正交場(chǎng)微波管

正交場(chǎng)微波管第1頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六本章目錄

4.1引言

4.1.1顯著特點(diǎn)

4.1.2發(fā)展簡(jiǎn)史

4.1.3分類與應(yīng)用

4.1.4在不斷創(chuàng)新中發(fā)展

4.2磁控管

4.2.1結(jié)構(gòu)

4.2.2工作原理

4.2.3主要特性

4.2.4工作特點(diǎn)

4.2.5同軸磁控管

4.2.6信標(biāo)磁控管

4.2.7捷變頻磁控管4.2.8毫米波磁控管4.2.9電壓調(diào)諧磁控管4.2.10連續(xù)波磁控管4.2.11鎖頻、鎖相技術(shù)

4.3放大管

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4.1引言

4.1.1顯著特點(diǎn)

前面提到的速調(diào)管、行波管是一類線性注微波管(或稱“O”型器件)，其外形通常設(shè)計(jì)成直線形，所加磁場(chǎng)方向與電子運(yùn)動(dòng)方向是平行的，電子流將其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成高頻能量。本章介紹正交場(chǎng)微波管(或稱“M”型器件)，其外形通常設(shè)計(jì)成圓形，所加直流電、磁場(chǎng)方向與電子流運(yùn)動(dòng)方向是相互

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垂直的，電子流將位能轉(zhuǎn)換成高頻能量。典型情況下位能約為用于與波同步的動(dòng)能的10倍，因此這類微波管的效率很高，最高可達(dá)80％以上。這類微波管有磁控管和正交場(chǎng)放大管等，是雷達(dá)發(fā)射機(jī)、電子對(duì)抗技術(shù)、線性加速器、微波加熱等領(lǐng)域的主要微波功率源。第4頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.1.2發(fā)展簡(jiǎn)史

20世紀(jì)20年代初，賀爾首先發(fā)明了磁控管。40年代初研制成功有實(shí)用價(jià)值的多腔磁控管，如圖4.1所示。第5頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

第二次世界大戰(zhàn)期間，由于雷達(dá)技術(shù)的需要，各國(guó)均集中了大量人力、物力從事磁控管的研究與生產(chǎn)，使磁控管技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，相繼研制成功各類脈沖磁控管。50年代，在磁控管上增加一個(gè)輸出端，發(fā)展出新的種類——正交場(chǎng)放大管，如圖4.2所示。60年代后磁控管又發(fā)展出同軸磁控管、捷變磁控管等擴(kuò)展品種。第6頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第7頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.1.3分類與應(yīng)用

正交場(chǎng)微波管可以分為振蕩管和放大管腳人類，振蕩管中主要有磁控管和“M"型返波管；放大管中主要行分布發(fā)射正交場(chǎng)放大管和注入式正交場(chǎng)放大管，其分類見(jiàn)表4.1所列。第8頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第9頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

正交場(chǎng)放大管具有相位穩(wěn)定度高、寬頻帶、高效率、放大均勻等特點(diǎn)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、工作電壓低、附加電源簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉，這些良好的特性正吸引著雷達(dá)和其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師。表4.2列出了在相同功率下正交場(chǎng)放大管與行波管(或速調(diào)管)主要性能的比較。第10頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第11頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

近10余年來(lái)，多注速調(diào)管得到了實(shí)際應(yīng)用。多注技術(shù)大大降低了速調(diào)管的工作電壓，使其工作電壓和正交場(chǎng)放大管皋本相同。但多注速調(diào)管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本更高，正交場(chǎng)放大管相比多注速調(diào)管仍具有綜合性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)。

