什么是速调管?

什么是速调管?

[拼音]：sutiaoguan

[外文]：klystron

靠周期性地调制电子注的速度来实现放大或振荡功能的微波电子管。在速调管中，输入腔隙缝的信号电场对电子进行速度调制，经过漂移后在电子注内形成密度调制；密度调制的电子注与输出腔隙缝的微波场进行能量变换，电子把动能交给微波场，完成放大或振荡的功能。

1937年，美国物理学家R.H.瓦里安和S.F.瓦里安制出双腔速调管振荡器。反射速调管则是1940年由苏联工程师 Н.Д.捷瓦科维、Е.Н.丹尼尔捷维、И.В.布斯库诺维和В.Ф.柯瓦连科分别研制成功的。

按照电子行进的轨迹，速调管分为直射速调管和反射速调管两类，通常将直射速调管简称为速调管。

直射速调管

直射速调管在结构上包括以下几部分：电子q、谐振腔、调揩系统、各腔之间的漂移管、能量耦合器、收集极和聚焦系统。具有两个谐振腔的速调管称为双腔速调管；具有两个以上谐振腔者称为多腔速调管。

双腔速调管（图1a）仅有两个谐振腔，即输入腔和输出腔。由电子q产生的电子注首先到达输入腔隙缝。输入的微波信号经能量耦合器送进输入腔，在谐振腔隙缝外形成微波信号电压。在这里，电子注受到微波场的速度调制，然后进入无场漂移管。在漂移过程中电子发生群聚，在电子注内形成密度调制。密度调制的电子注与输出腔隙缝的微波场进行能量交换，电子把能量交给微波场，完成放大或振荡的功能。微波功率经能量耦合器送至负载。

双腔速调管增益仅为10分贝左右。为了提高增益，可以在输入腔与输出腔之间设置一个或多个中间腔，构成级联放大器。这种速调管称为多腔速调管（图1b）。引入中间腔还可以提高效率；若使各腔频率略有差异，还可展宽频带。多腔速调管的特点是增益高、效率高、稳定性好、输出功率大，缺点是频带窄。多腔速调管的稳定增益可达80分贝，效率最高可达75％，脉冲功率可达60兆瓦，连续波功率可达1兆瓦。频带一般仅有1％～2％，个别大功率脉冲速调管可达10％～12％。

电子群聚

电子从阴极发射出现以后受到高电压的加速，到达输入腔隙疑时所有电子的速度是一致的。待放大的微波信号进入输入腔，在隙缝上建立起微波信号电压。隙缝上的电压随时间呈正弦变化。在不同时刻到达隙缝的电子，受到不同的瞬时电压的作用（图2）。

t=tC时，隙缝电压Us等于零，在这一时刻穿越隙缝的电子既未受到加速也未受于减速，仍以原来速度继续向前运动。

t=ta时，隙缝电压Us为负向最大值（电压方向以电子受到减速力时为负，受加速力时为正）。在这个时刻穿过隙缝的电子受到减速。穿过隙缝后，这些电子以低于原来的速度向前运动并逐渐落后。经过一定距离墹L，这些电子与较晚时刻(tC)穿过隙缝的电子聚集在一起。

t=tC时，隙缝电压Us为正向最大值。在这个时刻穿过隙缝的电子受到加速。穿过隙缝后，这些电子以高于原来的速度向前运动。经过一定距离墹L，这些电子追上在tC时刻从隙缝飞出的电子。

在ta～tC之间穿过隙缝的电子均被减速，在tC～tC之间穿过隙缝的电子均受到加速。这样，注中电子在输入腔隙缝受到速度调制，并在无场漂移空间飞行一定距离墹L之后，快速电子追上慢速电子，在墹L处形成电子群。这就是电子群聚现象。于是，在第二腔处，电子的密度随时间呈周期性变化，即形成密度调制（图2）。这就使电子注电流中包含了一定的交流分量。电子群穿过输出腔隙缝时正值微波减速场。电子受到减速就会把动能交给输出腔的微波场，完成对输入信号的放大。

电子q

速调管常用的电子q有阴控q、阳控q、栅控q、无截获栅控电子q和磁控注入式空心注电子q（见行波管、强流电子光学）。

谐振腔

常用的谐振腔有两种：双重入式圆柱形谐振腔和双重入式角柱形谐振腔（图3）。圆柱腔用于固定频率或调谐范围小的速调管，利用电容片调谐。谐振腔可以装在管外(外腔式速调管)或管内（内腔式速调管）。工作波长较长和频带较宽的速调管可做成外腔式。

输入腔或输出腔通过能量耦合器与管外微波系统相接。简单输出腔的频带很窄，为展宽输出电路的频带可采用滤波器型输出电路和分布互作用电路（分布互作用速调管）或慢波电路输出段（行波速调管）。

聚焦系统

速调管常用聚焦方法有均匀永磁聚焦、周期永磁聚焦、均匀电磁聚焦和静电聚焦。

收集极

电子打在收集极上时，剩余动能转化为热能。为导走热量，大、中功率速调管收集极需要采用液冷、风冷或蒸发冷却。

直射速调管的应用

连续波放大速调管应用于对流层散射通信、微波接力通信、卫星通信地面站、电视发射机、机载与地面雷达、微波工业加热及将能量变成微波形式进行传输。现代连续波放大速调管工作频率分布在220兆赫至36吉赫范围内，输出功率从几百瓦至1兆瓦。

脉冲放大速调管应用于雷达、带电粒子加速。现代脉冲放大速调管工作频率分布在 220兆赫至18吉赫范围内，脉冲功率从1千瓦至60兆瓦。

在直射速调管中，将一部分输出功率反馈至输入腔可构成振荡器，用于参量放大器、导航台等。双腔速调管可用于倍频。

反射速调管

用来产生微波振荡的单腔速调管。它的特点是结构简单，工作可靠，体积小，重量轻，电压低，可机械调谐和电子调谐，参数随环境温度变化小，抗辐射能力强。反射速调管输出功率为10毫瓦至2.5瓦，工作频率在800兆赫至220吉赫之间，机械调谐范围为1％～15％(毫米波管达40％)，电子调谐范围为0.1％～1.0％。效率为20％～30％。反射速调管在结构上包括阴极、谐振腔、反射极和能量耦合器等部分(图4)。

电子从阴极发射出来，受到加速后穿过谐振腔隙缝。在隙缝外受到微波电场的速度调制，然后进入谐振腔与反射极之间的减速场（反射极电位负于阴极）。在减速场作用下，所有电子都将被反射回来。受到速度调制的电子注，在减速场内返转运动过程中形成密度调制。当电子注再次穿过隙缝时，群聚的电子把能量交给腔体微波场以维持振荡。振荡功率经能量耦合器送至负载。电子被腔壁或其他金属零件收集。

反射速调管广泛用于小功率信号源、振荡器和各种微波设备，但因半导体器件的竞争，产量有降低的趋势。尽管如此，在80年代初它仍是微波电子管中生产数量最大的一种管型。