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1、第 4 章 正交场微波管,制 作：居 腾 讲 课：李晓帆 答 疑：李 松 2011.10.05,本章目录 4.1 引言 4.1.1 显著特点 4.1.2 发展简史 4.1.3 分类与应用 4.1.4 在不断创新中发展 4.2 磁控管 4.2.1 结构 4.2.2 工作原理 4.2.3 主要特性 4.2.4 工作特点 4.2.5 同轴磁控管 4.2.6 信标磁控管,4.2.7 捷变频磁控管 4.2.8 毫米波磁控管 4.2.9 电压调谐磁控管 4.2.10 连续波磁控管 4.2.11 锁频、锁相技术 4.3 放大管,4.1 引言 4.1.1 显著特点 前面提到的速调管、行波管是一类线性注微波管(
2、或称“O”型器件)，其外形通常设计成直线形，所加磁场方向与电子运动方向是平行的，电子流将其动能转换成高频能量。本章介绍正交场微波管(或称“M”型器件)，其外形通常设计成圆形，所加直流电、磁场方向与电子流运动方向是相互,垂直的，电子流将位能转换成高频能量。典型情况下位能约为用于与波同步的动能的10倍，因此这类微波管的效率很高，最高可达80以上。这类微波管有磁控管和正交场放大管等，是雷达发射机、电子对抗技术、线性加速器、微波加热等领域的主要微波功率源。,4.1.2 发展简史 20世纪20年代初，贺尔首先发明了磁控管。40年代初研制成功有实用价值的多腔磁控管，如图4.1所示。,第二次世界大战期间，由
3、于雷达技术的需要，各国均集中了大量人力、物力从事磁控管的研究与生产，使磁控管技术得到了飞速的发展，相继研制成功各类脉冲磁控管。50年代，在磁控管上增加一个输出端，发展出新的种类正交场放大管，如图4.2所示。60年代后磁控管又发展出同轴磁控管、捷变磁控管等扩展品种。,4.1.3 分类与应用 正交场微波管可以分为振荡管和放大管脚人类，振荡管中主要有磁控管和“M“型返波管；放大管中主要行分布发射正交场放大管和注入式正交场放大管，其分类见表4.1所列。,正交场放大管具有相位稳定度高、宽频带、高效率、放大均匀等特点，同时其结构紧凑、体积小、重量轻、工作电压低、附加电源简单、费用低廉，这些良好的特性正吸引
4、着雷达和其他系统的设计师。表4.2列出了在相同功率下正交场放大管与行波管(或速调管)主要性能的比较。,近10余年来，多注速调管得到了实际应用。多注技术大大降低了速调管的工作电压，使其工作电压和正交场放大管皋本相同。但多注速调管的结构复杂，制造成本更高，正交场放大管相比多注速调管仍具有综合性价比的优势。,可以这样说，直到目前为止，还未能找到存综合性能及成本、可靠性等方面能与之匹敌的微波固态器件。尽管它在增益、信噪比等方面还未能赶上线性注微波管，但在效率、工作电压以及每单位体积或重量所产生的微波功率方面，却是线性注管所不及的。带宽方面，正交场放大管不如行波管，但优于速调管。因此，至今正交场微波管仍
5、然是雷达发射机、电子对抗技术、微波加热应用等领域中的主要微波功率源。,如今正交场微波管已被广泛应用到军事和民用各个领域，其中的特种脉冲磁控管和毫米波同轴磁控管，主要用于雷达、导航、制导和电子对抗技术等领域；普通磁控管主要用于工业加热、医疗、食品工业、家用微波炉等领域。而正交场放大管则用于全相参雷达放大链作为末级功率放大管，主要应用领域在地面、舰载、机载等场合的高性能雷达系统，如监视和警戒雷达、防空雷达、舰载雷达、地空导弹系统相控阵雷达等。,美国海军舰载“宙斯盾“综合防空指捧系统中的ANSPY1四面体多功能相控阵雷达就是应用前向波放大管的最典型的雷达系统。雷达的每个天线阵面使用8只前向波放大管合