第12頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六可以這樣說(shuō)，直到目前為止，還未能找到存綜合性能及成本、可靠性等方面能與之匹敵的微波固態(tài)器件。盡管它在增益、信噪比等方面還未能趕上線性注微波管，但在效率、工作電壓以及每單位體積或重量所產(chǎn)生的微波功率方面，卻是線性注管所不及的。帶寬方面，正交場(chǎng)放大管不如行波管，但優(yōu)于速調(diào)管。因此，至今正交場(chǎng)微波管仍然是雷達(dá)發(fā)射機(jī)、電子對(duì)抗技術(shù)、微波加熱應(yīng)用等領(lǐng)域中的主要微波功率源。第13頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六如今正交場(chǎng)微波管已被廣泛應(yīng)用到軍事和民用各個(gè)領(lǐng)域，其中的特種脈沖磁控管和毫米波同軸磁控管，主要用于雷達(dá)、導(dǎo)航、制導(dǎo)和電子對(duì)抗技術(shù)等領(lǐng)域；普通磁控管主要用于工業(yè)加熱、醫(yī)療、食品工業(yè)、家用微波爐等領(lǐng)域。而正交場(chǎng)放大管則用于全相參雷達(dá)放大鏈作為末級(jí)功率放大管，主要應(yīng)用領(lǐng)域在地面、艦載、機(jī)載等場(chǎng)合的高性能雷達(dá)系統(tǒng)，如監(jiān)視和警戒雷達(dá)、防空雷達(dá)、艦載雷達(dá)、地空導(dǎo)彈系統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)等。第14頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六美國(guó)海軍艦載“宙斯盾"綜合防空指捧系統(tǒng)中的AN／SPY—1四面體多功能相控陣?yán)走_(dá)就是應(yīng)用前向波放大管的最典型的雷達(dá)系統(tǒng)。雷達(dá)的每個(gè)天線陣面使用8只前向波放大管合成功率輸出，這8只放大管又由1只前向波放大管推動(dòng)，雷達(dá)合計(jì)使用36只相同的前向波放大管同時(shí)工作。前向波放大管使得雷達(dá)獲得了強(qiáng)大的功率能力，AN／SPY—1雷達(dá)至今仍是美國(guó)最先進(jìn)的、功能最強(qiáng)大的艦載相控陣?yán)走_(dá)。第15頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.1.4在不斷創(chuàng)新中發(fā)展正交場(chǎng)微波管的研制工作已經(jīng)經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)。50多年來(lái)，這類器件在不斷創(chuàng)新中顯示出強(qiáng)大的生命力。創(chuàng)新包括兩個(gè)方面：一是找到新的應(yīng)用領(lǐng)域，如把正交場(chǎng)微波管作為微波源，廣泛用于食品工業(yè)、木材烘干、橡膠硫化、石油脫脂和微波熱療等方面。由于開(kāi)拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域，正交場(chǎng)微波管的總銷售量還在逐年遞增。第16頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

二是不斷有新的技術(shù)突破，如為了克服正交場(chǎng)放大管增益低的缺點(diǎn)，研制成功陰極激勵(lì)放大管，它是將高頻激勵(lì)功率從陰極輸入(陰極也做成慢波線)，以便在陰極表面建立起高頻場(chǎng)，較少的輸入功率就可以使陰極啟動(dòng)，從而可大大提高管子增益。第17頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

雷聲公司在1975年研制成功第一支陰極激勵(lì)的泊管，達(dá)到的主要技術(shù)參數(shù)為：S波段，輸出脈沖功率為1MW，增益大于30dB，工作帶寬為8％，效率為78％。1987年又研制了陰極激勵(lì)前向波放大管，其主要技術(shù)參數(shù)為：S波段，輸出脈沖功率為1Mw，增益大于30dR，工作帶寬為12％，效率為80％。陰極激勵(lì)技術(shù)還可以進(jìn)一步提高信噪比，如將高頻激勵(lì)信號(hào)同時(shí)送人陰極和陽(yáng)極慢波線，其信噪比可達(dá)70dB/MHz。為了減小同軸磁控管的脈沖前沿抖動(dòng)，開(kāi)展了模式抑制技術(shù)，包括各種吸收負(fù)載性能的研究；為了提高頻率穩(wěn)定度、降低頻溫系數(shù)，研究采用介質(zhì)外腔；第18頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

