什么是微波电子管?

什么是微波电子管?

[拼音]：weibo dianziguan

[外文]：microwave tube

工作于微波波段的真空电子器件，常简称微波管。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。

微波电子管是随着微波波段的开发利用而发展起来的，在第二次世界大战期间微波雷达出现后迅即得到大量应用。50年代以来，微波波段在民用领域的应用发展迅速。它的应用领域已扩展到微波中继通信、卫星通信、地面电视广播、卫星电视广播、导航、能量传输、工业和民用加热、科学研究等方面。微波电子管已成为真空电子器件的一个重要组成部分。

微波电子管主要包括三类原理上不同的器件，即:静电控制微波电子管（微波三极管与四极管）、普通微波管和新原理器件。微波三极管、四极管是在静电控制电子管基础上发展起来的工作于微波波段的三、四极管。属于普通微波管的有磁控管、正交场放大管及其他正交场器件;直射速调管、反射速调管;行波管、返波管。新原理器件包括回旋管、自由电子激光器等。此外，微波管还包括微波气体放电开关管。

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。30～40年代出现利用电子速度－密度调制的渡越时间微波管，将工作波长推进到厘米波。这类器件业已成熟并得到普遍应用，常称为普通微波管。在向更短波长发展时，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。60～70年代又出现回旋管等新原理微波管，它正处在深入研究阶段。

电子惯性限制与电子渡越时间效应

电子是负电荷的基本单元，其电荷量是1.602×10


库仑。在所有稳定的基本粒子中电子的质量最小，静止质量仅为9.1066×10


千克。尽管电子的质量极小，但它仍然有一定的质量，因而是有惯性的。在电场作用下，电子受到加速，能达达到一定的速度。例如，电子受到 100伏电压的加速，速度达到 5930公里／秒（约为光速的2％）；电子受到10千伏电压的加速，速度达到58500公里／秒（约为光速的20％）。

电子在一定的电压作用下从电子管的一个电极运动到另一个电极，总是需要一定的时间，称为电子在这两个电极间的渡越时间。例如，在相距2毫米的平板电极间加上100伏的电压，电子以零初速飞离阴极，到达阳极所需要的渡越时间大约等于十亿分之一秒（10-9秒）。

对于长波、中波、短波无线电波，信号周期较大，电子渡越时间比信号周期小得多，电子在飞越电极间的空间时，信号相位变化极小。因此，可以认为电子是无惯性地越过了电极之间的空间。例如，频率为1兆赫时，周期为一百万分之一秒，电子渡越时间比信号周期小得多。

进入微波波段以后，信号周期已变成可以同渡越时间相比拟，甚至更小。例如，当频率为300兆赫时，信号周期为3.3×10-9秒；在1000兆赫下，信号周期为10-9秒。在这种情况下，静电控制电子管已不再是一个无惯性的器件，电子渡越时间效应导致阴极负荷加重、栅极电子负载加大、效率下降。

普通静电控制电子管之所以不能工作于微波波段，还遇到电路方面的限制。静电控制电子管各电极之间存在极间电容，电极引线具有电感。由极间电容造成的容抗和引线电感造成的感抗，与频率有直接关系。在较低工作频率下，容抗和感抗的值都很小，对电路的影响不大。而在微波频率下，这种容抗和感抗在谐振电路总电容和总电感中便占据很大比例，限制工作频率的提高。此外，在微波频率下，普通静电控制管的开敞式电极向外辐射电磁能量，构成损耗；玻璃管壳的介质损耗也比较大。

渡越时间的减小与利用

为了使普通静电控制电子管能够工作于微波波段，必须设法减小电子渡越时间。一个方法是减小静电控制电子管的极间距离并采用平板形结构。现代微波管极间距离最小可达0.025毫米，制造时各个电极要严格平行。另一方法是在电极之间加比较高的电压，但这受到介质绝缘强度的限制。为了克服极间电容、引线电感、辐射损耗、介质损耗等电路方面的限制，可以改变电极结构，使静电控制电子管电极成为谐振电路的一部分。采用封闭式谐振电路（同轴腔或波导腔）和损耗较小的陶瓷介质等，遂逐渐形成微波三极管和微波四极管这一类微波管。