6、成功率输出，这8只放大管又由1只前向波放大管推动，雷达合计使用36只相同的前向波放大管同时工作。前向波放大管使得雷达获得了强大的功率能力，ANSPY1雷达至今仍是美国最先进的、功能最强大的舰载相控阵雷达。,4.1.4 在不断创新中发展 正交场微波管的研制工作已经经历半个多世纪。50多年来，这类器件在不断创新中显示出强大的生命力。创新包括两个方面：一是找到新的应用领域，如把正交场微波管作为微波源，广泛用于食品工业、木材烘干、橡胶硫化、石油脱脂和微波热疗等方面。由于开拓了新的应用领域，正交场微波管的总销售量还在逐年递增。,二是不断有新的技术突破，如为了克服正交场放大管增益低的缺点，研制成功阴极激励
7、放大管，它是将高频激励功率从阴极输入(阴极也做成慢波线)，以便在阴极表面建立起高频场，较少的输入功率就可以使阴极启动，从而可大大提高管子增益。,雷声公司在1975年研制成功第一支阴极激励的泊管，达到的主要技术参数为：S波段，输出脉冲功率为1MW，增益大于30dB，工作带宽为 8，效率为78。1987年又研制了阴极激励前向波放大管，其主要技术参数为：S波段，输出脉冲功率为1Mw，增益大于30dR，工作带宽为 12，效率为80。阴极激励技术还可以进一步提高信噪比，如将高频激励信号同时送人阴极和阳极慢波线，其信噪比可达70dB/MHz。为了减小同轴磁控管的脉冲前沿抖动，开展了模式抑制技术，包括各种吸
8、收负载性能的研究；为了提高频率稳定度、降低频温系数，研究采用介质外腔；,在同轴磁控管上加装伺服电机和频率读出电路，可大大简化雷达接收装置，使应用这类器件的雷达具有强的抗干扰能力；为了进一步提高同轴磁控管的频率稳定度和频谱纯度，使之适用于全相参雷达体制，研究同轴磁控管预触发注入锁频技术，即将一个频率纯度和稳定度很高的小功率微波信号注人到磁控管中，当满足一定条件时，磁控管振荡频率将具有与注人信号同样高的频率稳定度和频谱纯度。由于预触发信号的作用，管内的各种频率模式和相位噪声均得到了抑制，高频包络的前沿抖动减小，减少了起振模式的竞争，改善了起振特性。,正交场放大管也是一种很有发展前景的大功率毫米波器
9、件，8 mm前向波放大管已达到如下参数：在1500MHz的工作频带内，输出脉冲功率为50kw，平均功率为200w，增益为18dB。该管慢波线用不等长度谐振裂缝慢波结构，具有较高的机械强度和良好的散热能力，易于加工。管子工作于TE01模，整管设计成反同轴结构(即阴极在外，围绕着阳极慢波电路，因此大大增加了阴极发射面积，有效降低了阴极发射电流密度，延长了工作寿命)。,下面介绍磁控管和正交场放大管的基本结构、工作原理和特性等方面的一些基本知识。,4.2 磁控管 4.2.1 结 构 磁控管的基本结构包括：阳极谐振系统、阴极、能量输出装置、频率输出装置、频率调谐机构和磁路系统。 阳极谐振系统是由许多单个
10、谐振腔组成的首尾相连的谐振腔链；阴极是发射电子的电极，通常做成圆筒形并与阳极谐振系统同轴放置；能量输出装置的作用是把存储在谐振腔内的高频能量耦合传输到外负载；频率调谐机构是用于改变磁控管频率的装置；磁路系统是用以保证提供磁控管合适磁场强度的系统。,磁控管的结构 如图4.3所示,1)阳极谐振系统 阳极谐振系统决定磁控管的振荡频率和频率稳定度，它储存着由电子与高频场相互作用所产生的高频能量，并通过能量输出器把大部分高频能量馈送给负载。其结构有很多类型，最常见的几种磁控管阳极块结构如图4.4所示。其中(a)、(b)、(c)、(d)是同腔系统，即每一个小谐振腔的截面形状和尺寸都是相同的；(e)、(f)
11、、(g)、(h)是异腔系统，即具有大、小两组谐振腔。,2)阴极 阴极是磁控管的重要组成部分，它是电子流的发射体，被称为磁控管的心脏。阴极质量的好坏不仅影响磁控管的寿命，而且还影响输出功率和工作稳定性。阴极表面二次电子发射系数不均匀或者过小，就会引起管子工作不稳定、打火和跳模。因此要求阴极表面光滑，二次电子发射系数均匀且足够大。在磁控管中，由于电子回轰阴极，使阴极温度升高，同时阴极不断受到高能电子和离子的轰击，所以还要求阴极能耐电子和离子轰击，导电、导热性能要好。,阴极种类繁多，在磁控管中常用的有普通氧化物阴教、改进型氧化物阴极(如镍海绵氧化物阴极、CPC阴极等)、钡钨阴极(如铝酸盐钡钨阴极、钨