在同軸磁控管上加裝伺服電機(jī)和頻率讀出電路，可大大簡(jiǎn)化雷達(dá)接收裝置，使應(yīng)用這類器件的雷達(dá)具有強(qiáng)的抗干擾能力；為了進(jìn)一步提高同軸磁控管的頻率穩(wěn)定度和頻譜純度，使之適用于全相參雷達(dá)體制，研究同軸磁控管預(yù)觸發(fā)注入鎖頻技術(shù)，即將一個(gè)頻率純度和穩(wěn)定度很高的小功率微波信號(hào)注人到磁控管中，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，磁控管振蕩頻率將具有與注人信號(hào)同樣高的頻率穩(wěn)定度和頻譜純度。由于預(yù)觸發(fā)信號(hào)的作用，管內(nèi)的各種頻率模式和相位噪聲均得到了抑制，高頻包絡(luò)的前沿抖動(dòng)減小，減少了起振模式的競(jìng)爭(zhēng)，改善了起振特性。第19頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六正交場(chǎng)放大管也是一種很有發(fā)展前景的大功率毫米波器件，8mm前向波放大管已達(dá)到如下參數(shù)：在1500MHz的工作頻帶內(nèi)，輸出脈沖功率為50kw，平均功率為200w，增益為18dB。該管慢波線用不等長(zhǎng)度諧振裂縫慢波結(jié)構(gòu)，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的散熱能力，易于加工。管子工作于TE01模，整管設(shè)計(jì)成反同軸結(jié)構(gòu)(即陰極在外，圍繞著陽(yáng)極慢波電路，因此大大增加了陰極發(fā)射面積，有效降低了陰極發(fā)射電流密度，延長(zhǎng)了工作壽命)。第20頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六下面介紹磁控管和正交場(chǎng)放大管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特性等方面的一些基本知識(shí)。第21頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2磁控管

4.2.1結(jié)構(gòu)磁控管的基本結(jié)構(gòu)包括：陽(yáng)極諧振系統(tǒng)、陰極、能量輸出裝置、頻率輸出裝置、頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu)和磁路系統(tǒng)。陽(yáng)極諧振系統(tǒng)是由許多單個(gè)諧振腔組成的首尾相連的諧振腔鏈；陰極是發(fā)射電子的電極，通常做成圓筒形并與陽(yáng)極諧振系統(tǒng)同軸放置；能量輸出裝置的作用是把存儲(chǔ)在諧振腔內(nèi)的高頻能量耦合傳輸?shù)酵庳?fù)載；頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu)是用于改變磁控管頻率的裝置；磁路系統(tǒng)是用以保證提供磁控管合適磁場(chǎng)強(qiáng)度的系統(tǒng)。第22頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六磁控管的結(jié)構(gòu)如圖4.3所示第23頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1)陽(yáng)極諧振系統(tǒng)陽(yáng)極諧振系統(tǒng)決定磁控管的振蕩頻率和頻率穩(wěn)定度，它儲(chǔ)存著由電子與高頻場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的高頻能量，并通過(guò)能量輸出器把大部分高頻能量饋送給負(fù)載。其結(jié)構(gòu)有很多類型，最常見(jiàn)的幾種磁控管陽(yáng)極塊結(jié)構(gòu)如圖4.4所示。其中(a)、(b)、(c)、(d)是同腔系統(tǒng)，即每一個(gè)小諧振腔的截面形狀和尺寸都是相同的；(e)、(f)、(g)、(h)是異腔系統(tǒng)，即具有大、小兩組諧振腔。第24頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第25頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2)陰極

陰極是磁控管的重要組成部分，它是電子流的發(fā)射體，被稱為磁控管的心臟。陰極質(zhì)量的好壞不僅影響磁控管的壽命，而且還影響輸出功率和工作穩(wěn)定性。陰極表面二次電子發(fā)射系數(shù)不均勻或者過(guò)小，就會(huì)引起管子工作不穩(wěn)定、打火和跳模。因此要求陰極表面光滑，二次電子發(fā)射系數(shù)均勻且足夠大。在磁控管中，由于電子回轟陰極，使陰極溫度升高，同時(shí)陰極不斷受到高能電子和離子的轟擊，所以還要求陰極能耐電子和離子轟擊，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能要好。第26頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