尽管采取了上述各种措施，当微波三极管、四极管在更高频率下工作时，仍然遇到由于电子渡越时间效应而引起的严重问题，诸如阴极发射电流密度不足、栅极电子负载增加以及效率降低等。

为了进一步提高真空电子器件的工作频率，人们转而设法利用电子渡越时间效应。自30年代开始，研制了多种实用的微波管。它们利用电子在相当长的渡越时间内形成的密度调制，产生或放大微波信号。在这些微波管里，电子渡越时间不再是一种限制因素，而成为一种可被有效利用的物理现象。属于这一类的微波管主要有：磁控管、正交场放大管及其他正交场器件；直射速调管、反射速调管；行波管、 O型返波管等。从克服电子渡越时间效应发展到利用渡越时间效应以形成电子注密度调制，这是微波电子管原理上的一次突破。

直射速调管、反射速调管、行波管、返波管都是通过电子动能实现同微波场的能量交换，完成振荡、放大、变频等任务。在这些器件中，电子运动方向与直流磁场平行，通常称为O型器件。O型放大器件的共同特点是增益高、噪声低。直射放大速调管采用谐振型互作用电路（谐振腔），因而频带较窄，但可达到较高效率。行波管采用传输型互作用电路（慢波电路），因而频带较宽，但通常效率稍低（见速调管）。

磁控管、正交场放大管等通过电子位能实现同微波场的能量交换，完成振荡和放大的功能。在这些器件中，电子运动方向、直流电场与直流磁场三者相垂直，通常称为M型器件，即正交场器件。M型器件的共同特点是效率高电压低、体积小、重量轻。磁控管采用谐振型互作用电路（多谐振腔结构），因而频带窄。正交场放大管采用传输型互作用电路(慢波电路)，因而频带较宽。同O型放大器件相比，正交场放大管增益较低。

电子电荷拒斥力的限制

在O型和M型器件中，电子在较长渡越时间内群聚成非常紧密的电子群，依靠这些电子群与微波拒斥场发生能量交换。当进入短毫米波时，这一原理便受到严重限制。

为了使电子同微波场有效地换能，不论是O型器件还是M型器件，电子注都应在微波拒斥场区域聚焦成紧密的电子群。拒斥场对电子群的作用，使电子的动能减小（O型器件）或位能降低（ M型器件）。电子群把动能或位能交给微波场，从而实现对微波场的放大。因此，在依据密度调制原理工作的微波管中，电子群的尺寸必须远小于相波长。这样，电子与微波场才能产生有效的相互作用。

在毫米波的短波一端或亚毫米波，要实现上述要求极为困难。这时工作波长仅为毫米、亚毫米量级，慢波电路中微波场的慢波波长更短（取决于微波管工作电压，慢波波长通常为工作波长的百分之几到十分之几），即以1毫米工作波长的大功率器件计算，慢波波长只有零点几毫米。要使大量电子聚集在比亚毫米短得多的区域内，由于存在电子空间电荷斥力而极为困难。这个问题在电流较大、空间电荷密度较高的大功率器件中更为严重。然而，如果电子群与波长相比过于分散，将造成效率下降和功率降低。

此外，在毫米波、亚毫米波段，O型及M型微波管的电路（谐振腔、慢波电路）尺寸已相当小，这给工艺制造、阴极、聚焦、散热等都提出了苛刻要求。因此，这些微波管（特别是大功率管）的工作波长很难进入毫米波短波端和亚毫米波。

现代O型和M型微波管所能达到的最短波长是：耦合腔行波管可达3.16毫米（峰值功率1千瓦，平均功率250瓦）；磁控管可达 2.14毫米（峰值功率1千瓦）；分布作用振荡管可达 1.3毫米（峰值功率70瓦）。虽然反射速调管和返波管已进入亚毫米波，但输出功率仅为毫瓦级。

60～70年代以来出现了一些新原理的毫米波、亚毫米波真空电子器件，如回旋管等。新原理的目标是突破普通微波管所遇到的各种限制，提供可在毫米波、亚毫米波波段工作的大功率器件（见毫米波与亚毫米波真空电子器件）。

与半导体器件的关系

低频率、小功率微波电子管遇到半导体器件的激烈竞争，60～70年代以来生产数量逐年下降。但在功率能力上，微波电子管优于半导体器件几千倍以至上百万倍。大功率、高频率以及宽频带微波电子管，将继续得到广泛应用和发展。