什么是微波振荡源?

[拼音]：weibo zhendangyuan

[外文]：microwave oscillator

产生微波频率的正弦信号的装置，是微波设备和系统中不可缺少的组成部分。根据所用的产生振荡的器件类型，微波振荡源可分为微波管振荡源和微波固态振荡源两大类。前者由微波真空管(见微波电子管)组成，后者由微波半导体二极管（见微波二极管）和微波晶体管组成。

1921年发明的单腔磁控管，构成了最早的微波管振荡源。在第二次世界大战前后雷达技术迅速发展的同时，相继出现了速调管、行波管、返波管等新的管种，并逐渐应用于其他方面。70年代中期又出现了回旋管。迄至50年代末期，微波管振荡源是产生微波正弦信号的唯一手段，它们具有输出功率大、振荡频率高、频谱纯、耐高低温和抗核辐射能力强等优点，但结构复杂、体积大、工作电压高(最高达数十万伏)，应用受到限制。50年代中期，参量放大器问世，迫切需要小型化的固态泵源。在半导体技术发展的基础上，1957年发明了隧道二极管，此后陆续出现了电子转移器件、雪崩渡越时间二极管等(见雪崩二极管)，并由它们构成了微波振荡源。与此同时，原用于低频的晶体管在结构、材料和工艺方面经过不断的改进，也能用来产生微波振荡。微波固态振荡源体积小、重量轻、结构简单、寿命长，工作电压仅为几伏至几十伏，而且便于集成化，但输出功率小（单管输出功率从毫瓦级到几十瓦），已经达到的最高振荡频率低于微波管振荡源的频率。

微波管是以电子流为媒介，通过速度调制、密度调制和能量交换三个过程将直流能量转换为微波能量的装置。主要包括速调管、返波管（见行波管）、磁控管和回旋管，各以不同的方式来实现上述三个过程。

速调管振荡器主要包括反射速调管振荡器、双腔速调管振荡器、漂移速调管振荡器和分布作用速调管振荡器。反射速调管振荡器效率低、输出功率小，在很多场合已被固态振荡源所替代。

返波管振荡频率最高可达1000吉赫左右，电压调谐范围可达几个倍频程，但效率低、输出功率小，适合作小功率扫频振荡源。磁控管效率可达80％以上，脉冲输出功率达兆瓦级，连续波输出功率达千瓦级，它常用于大功率脉冲发射机或微波能加热应用的连续波振荡源。

当频率很高时，返波管和磁控管中微波结构的尺寸必须相应地减小，使制造工艺和功耗散热等发生困难，严重地限制了很高频率下的输出功率。

回旋管采用特殊的电子q发射螺旋形电子流，并在光滑的波导管中和快波的横向高频场相互作用，形成速度（能量）调制，又由于相对论效应而转化为质量和回旋频率的调制，从而使电子流产生角向群聚式的密度调制。在一定条件下，可使群聚电子流的能量交给高频场使之放大或产生振荡。回旋管常采用高次模振荡的腔体，不存在尺寸缩小所引起的困难，因此，可以在毫米波以至亚毫米波波段产生几十到几百千瓦的功率，具有广阔的应用前景。

用于产生微波振荡的半导体二极管主要有隧道二极管、电子转移器件和雪崩渡越时间二极管。它们均属负阻二极管，加直流偏置并以适当方式和传输线谐振回路连接，可将直流能量转化为高频能量。在负阻所提供的高频能量足以补偿回路中正电阻所消耗能量的条件下，就能产生振荡。最早出现的隧道二极管振荡器由于输出功率小、可靠性差，在其他固态振荡源出现以后已很少应用。

电子转移器件振荡器又称为体效应振荡器或耿氏振荡器。这种振荡器的最高频率约为 100吉赫（非谐波输出情况），单管输出功率为毫瓦级，调频调幅噪声与反射速调管振荡器相近，适用于低噪声混频器的本振源或参量放大器的泵源。雪崩渡越时间二极管可以构成两种模式的振荡器，即碰撞雪崩渡越时间模式(简称IMPATT模式)和俘获等离子体雪崩触发渡越模式(简称 TRAPATT模式)，前者已得到广泛应用。它的最高振荡频率可达300吉赫，输出功率大于电子转移器件振荡器，但因存在雪崩过程而调频调幅噪声大于其他固态振荡源。

微波双极晶体管和微波场效应晶体管附加反馈电路后可构成晶体管振荡器。双极晶体管的振荡频率在10吉赫以下，应用受到限制。场效应晶体管的振荡频率可达毫米波波段，输出功率远大于其他固态振荡源，而且适合于微波单片集成，有良好的应用前景。

各种微波固态振荡源都可以和变容二极管或钇铁石榴石(YIG)单晶组成电调谐振荡器。其中YIG调谐振荡器的调谐范围可达几个倍频程。