陰極種類繁多，在磁控管中常用的有普通氧化物陰教、改進(jìn)型氧化物陰極(如鎳海綿氧化物陰極、CPC陰極等)、鋇鎢陰極(如鋁酸鹽鋇鎢陰極、鎢酸鹽鋇鎢陰極和鈧酸鹽陰極等)。在大功率脈沖磁控管中可采用氧化釷金屬陶瓷陰極、氧化釔金屬陶瓷陰極鑭鎢或鑭鉬陰極等。在大功率連續(xù)波磁控管中，一般都采用純鎢陰極。第27頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3)能量輸出器能量輸出器是將磁控管產(chǎn)生的微波功率由諧振腔耦合傳輸?shù)酵庳?fù)載去的裝置，它一般由阻抗變換器和輸出窗兩部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖4.5所示。常用的能量輸出器有同軸型、同軸—波導(dǎo)型、波導(dǎo)型三種。第28頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第29頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4)調(diào)諧機(jī)構(gòu)用于改變磁控管振蕩頻率的一整套裝置稱為調(diào)諧機(jī)構(gòu)。磁控管的振蕩頻率取決于諧振腔的等效電容、電感。采用機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方法或電的方法去改變諧振腔的等效電容、電感，都可以改變磁控管的振蕩頻率，其中前者稱為機(jī)械調(diào)諧；后者稱為電調(diào)諧。機(jī)械調(diào)諧(如葉片調(diào)諧、液壓調(diào)諧、旋轉(zhuǎn)調(diào)諧、音圈調(diào)諧、壓電抖動(dòng)調(diào)諧等)的調(diào)諧頻帶可達(dá)10％帶寬；但調(diào)諧速率慢、壽命和可靠性較差。電調(diào)諧(如PIN二極管調(diào)諧、倍增放電調(diào)諧、鐵氧體調(diào)諧等)由于避免了移動(dòng)元件在真空中的運(yùn)動(dòng)，調(diào)諧速率比機(jī)械調(diào)諧快，可以實(shí)現(xiàn)脈間或脈內(nèi)變頻(郎一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)的頻率變化)．有較高的可靠性；但調(diào)諧頻帶窄，通常只有1％—2％帶寬。第30頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5)磁路系統(tǒng)磁路系統(tǒng)包括磁鋼和導(dǎo)磁回路，它提供磁控管相互作用空間(由陰極與陽(yáng)極諧振腔組成的空間)所需的磁場(chǎng)。磁鋼可分為永久磁鐵和電磁鐵兩種形式。永久磁鐵在使用時(shí)不消耗功率，具有矯頑力高和磁能積大的特點(diǎn)，所建立的磁場(chǎng)有較高的可靠性和穩(wěn)定性，磁控管大多采用永久磁鐵。電磁鐵的體積和質(zhì)量較大，還需要直流勵(lì)磁電源等附加裝置，但它具有磁場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)整方便的優(yōu)點(diǎn)，通常用于磁控管熱測(cè)和實(shí)驗(yàn)室中?，F(xiàn)在使用最多的永久磁鐵的磁性材料，是釤鈷類和鋁鎳鉆系。第31頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.2工作原理

