磁控管

早期的磁控管（負阻磁控管和迴旋磁控管）由於效率極低，沒有實用意義。1935年A.L.Samuel最早研製出多腔磁控管的模型。同年法國CamilleGutton用磁控管產生16厘米波長，11月29日德國人H.E.Hollmann註冊了一項更為出色的多腔磁控管專利。而蘇聯卻聲稱第一隻多腔磁控管是蘇聯工程師Н.Ф.阿列克謝也夫和Д.Е.馬遼邏夫於1936～1937年間製成的。1939年，英國物理學家H.A.H.布特和J.T.蘭道爾製成了完全實用化的多腔磁控管。在第二次世界大戰中，多腔磁控管廣泛用于軍用雷達發射機，發揮了很大的作用。到1945年，其工作頻率已達30吉赫。一般所稱的磁控管，即指多腔磁控管。

磁控管的特點是功率大、效率高、工作電壓低、尺寸小、重量輕、成本低。磁控管主要由陰極、陽極、能量耦合裝置、磁路和調諧裝置等五個部件構成（圖1）。固定頻率的磁控管中不設調諧裝置。

磁控管通常工作在π模，相鄰兩個諧振腔腔口處微波電場相位正好相差180°，即微波電場方向正好相反(圖2)。雖然這種微波場為駐波場，但在π模的情況下，相當於兩個相同的微波場在圓周上沿相反的方向運動，兩個場的相速值相等。從陰極發射出的電子在正交電磁場作用下作輪擺線運動。調節直流電壓和恆定磁場，使電子在圓周方向的平均漂移速度v=E/B正好等於在其方向上運動的一個微波場的相速v（式中E是直流電壓在互作用空間產生的直流電場平均值,B為軸向恆定磁感應強度），電子就可以與微波場作同步運動。在同步運動過程中，處在微波減速場中的那部分電子將自己的直流位能逐漸交給微波場，並向陽極靠攏，最後為陽極所收集。這部分電子向微波場轉移能量，有利於在磁控管中建立穩定的微波振蕩，故稱為有利電子。處在微波加速場的那部分電子從微波場獲得能量並向陰極運動，最後打在陰極上。這部分電子稱為不利電子。不利電子在回轟陰極時打出大量的次級電子，使互作用空間電子的數量因之增加。最大減速場區是電子的群聚中心。在它兩旁的電子都受到向這個群聚中心靠攏的力而向群聚中心運動。最大加速場區是電子的散聚中心，附近的電子都受到背離散聚中心的力，分別向左右兩邊運動，轉化為有利電子。這樣，在振蕩建立過程中不利電子越來越少，有利電子越來越多，並向群聚中心集中，逐步在互作用空間形成輪輻狀電子云。這種處於不同相位下的電子在互作用空間自動群聚成輪輻狀電子云的現象，稱為自動相位聚焦。在互作用空間的微波場，隨著遠離陽極表面而指數衰減。因此，在陰極表面的微波場極弱，對電子的群聚作用極小，在陰極附近不會形成明顯的電子輪輻，而是形成幾乎均勻分佈的電子輪轂。磁控管在互作用空間的電子中有利電子占絕大多數，而且均在向陽極運動過程中，有利電子迴旋的時間又較長，它們能夠充分地將直流位能輪換成微波能量；回轟陰極的電子比較少，而且它們從陰極發射后不久就打在陰極上，因而從微波場吸收能量也較少。這樣，互作用空間全部電子與微波場相互作用的總的效果是，電子將直流位能交給微波場，在磁控管中建立起穩定的微波振蕩。

陽極諧振系統由沿著圓周排列的一組閉合諧振腔構成。磁控管作為振蕩器需有一定的儲能，以維持微波振蕩，因而要求陽極諧振系統有較高的品質因數。同時，在磁控管中，振蕩的能量又需要通過輸出裝置輸出才能使用。因此，陽極諧振系統上的能量耦合元件的設計十分重要。它既要耦合出一定能量保證使用，又要使陽極諧振系統具有較高的品質因數，保持足夠高的儲能，維持磁控管穩定工作。磁控管工作於π模。為保證π模工作穩定，鄰模與π模之間應有良好的模式分割，因此，常常採用帶有隔膜帶的或旭日異腔型的陽極諧振系統。圖3為常用的磁控管陽極諧振系統的結構。

磁控管，按工作狀態可分為脈衝磁控管和連續波磁控管；按結構特點可分為普通磁控管、同軸磁控管和反同軸磁控管；按頻率可調與否，可分為固定頻率磁控管和頻率可調磁控管。頻率可調磁控管又可分為機械調諧磁控管和頻率捷變磁控管。另外還有一類藉助改變陽極電壓實現頻率調諧的電壓調諧磁控管。

脈衝磁控管的工作脈衝寬度可在0.004～60微秒範圍內變化，工作頻率範圍在250兆赫至120吉赫之間，脈衝功率從幾十瓦到幾十兆瓦，效率可達70%，壽命可達幾萬小時。脈衝磁控管廣泛用於引導、火控、測高、機載、艦載、氣象等各種雷達中。

連續波磁控管用於電子對抗、工業加熱和微波理療。功率在400～1000瓦之間的廉價的連續波磁控管還廣泛用於家用微波灶。為了不干擾雷達和通信設備的正常工作，醫用、工業加熱和烹調用磁控管的工作頻率通常為915±25兆赫及2450±50兆赫。

