微波電子管

電子慣性限制與電子渡越時間效應(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電極運動到另一個電極，總是需要一定的時間，稱為電子在這兩個電極間的渡越時間。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,電子渡越時間比信號周期小得多，電子在飛越電極間的空間時，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,周期為一百萬分之一秒，電子渡越時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間相比擬，甚至更小。例如，當(dāng)頻率為300兆赫時,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無慣性的器件，電子渡越時間效應(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。

渡越時間的減小與利用

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)法減小電子渡越時間。一個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,制造時各個電極要嚴(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，仍然遇到由于電子渡越時間效應(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)法利用電子渡越時間效應(yīng)。自30年代開始，研制了多種實用的微波管。它們利用電子在相當(dāng)長的渡越時間內(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。從克服電子渡越時間效應(yīng)發(fā)展到利用渡越時間效應(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。

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，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,使電子的動能減小(O型器件)或位能降低( M型器件)。電子群把動能或位能交給微波場，從而實現(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，要實現(xiàn)上述要求極為困難。這時工作波長僅為毫米、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算,慢波波長只有零點幾毫米。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。

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能實現(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，電子運動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，電子運動方向、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。

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重要組成部分。

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。

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，現(xiàn)在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，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。

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(yīng)波長在1米～0.1毫米之間的電磁波。在第二次世界大戰(zhàn)期間微波雷達(dá)出現(xiàn)后，微波管迅即得到大量應(yīng)用。20世紀(jì)50年代以來，它的應(yīng)用已迅速擴(kuò)展到微波中繼通信、衛(wèi)星通信、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(chǔ)上發(fā)展出來的微波三極管與四極管）、普通微波管（如磁控管、速調(diào)管、行波管、正交場放大管）和新原理微波管(如回旋管)。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。20世紀(jì)30～40年代出現(xiàn)利用電子速度-密度調(diào)制的渡越時間微波管(常稱普通微波管)，將工作波長推進(jìn)到厘米波。由于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，所以60～70年代又出現(xiàn)回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(guān)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(jìn)入60～70年代以來，由于同半導(dǎo)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(chǎn)數(shù)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(yōu)于半導(dǎo)體器件。