微波管应用

微波管是用于产生和放大微波频率范围高频信号的真空电子器件。一般认为，微波频率范围从1GHz~100GHz。毫米波频带是微波频带的一部分，通常从大约30GHz～300GHz。

在固态器件发明以前，微波管是仅有的有源器件，它应用在整个微波波段和在所有的功率电平上。如图3所示，真空器件（微波管）在高功率、高频率应用中占优势，而固态器件大多应用在较低频率和较低功率电平上。

微波管和固态器件的应用范围没有很清楚的分界线，其主要原因是：除了平均功率和频率的因素外，在大多数应用中，还需要考虑其它一些因素。这些因素如下：

（1）一般来说，微波管比固态器件更有效。采用适当的收集极技术，在有些情况下，管子的效率可以接近甚至超过70%。

（2）与固态器件相比，微波管可以工作在更高的温度。高工作温度和高效率相结合，意味着微波管可以比固态器件更小和更轻，而仍然能消除管子中剩余热量。

（3）由于极高的可靠性，许多卫星应用中选择行波管作为放大器。

（4）在许多应用中，宽频带对于某些微波管来说是一个非常重要的因素。对于某些螺旋线行波管（TWTs），其带宽可超过2个倍频程。

因此，即使在功率一频率图（见上图3）上有重叠部分，人们也可以选用微波管来获得系统要求的性能。

大多数微波管是在第二次世界大战以前发明的。由于雷达应用的需要，2种类型微波管，即磁控管和反射速调管，在第二次世界大战期间得到了大力发展。在第二次世界大战期间和随后的年代，发明了多种类型和结构的微波管。由于效率和增益低、结构复杂等原因，其中大多数没有得到实际应用。5种类型微波管占了主导地位，其中4种是普通微波管，第5种是回旋管。以下5种类型的微波管：

（1）速调管；

（2）行波管；

（3）磁控管；

（4）正交场放大器；

（5）回旋管。

上述5种类型的微波管可以分为下图3所示的3种类别，即线性注管、正交场管和快波管。如果考虑微波管的结构，以及其中的电场和磁场，则上述划分的缘由就十分清楚了。

图1-4和图1-5表示速调管和行波管的基本结构。在这2种管子中，由电子枪形成的电子注线性地通过高频电路到达收集极。在速调管中，高频电路是由若干个谐振腔组成的，谐振腔间没有电磁耦合。高频输入信号对电子注中的电子加速或减速。在电子注漂移过程中，较快的电子赶上较慢的电子，形成了电子群聚，电子注中的高频电流随电子注向前移动而增长。高频电流首先耦合到中间腔（图1-4中只表示出1个中间腔），然后耦合到输出腔。在每一个中间腔，高频电流感应出信号，转而产生增强电子注群聚过程的高频电场。最后，强的高频电流耦合到输出腔，产生高频输出功率。速调管的增益很高，可达60dB或更高，其带宽为百分之几至大约10%，其输出功率电平可达几十MW或更高。

在行波管中，高频电路是连续的，信号可以沿高频电路行进，很像它在传输线中传输一样。高频电路的设计使信号的速度接近通过电路的电子注速度。如图1-5所示，设计电路使信号在电路中产生的电场伸人到电子注中，高频电场使一些电子加速，另外一些电子减速，从而形成电子群聚。当这些电子群聚通过附近的电路时，在电路上感应高频电流，并使电路上的高频场幅度增加。增强的高频电场转而增加电子注的群聚作用，随着电子群聚和电路中高频场沿高频电路以相同速度移动时，电子注中的群聚作用增强。当电子群聚变得更强时，电子注中的高频电流和电路中的高频场将变得更大。最终，被放大的信号从电路中耦合出去。通常，行波管的增益在30dB~ 50dB范围，带宽达20%到超过2个倍频程。对于极宽频带行波管，其输出功率电平为数十瓦，对于窄频带行波管，其输出功率电平为数百kW至MW。

图1-6和图1-7表示磁控管和正交场放大器的基本结构。在这些器件中，阴极是位于中心的圆柱发射体。一般，电子流是沿径向向外移动到作为阳极的高频电路。由于外加磁场垂直于阴极一阳极间电场和电子流方向，因此，电子被迫环绕阴极运动。当高频场存在时，电子群聚，形成轮辐结构。

