微波電子管

微波電子管工作於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，對應波長在1米～0.1毫米之間的電磁波。微波電子管是隨着微波波段的開發利用而發展起來的，在第二次世界大戰期間微波雷達出現後迅即得到大量應用。50年代以來，微波波段在民用領域的應用發展迅速。它的應用領域已擴展到微波中繼通信、衞星通信、地面電視廣播、衞星電視廣播、導航、能量傳輸、工業和民用加熱、科學研究等方面。微波電子管已成為真空電子器件的一個重要組成部分 ^[1]  。

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上發展起來的工作於微波波段的三、四極管。屬於普通微波管的有磁控管、正交場放大管及其他正交場器件;直射速調管、反射速調管;行波管、返波管。新原理器件包括迴旋管、自由電子激光器等。此外，微波管還包括微波氣體放電開關管。

由於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。30～40年代出現利用電子速度－密度調製的渡越時間微波管，將工作波長推進到釐米波。這類器件業已成熟並得到普遍應用，常稱為普通微波管。在向更短波長髮展時，普通微波管受到電子空間電荷拒斥力等限制，工作波長不能達到毫米波的短波端。60～70年代又出現迴旋管等新原理微波管，它正處在深入研究階段 ^[2]  。

1、電子慣性限制與電子渡越時間效應

電子是負電荷的基本單元，其電荷量是1.602×1庫侖。在所有穩定的基本粒子中電子的質量最小，靜止質量僅為9.10956×10^-31kg ^[4]  。儘管電子的質量極小，但它仍然有一定的質量，因而是有慣性的。在電場作用下,電子受到加速,能達達到一定的速度。例如，電子受到 100伏電壓的加速，速度達到 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,到達陽極所需要的渡越時間大約等於十億分之一秒（10-9秒）。

對於長波、中波、短波無線電波,信號週期較大,電子渡越時間比信號週期小得多，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,週期為一百萬分之一秒，電子渡越時間比信號週期小得多。 　進入微波波段以後，信號週期已變成可以同渡越時間相比擬，甚至更小。例如，當頻率為300兆赫時,信號週期為3.3×10-9秒；在1000兆赫下，信號週期為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，電子渡越時間效應導致陰極負荷加重、柵極電子負載加大、效率下降。 　普通靜電控制電子管之所以不能工作於微波波段，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，與頻率有直接關係。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佔據很大比例，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，構成損耗；玻璃管殼的介質損耗也比較大。

2、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於微波波段,必須設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並採用平板形結構。現代微波管極間距離最小可達0.025毫米,製造時各個電極要嚴格平行。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、介質損耗等電路方面的限制，可以改變電極結構，使靜電控制電子管電極成為諧振電路的一部分。採用封閉式諧振電路（同軸腔或波導腔）和損耗較小的陶瓷介質等，遂逐漸形成微波三極管和微波四極管這一類微波管。

儘管採取了上述各種措施，當微波三極管、四極管在更高頻率下工作時，仍然遇到由於電子渡越時間效應而引起的嚴重問題，諸如陰極發射電流密度不足、柵極電子負載增加以及效率降低等。

為了進一步提高真空電子器件的工作頻率，人們轉而設法利用電子渡越時間效應。自30年代開始，研製了多種實用的微波管。它們利用電子在相當長的渡越時間內形成的密度調製，產生或放大微波信號。在這些微波管裏，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象。屬於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；直射速調管、反射速調管；行波管、 O型返波管等。從克服電子渡越時間效應發展到利用渡越時間效應以形成電子注密度調製，這是微波電子管原理上的一次突破。

3、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羣聚成非常緊密的電子羣，依靠這些電子羣與微波拒斥場發生能量交換。當進入短毫米波時，這一原理便受到嚴重限制。

為了使電子同微波場有效地換能，不論是O型器件還是M型器件,電子注都應在微波拒斥場區域聚焦成緊密的電子羣。拒斥場對電子羣的作用，使電子的動能減小（O型器件）或位能降低（ M型器件）。電子羣把動能或位能交給微波場，從而實現對微波場的放大。因此，在依據密度調製原理工作的微波管中，電子羣的尺寸必須遠小於相波長。這樣，電子與微波場才能產生有效的相互作用。

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（取決於微波管工作電壓，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域內，由於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重。然而，如果電子羣與波長相比過於分散，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）尺寸已相當小，這給工藝製造、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）的工作波長很難進入毫米波短波端和亞毫米波。

現代O型和M型微波管所能達到的最短波長是：耦合腔行波管可達3.16毫米（峯值功率1千瓦，平均功率250瓦）；磁控管可達 2.14毫米（峯值功率1千瓦）；分佈作用振盪管可達 1.3毫米（峯值功率70瓦）。雖然反射速調管和返波管已進入亞毫米波，但輸出功率僅為毫瓦級。

60～70年代以來出現了一些新原理的毫米波、亞毫米波真空電子器件，如迴旋管等。新原理的目標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 ^[3]  。

直射速調管、反射速調管、行波管、返波管都是通過電子動能實現同微波場的能量交換，完成振盪、放大、變頻等任務。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。直射放大速調管採用諧振型互作用電路（諧振腔），因而頻帶較窄，但可達到較高效率。行波管採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（見速調管）。

磁控管、正交場放大管等通過電子位能實現同微波場的能量交換，完成振盪和放大的功能。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。磁控管採用諧振型互作用電路（多諧振腔結構），因而頻帶窄。正交場放大管採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。

低頻率、小功率微波電子管遇到半導體器件的激烈競爭，60～70年代以來生產數量逐年下降。但在功率能力上，微波電子管優於半導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，將繼續得到廣泛應用和發展。

由於電子管體積大、功耗大、發熱厲害、電源利用效率低、結構脆弱而且需要高壓電源的缺點，它的絕大部分用途已經基本被固體器件晶體管所取代。但是電子管負載能力強，線性性能優於晶體管，在高頻大功率領域的工作特性要比晶體管更好，所以仍然在一些地方繼續發揮着不可替代的作用 ^[1]  。