頻率可調磁控管，特別是頻率捷變磁控管能提高雷達的抗干擾能力。

連續波磁控管

電壓調諧磁控管通常作為電子對抗設備的功率源，可提供幾瓦到幾百瓦的連續波功率。它具有調諧速度快、調諧線性好等優點。小功率電壓調諧磁控管調諧範圍可達2:1，4:1，甚至20:1，能大大提高各種雷達的電子對抗能力。它的主要缺點是輸出功率不夠大，不能用於雷達的電子反對抗措施。

同軸磁控管是在普通磁控管翼片腔體（稱為內腔）外面加一隻具有高品質因數的同軸腔（稱為外腔）而構成，靠內腔背壁上的相間耦合隙縫將內外腔的場耦合起來（圖4）。

磁控管

同軸磁控管具有模式分割好、工作效率高和頻率穩定性好的優點，常用於動目標顯示、精密跟蹤和測距雷達中。反同軸磁控管由內陽極和與之同軸的外陰極組成，因而可增大陰極面積。同軸磁控管的工作波長可短至毫米波段。這種磁控管的特點是功率高、效率高、頻率穩定性好。

磁控管由管芯和磁鋼（或電磁鐵）組成。管芯的結構包括陽極、陰極、能量輸出器和磁路系統等四部分。管子內部保持高真空狀態。下面分別介紹各部分的結構及其作用。

陽極是磁控管的主要組成之一，它與陰極一起構成電子與高頻電磁場相互作用的空間。在恆定磁場和恆定電場的作用下，電子在此空間內完成能量轉換的任務。磁控管的陽極除與普通的極管的陽極一樣收集電子外，還對高頻電磁場的振蕩頻率起著決定性的作用。

陽極由導電良好的金屬材料（如無氧銅）製成，並設有多個諧振腔，諧振腔的數目必須是偶數，管子的工作頻率越高腔數越多。

陽極諧振腔的型式常為孔槽形、扇形和槽扇型，陽極上的每一個小諧振腔相當於一個並聯的2C振蕩迴路。以槽扇型腔為例，可以認為腔的槽部分主要構成振蕩迴路的電容，而其扇形部分主要構成振蕩迴路的電感。

磁控管的陽極由許多諧振腔耦合在一起，形成一個複雜的諧振系統。這個系統的諧振腔頻率主要決定於每個小諧振腔的諧振頻率，我們也可以根據小諧振腔的大小來估計磁控管的工作頻段。

磁控管的陽極諧振系統除能產生所需要的電磁振蕩外，還能產生不同特性的多種電磁振蕩。為使磁控管穩定的工作在所需的模式上，常用隔型帶來隔離干擾模式。隔型帶把陽極翼片一個間隔一個地連接起來，以增加工作模式與相鄰干擾模式之間的頻率間隔。

另外，由於經能量交換后的電子還具有一定的能量，這些電子打上陽極使陽極溫度升高，陽極收集的電子越多(即電流越大)，或電子的能量越大(能量轉換率越低),陽極溫度越高，因此，陽極需有良好的散熱能力。一般情況下功率管採用強迫風冷，陽極帶有散熱片。大功率管則多用水冷，陽極上有冷卻水套。

磁控管的陰極即電子的發射體，又是相互作用空間的一個組成部分。陰極的性能對管子的工作特性和壽命影響極大，被視為整個管子的心臟。

陰極的種類很多，性能各異。連續波磁控管中常用直熱式陰極，它由鎢絲或純鎢絲繞成螺旋形狀，通電流加熱到規定溫度后就具有發射電子的能力。這種陰極具有加熱時間短和抗電子轟擊能力強等優點，在連續波磁控管中得到廣泛的應用。

此種陰極加熱電流大，要求陰極引線要短而粗，連接部分要接觸良好。大功率管的陰極引線工作時溫度很高，常用強迫風冷散熱。磁控管工作時陰極接負高壓，因此引線部分應有良好的絕緣性能並能滿足真空密封的要求。為防止因電子回轟而使陽極過熱，磁控管工作穩定后應按規定降低陰極電流以延長使用壽命。

能量輸出器是把相互作用空間中所產生的微波能輸送到負載去的裝置。

能量輸出裝置的作用是無損耗，無擊穿地通過微波，保證管子的真空密封，同時還要做到便於與外部系統相連接。

小功率連續波磁控管大多採用同軸輸出在陽極諧振腔高頻磁場最強的地方。放置一個耦合環，當穿過環面的磁通量變化時，將在環上產生高頻感應電流，從而將高頻功率引到環外。耦合環面積越大耦合越強。

大功率連續波磁控管常用軸向能量輸出器，輸出天線通過極靴孔洞連接到陽極翼片上。天線一般做成條狀或圓棒也可為錐體。整個天線被輸出窗密封。

輸出窗常用低損耗特性的玻璃或陶瓷製成。它必須保證微波能量無損耗的通過和具有良好的真空氣密性。大功率管的輸出窗常用強迫風冷來降低由於介質損耗所產生的熱量。

磁控管正常工作時要求有很強的恆定磁場，其磁場感應強度一般為數千高斯。工作頻率越高，所加磁場越強。

磁控管的磁路系統就是產生恆定磁場的裝置。磁路系統分永磁和電磁兩大類。永磁系統一般用於小功率管，磁鋼與管芯牢固合為一體構成所謂包裝式。大功率管多用電磁鐵產生磁場，管芯和電磁鐵配合使用，管芯內有上、下極靴，以固定磁隙的距離。磁控管工作時，可以很方便的靠改變磁場強度的大小，來調整輸出功率和工作頻率。另外，還可以將陽極電流饋入電磁線包以提高管子工作的穩定性。