磁控管是振荡器，其高频电路是由谐振腔组成的。谐振腔的排列使每一个谐振腔产生的高频磁场与相邻谐振腔耦合，在理想情况下，整个谐振腔结构谐振在一个相同频率，相邻谐振腔的高频电场的相位相差180°。高频场振荡时，在谐振腔间隙的高频场图像环绕阴极旋转。如果环绕阴极的电子轮辐与阳极上的旋转场同步，那么，轮辐可以在到达每一个谐振腔间隙时，在谐振腔中感应高频电流，使振荡增强。磁控管的输出功率可达数MW，报导的效率高达88%。

正交场放大器CFA）的工作原理（见图1-7）与行波管相似，设计高频电路使沿电路行进的信号与随之而来的电子同步。在行波管中，电子群聚是沿着行波移动方向形成的，在CFA中，形成电子轮辐，轮辐环绕阴极，且与电路中行进的波同步。电路波的电场增强了轮辐的群聚作用，由轮辐在高频电路上感应的电流增强了电场。电路上的波从输入到输出行进时增长。在某些CFAs中，设计电路使返波作用发生，并产生放大。通常，CFAs的增益小于20dB，而输出功率可能达到几十MW。

为了能获得合适的性能，微波管必须在高真空至超高真空状态下工作。对于最好的情况，将离子泵或吸气剂作为整管的一个部件，用它来维持高真空。对于最坏的情况，管子不带有泵，要求管子在存放几年后还能正常工作。实现和维持可接受的真空度的一个最重要的因素是使用合适的制管材料，下图2列出了许多常见的材料。

在选择真空外壳内部使用的金属时，主要考虑的因素是材料的蒸汽压。

下面以锌为例，解释这些图表的使用方法。在低温下，其蒸气压不高（100℃为10^-9托），但稍微升高温度（400℃），蒸气压就只有10^-1托。这就解释了黄铜（包含锌）不能用于可能被加热的真空系统中的原因。如果使用黄铜，并在400℃或更高的温度下烘排，锌蒸气将会弥漫到整个系统中。

当阴极工作温度为1000℃时，钡蒸气压超过1托。因此，在阴极表面上过量的钡（超过单层）会快速地蒸发，蒸发的钡最终沉淀在绝缘表面并导致漏电或击穿。为了去除过量的钡，新的阴极常常放置在真空室中，进行高温处理，然后再放入管中。

这些材料严重地限制了系统可以工作的压强和温度。如系统中所需的非金属材料必须被烘烤，那么能选择的材料很少。如果材料用作真空外壳，那么可以选择Al₂O₃（氧化铝）、BeO（氧化铍）、玻璃。在一些特殊情况下，也可选用CVD金刚石。这些材料有极低的蒸气压。在真空外壳内部，除了Al₂O₃或BeO之外，也可以使用氮化硼或金刚石。

一些液体可能有极低的蒸汽压，比如扩散泵油。尽管如此，没有任何液体适用于微波管的高真空和极高真空环境。需要指出的是，微波管中没有合适的润滑剂可以使用。因此，在旋转调谐磁控管中，阳极部分可以以4000r/min的速度转动，但没有使用润滑剂。由于小心选择和处理所用的金属，并对其精密机械加工，所以不会发生过度的磨损。

微波管的主要组成部分。

微波真空电子器件是通过电子在真空（或等离子体）中的运动，将电子所携带的直流电能转换成微波能量的器件，这一性质决定了微波管在结构上必然应该具有产生电子注的机构——电子枪；电子注将直流能量转换成高频能量的机构——高频系统；收集电子注的机构——收集极以及输出高频能量的机构——输能装置。除此之外，对于放大管来说，还应该有输入微波信号的装置；在大部分微波管中，为了维持电子注的形状和正常运动，还需要一套聚焦系统。因此，一般情况下，微波管的主要组成部分应包括电子枪、高频系统、收集极、输能装置和聚焦系统，典型的结构示意图如下图1所示。

