件，如回旋管等。新原理的目標(biāo)是突破普通微波管所遇到的各種限制，提供可在毫米波、亞毫米波波段工作的大功率器件3。

O型器件直射速調(diào)管、反射速調(diào)管、行波管、返波管都是通過電子動(dòng)能實(shí)現(xiàn)同微波場的能量交換，完成振蕩、放大、變頻等任務(wù)。在這些器件中，電子運(yùn)動(dòng)方向與直流磁場平行，通常稱為O型器件。O型放大器件的共同特點(diǎn)是增益高、噪聲低。直射放大速調(diào)管采用諧振型互作用電路（諧振腔），因而頻帶較窄，但可達(dá)到較高效率。行波管采用傳輸型互作用電路（慢波電路），因而頻帶較寬，但通常效率稍低（見速調(diào)管）。

磁控管、正交場放大管等通過電子位能實(shí)現(xiàn)同微波場的能量交換，完成振蕩和放大的功能。在這些器件中，電子運(yùn)動(dòng)方向、直流電場與直流磁場三者相垂直，通常稱為M型器件，即正交場器件。M型器件的共同特點(diǎn)是效率高電壓低、體積小、重量輕。磁控管采用諧振型互作用電路（多諧振腔結(jié)構(gòu)），因而頻帶窄。正交場放大管采用傳輸型互作用電路(慢波電路)，因而頻帶較寬。同O型放大器件相比，正交場放大管增益較低。

與半導(dǎo)體器件的關(guān)系低頻率、小功率微波電子管遇到半導(dǎo)體器件的激烈競爭，60～70年代以來生產(chǎn)數(shù)量逐年下降。但在功率能力上，微波電子管優(yōu)于半導(dǎo)體器件幾千倍以至上百萬倍。大功率、高頻率以及寬頻帶微波電子管，將繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

特點(diǎn)由于電子管體積大、功耗大、發(fā)熱厲害、電源利用效率低、結(jié)構(gòu)脆弱而且需要高壓電源的缺點(diǎn)，它的絕大部分用途已經(jīng)基本被固體器件晶體管所取代。但是電子管負(fù)載能力強(qiáng)，線性性能優(yōu)于晶體管，在高頻大功率領(lǐng)域的工作特性要比晶體管更好，所以仍然在一些地方繼續(xù)發(fā)揮著不可替代的作用1。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)