從電視原理上來(lái)說(shuō)，磁控管是一種特殊的二極管，在陽(yáng)極和陰極之間加有電場(chǎng)和磁場(chǎng)，電場(chǎng)的方向是徑向的，磁場(chǎng)方向與電場(chǎng)方向相互垂直。電子由陰極發(fā)射出來(lái)，進(jìn)入由陽(yáng)極和陰極組成的空間(稱為相互作用空間)，受到正交的電、磁場(chǎng)作用，作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回旋運(yùn)動(dòng)的電子流又激發(fā)諧振腔鏈諧振，產(chǎn)生高頻交變電磁場(chǎng)，其分布如圖4.6所示。第32頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第33頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六高頻場(chǎng)進(jìn)一步與電子相互作用，使電子流“群聚”成電子輪輻，如圖4.7所示。第34頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六當(dāng)電子輪輻處于高頻減速場(chǎng)相位時(shí)，電子流就會(huì)將外加電源處獲得的能量轉(zhuǎn)換為微波能量，最后打到陽(yáng)極上，形成陽(yáng)極電流。至于在高頻場(chǎng)作用下，電子如何“群聚”，怎樣保持電子輪輻處于高頻減速場(chǎng)相位并與場(chǎng)同步運(yùn)動(dòng)，這些與工作原理有關(guān)的重要概念將在下面進(jìn)行介紹。第35頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1)電子自動(dòng)相位聚焦和電子自動(dòng)挑選高頻波在互作用空間建立起高頻場(chǎng)，在某個(gè)瞬間看到一個(gè)高頻周期的圖像如圖4.8所示。圖上標(biāo)出了4類代表性電子。第36頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖4.8下半部分圖中畫出4類電子初始位置的直流電場(chǎng)和高頻電場(chǎng)的矢量和。作用在第一類和第3類電子上的高頻場(chǎng)只有徑向分量，合成電場(chǎng)的大小變了，但方向不變。因?yàn)殡娮拥钠骄俣仁牵?類電子的變小了，相對(duì)速度減慢。第3類電子E變大了，相對(duì)速度加快。都向第4類電子靠攏。第37頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

同理，可以判斷從第3類到第4類到第1類這1／2周期中的所有電子都向第4類電子匯聚，匯聚在相位對(duì)能造交換最有利的地方，第4類電子為聚焦中心，第2類電子為散焦中心，這就是所謂的電子自動(dòng)相位聚焦。第38頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

作用在第2類和第4類電子上的高頻場(chǎng)只有切向(角向)分量巨，合成電場(chǎng)E的方向改變。因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)方向取決于E×B的方向．由E×B得知第2類電子走向陰極，第4類電子走向陽(yáng)極。同理，可以判斷從第1類到第2類到第3類這1／2周期中的所有電子都走向陰極，從第3類到第4類到第1類這1／2周期中的電子都走向陽(yáng)極。這就是所謂的電子自動(dòng)挑選。第39頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2)形成電子輪輻

電子流一旦建立，處于有利相位(對(duì)能量交換而言)的電子在環(huán)繞陰極運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐漸移向陽(yáng)極，由于相位聚焦作用而群聚，在互作用空間中形成所謂的電子輪輻。輪幅的邊緣和高頻電場(chǎng)的等位線吻合。電子輪輻以極高的速度旋轉(zhuǎn)著，平均旋轉(zhuǎn)速度也是，等于高頻波的相速度，即(為高頻波角頻率，β為相位常數(shù))，這就是所謂的電子與波同步。輪輻的運(yùn)動(dòng)方向和直流電場(chǎng)和磁場(chǎng)都垂直。輪輻中的電子不斷由陰極走向陽(yáng)極，把位能交給高頻波，使高頻波得以增長(zhǎng)。同步速度決定于，而位能為，很小，典型值為0.1，位能是動(dòng)能的10倍，這就是正交場(chǎng)管取得高效率的原因。第40頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3)同步條件在能量交換過(guò)程中，行波管同步條件會(huì)遭到破壞，而正交場(chǎng)管不會(huì)。在能量交換過(guò)程中，行波管電子注的速度減小，動(dòng)能降低，把動(dòng)能交給高頻場(chǎng)，以致速度不斷變慢，會(huì)失去同步。正交場(chǎng)管同步速度在切向，而能量交換時(shí)電子是徑向運(yùn)動(dòng)，是兩個(gè)不同方向的速度分量，所以位能轉(zhuǎn)換是不會(huì)影響同步關(guān)系的，這也是正交場(chǎng)管高效率的原因。第41頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4)π模振蕩

磁控管的陽(yáng)極塊由Ⅳ個(gè)腔組成復(fù)合諧振腔鏈，當(dāng)諧振時(shí)，相鄰腔之間的相位差為

(4.1)