电子枪的作用是产生具有一定形状和电流大小的电子注，并将电子注加速到一定速度。电子枪一般由阴极、聚焦极、阳极和栅极组成。

1）阴极

阴极是发射电子的电极，阴极质量的好坏，比如发射电流密度、导流系数、发射均匀性等与微波管性能的好坏有很大的关系，而阴极的寿命更是直接决定着微波管的寿命。微波管使用

2）聚焦极

聚焦极也可以叫做成形极，它的作用是压缩电子注防止它扩散，所以一般都与阴极同电位。有时聚焦极也可以起到控制阴极电子发射的作用，在聚集极上加上相对阴极足够高的负电压，就可以使阴极截止，即在阳极正常加有高压的情况下，阴极没有电流发射；聚焦极电位回复到阴极同电位，阴极就恢复到正常工作状态。

3）阳极

在微波管中，阳极的作用是对电子注进行加速。由于在动态控制原理中，对电子注进行密度调制和加速电子注的功能已经分开，阳极不再承担直接控制电子流的大小随信号电压变化而变化的功能，即实现电子注密度调制的任务，而只起加速电子的作用。所以在微波管中，在固定的加速电压（阳极电压）下得到的工作电流也都是一个固定值。但是，阳极电压如果发生了改变，阴极发射电流的大小将随之改变，因此，调节阳极电压，可以起到改变微波管工作电流大小的作用。应该指出，阳极电压更大程度上是由电子注与高频场相互作用的要求所决定的，一般不能随意改变。

另外，在微波管中信号能量的输出功能也不再如普通电子管一样由阳极完成，而是由专门的能量输出机构来承担被放大或振荡产生的微波能量的输出任务。

工作在微波波段的真空电子器件。简称微波管。电磁波谱中的微波波段通常指频率在300兆赫到3000吉赫， 对应波长在1米～0.1毫米之间的电磁波。在第二次世界大战期间微波雷达出现后，微波管迅即得到大量应用。20世纪50年代以来，它的应用已迅速扩展到微波中继通信、卫星通信、电视广播、导航、能量传输、工业和民用加热、科学研究等方面。微波电子管主要包括3类原理上不同的器件，即静电控制微波电子管（如在静电控制电子管基础上发展出来的微波三极管与四极管）、普通微波管（如磁控管、速调管、行波管、正交场放大管）和新原理微波管（如回旋管）。由于受到电子惯性等限制，早期的静电控制电子管不能工作到米波波长。20世纪30～40年代出现利用电子速度-密度调制的渡越时间微波管（常称普通微波管），将工作波长推进到厘米波。由于普通微波管受到电子空间电荷拒斥力等限制，工作波长不能达到毫米波的短波端，所以60～70年代又出现回旋管等新原理微波管。此外，微波管还包括微波气体放电开关管。微波电子管已成为真空电子器件的一个重要组成部分。但进入60～70年代以来，由于同半导体微波器件的激烈竞争，在低频率、小功率方面 ，微波电子管的生产数量逐年下降 。在大功率、高频率和宽频带方面，微波电子管能力还优于半导体器件。

微波能通常由直流电或50Hz交流电通过一特殊的器件来获得。可以产生微波的器件有许多种，但主要分为两大类：半导体器件和电真空器件。电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电子管。在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管、多腔速调管、微波三、四极管、行波管等。在微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。例如：对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。

从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的如下重要特点：

穿透性

微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于微波能与介质发生一定的相互作用，以微波频率2450兆赫兹，使介质的分子每秒产生24亿五千万次的振动，介质的分子间互相产生摩擦，引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。

选择性加热

物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。

热惯性小

微波对介质材料是瞬时加热升温，升温速度快。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。

似光性

微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减小；使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。

由于微波波长与物体（实验室中无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与较长的波相似，即所谓的似长波性。例如微波波导类似于无线电中的接收器；喇叭天线和缝隙天线类似于无线电中的发射器；微波谐振腔类似于无线电共振腔。

非电离性

微波的量子能量还不够大，不足与改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键（部分物质除外：如微波可对废弃橡胶进行再生，就是通过微波改变废弃橡胶的分子键）。再有物理学之道，分子原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因而微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用这一特性，还可以制作许多微波器件。

信息性

由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外都是工作在微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。这在目标检测，遥感目标特征分析等应用中十分重要。