12、酸盐钡钨阴极和钪酸盐阴极等)。在大功率脉冲磁控管中可采用氧化钍金属陶瓷阴极、氧化钇金属陶瓷阴极镧钨或镧钼阴极等。在大功率连续波磁控管中，一般都采用纯钨阴极。,3)能量输出器 能量输出器是将磁控管产生的微波功率由谐振腔耦合传输到外负载去的装置，它一般由阻抗变换器和输出窗两部分组成。其结构如图4.5所示。常用的能量输出器有同轴型、同轴波导型、波导型三种。,4)调谐机构 用于改变磁控管振荡频率的一整套装置称为调谐机构。磁控管的振荡频率取决于谐振腔的等效电容、电感。采用机械运动的方法或电的方法去改变谐振腔的等效电容、电感，都可以改变磁控管的振荡频率，其中前者称为机械调谐；后者称为电调谐。机械调谐(如叶
13、片调谐、液压调谐、旋转调谐、音圈调谐、压电抖动调谐等)的调谐频带可达10带宽；但调谐速率慢、寿命和可靠性较差。电调谐(如PIN二极管调谐、倍增放电调谐、铁氧体调谐等)由于避免了移动元件在真空中的运动，调谐速率比机械调谐快，可以实现脉间或脉内变频(郎一个脉冲持续时间内的频率变化)有较高的可靠性；但调谐频带窄，通常只有 12带宽。,5)磁路系统 磁路系统包括磁钢和导磁回路，它提供磁控管相互作用空间(由阴极与阳极谐振腔组成的空间)所需的磁场。磁钢可分为永久磁铁和电磁铁两种形式。永久磁铁在使用时不消耗功率，具有矫顽力高和磁能积大的特点，所建立的磁场有较高的可靠性和稳定性，磁控管大多采用永久磁铁。电磁铁
14、的体积和质量较大，还需要直流励磁电源等附加装置，但它具有磁场强度调整方便的优点，通常用于磁控管热测和实验室中。 现在使用最多的永久磁铁的磁性材料，是钐钴类和铝镍钻系。,4.2.2 工作原理 从电视原理上来说，磁控管是一种特殊的二极管，在阳极和阴极之间加有电场和磁场，电场的方向是径向的，磁场方向与电场方向相互垂直。电子由阴极发射出来，进入由阳极和阴极组成的空间(称为相互作用空间)，受到正交的电、磁场作用，作旋转运动，回旋运动的电子流又激发谐振腔链谐振，产生高频交变电磁场，其分布如图4.6所示。,高频场进一步与电子相互作用，使电子流“群聚”成电子轮辐，如图4.7所示。,当电子轮辐处于高频减速场相位
15、时，电子流就会将外加电源处获得的能量转换为微波能量，最后打到阳极上，形成阳极电流。 至于在高频场作用下，电子如何“群聚”，怎样保持电子轮辐处于高频减速场相位并与场同步运动，这些与工作原理有关的重要概念将在下面进行介绍。,1)电子自动相位聚焦和电子自动挑选 高频波在互作用空间建立起高频场，在某个瞬间看到一个高频周期的图像如图4.8所示。图上标出了4类代表性电子。,图4.8下半部分图中画出4类电子初始位置的直流电场和高频电场的矢量和。作用在第一类和第3类电子上的高频场只有径向分量 ，合成电场 的大小变了，但方向不变。因为电子的平均速度是 ，第1类电子的 变小了，相对 速度减慢。第3类电子E变大了，
16、相对 速度加快。都向第4类电子靠拢。,同理，可以判断从第3类到第4类到第1类这12周期中的所有电子都向第4类电子汇聚，汇聚在相位对能造交换最有利的地方，第4类电子为聚焦中心，第2类电子为散焦中心，这就是所谓的电子自动相位聚焦。,作用在第2类和第4类电子上的高频场只有切向(角向)分量巨，合成电场E的方向改变。因为电子运动方向取决于EB的方向由EB得知第2类电子走向阴极，第4类电子走向阳极。同理，可以判断从第1类到第2类到第3类这12周期中的所有电子都走向阴极，从第3类到第4类到第1类这12周期中的电子都走向阳极。这就是所谓的电子自动挑选。,2)形成电子轮辐 电子流一旦建立，处于有利相位(对能量交换而言)的电子在环绕阴极运动过程中逐渐移向阳极，由于相位聚焦作用而群聚，在互作用空间中形成所谓的电子轮辐。轮幅的边缘和高频电场的等位线吻合。 电子轮辐以极高的速度旋转着，平均旋转速度也是 ，等于高频波的相速度 ，即 ( 为高频波角频率，为相位常数)，这就是所谓的电子与波同步。