式中，n=0，1，2，…稱為模式數(shù)，即一個(gè)圓周場(chǎng)分布有多少個(gè)波的變化；N是諧振腔鏈的腔數(shù)，通常是偶數(shù)。從式(4．1)可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)不同的n，不同，相應(yīng)于不同的振蕩模式，因此磁控管中有許多振蕩模式，其中n=N/2，相位差的模式稱為π模。理論和實(shí)踐證明，π模振蕩是工作最穩(wěn)定的模式，也是電子相互作用轉(zhuǎn)換效率最高的模式，大多數(shù)磁控管都是工作在π模式。第42頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.3主要特性

4.2.3.1陽(yáng)極電壓

磁控管實(shí)際工作時(shí)，加在管子上的電壓稱為陽(yáng)極電爪。只有陽(yáng)極電胍在一定的區(qū)域，磁控管才能穩(wěn)定地工作。當(dāng)陽(yáng)極電壓提高到截止電壓以上時(shí)，從陰極出來(lái)的電子商接打到陽(yáng)極上，這時(shí)雖有陽(yáng)極電流，但無(wú)能量交換過(guò)程，所以管子不能產(chǎn)生自激振蕩，磁控管只能工作在如圖4.9所示的三角形區(qū)域內(nèi)(打斜線的區(qū)域)。第43頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第44頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1)截止電壓當(dāng)磁場(chǎng)一定時(shí)，存在一個(gè)電壓，當(dāng)陽(yáng)極電壓時(shí)，電子直接打上陽(yáng)極，磁控管就不能工作，因?yàn)檫@時(shí)電子沒(méi)有與高頻場(chǎng)交換能量。稱截止電壓。截止電壓與磁場(chǎng)舶關(guān)系曲線稱為截止拋物線，如圖4.10所示，磁控管只能工作在截止拋物線以下。第45頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第46頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2)門檻電壓當(dāng)磁場(chǎng)一定時(shí)，存在一個(gè)電壓，當(dāng)陽(yáng)極電壓時(shí)，電子徑向動(dòng)能大于0才能到達(dá)陽(yáng)極，產(chǎn)生陽(yáng)極電流，管子才能工作。稱為門檻電壓(又稱閾值電壓)。門檻電壓的物理意義在于：當(dāng)陽(yáng)極電壓低于此值時(shí)，相互作用空間電、磁場(chǎng)尚不足以使電子到達(dá)陽(yáng)極，因而也無(wú)法使得高頻振蕩增長(zhǎng)，并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，管子開(kāi)始自激。圖4.11給出一個(gè)八腔磁控管的門檻電壓，門檻電壓為一直線，它與截止拋物線只有一個(gè)公共的切點(diǎn)。第47頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第48頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.3.2工作特性工作特性就是在磁控管外負(fù)載不變并與傳輸線匹配情況下的伏安特性曲線，也就是表示輸出功率、磁場(chǎng)強(qiáng)度、效率和頻率作為參變量的陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流之間的關(guān)系，并在平面坐標(biāo)上畫出，如圖4.12所示。圖中，實(shí)線表示等磁場(chǎng)線；虛線表示等效率線；點(diǎn)劃線表示等功率線。第49頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六工作特性曲線對(duì)選擇磁控管的工作點(diǎn)是很重要的，通常磁控管的工作點(diǎn)都選擇在曲線的右上方區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)功率大、效率高。第50頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.3.3負(fù)載特性

負(fù)載特性是指在磁場(chǎng)和陽(yáng)極電流保持恒定的條件下，輸出功率和頻率隨負(fù)載變化的相應(yīng)關(guān)系。通常以等功率線和等頻率線的形式畫在極坐標(biāo)的負(fù)載導(dǎo)納圓圖上。負(fù)載特性圖又稱為雷基圖，如圖4.13所示，它表示管子的工作穩(wěn)定性。第51頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.4工作特點(diǎn)

(1)磁控管工作時(shí)，一般是陽(yáng)極接地，陰極接負(fù)高壓。在熱絲和陰極引出線處會(huì)有一定的高頻能量泄漏出來(lái)，對(duì)人體是有害的。在。它的周圍也不宜安裝功率容量小的元件，如果非要安裝不可時(shí)，應(yīng)該屏蔽起來(lái)，但必須特別小心，因?yàn)殛帢O帶有負(fù)高壓。第52頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(2)磁控管嚴(yán)禁空載加高壓。工作時(shí)必須要有正常負(fù)載，其負(fù)載的電壓駐波比應(yīng)小于或等于1.5，否則應(yīng)有隔離器。功率饋線的頻帶寬度應(yīng)大于管子的頻帶寬度，否則會(huì)使管子的工作性能下降，并會(huì)引起磁控管內(nèi)因過(guò)高的駐波電壓而打火，造成管子損壞。磁控管的輸出功率是在負(fù)載（即電壓駐波比≤1.1情況下測(cè)得的，失配情況下測(cè)得的功率會(huì)減小。）第53頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(3)所加磁控管的熱絲電壓要符合規(guī)定的數(shù)值。熱絲電壓低，陰極達(dá)不到正常工作溫度，會(huì)影響陰極的電子發(fā)射，使管子工作不穩(wěn)定，輸出功率也將減小；熱絲電壓過(guò)高，陰極溫度過(guò)熱，也會(huì)使管子工作不穩(wěn)定。熱絲電壓過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)縮短管子的壽命。由于磁控管的陰極有電子回轟現(xiàn)象，所以當(dāng)陽(yáng)極電壓加到額定值后，應(yīng)降低熱絲電壓至規(guī)定值，以免陰極過(guò)熱。陰極引線和熱絲引線不得接錯(cuò)，一般負(fù)高壓引線應(yīng)接在陰極端標(biāo)有“K”字標(biāo)志的一側(cè)，如果負(fù)高壓接在熱絲一端，陽(yáng)極脈沖電流將流經(jīng)熱絲，使熱絲壽命縮短。第54頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(4)安裝磁控管時(shí)，應(yīng)使用無(wú)磁工具，因?yàn)殍F磁物質(zhì)的工具接觸磁鋼時(shí)會(huì)使磁鋼退磁。要防止磁控管靠近測(cè)量?jī)x器，以免影響測(cè)量精度，也不要將機(jī)械手表靠近磁控管。第55頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.5同軸磁控管

同軸磁控管是在普通磁控管諧振腔的外面增加一個(gè)有穩(wěn)頻作用的同軸外腔，內(nèi)腔不需用隔模帶，而采用新的模式抑制原理。在同波段、同功率情況下，同軸磁控管的內(nèi)腔腔數(shù)可以比普通磁控管多。陽(yáng)極和陰極的半徑大，從而增大了功率容量，減小了陰極發(fā)射電流密度，可以有更長(zhǎng)的壽命。第56頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

同軸磁控管的電子頻移、頻率牽引比普通磁控管小得多，頻譜特性好，頻率穩(wěn)定度約比普通磁控管高2個(gè)數(shù)量級(jí)。同軸磁控管的調(diào)諧是在高Q同軸腔中進(jìn)行，所以調(diào)諧方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶寬、工作穩(wěn)定。第57頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

同軸磁控管適用于頻率穩(wěn)定性要求較高的動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的機(jī)載雷達(dá)、艦載雷達(dá)以及精密測(cè)量雷達(dá)等。在波長(zhǎng)較短、功率較大的情況下，宜選用同軸磁控管，尤其是對(duì)毫米波大功率器件，同軸磁控管是優(yōu)選管型。，紅毫米波段，同軸磁控管比普通磁控管的幾何尺寸大得多，易于實(shí)現(xiàn)；而S波段以上的器件，由于同軸磁控管的體積、重量過(guò)大，不宜采用。

第58頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

同軸磁控管的諧振腔是一個(gè)復(fù)合腔，分為內(nèi)、外兩個(gè)腔，即在內(nèi)腔(相當(dāng)于普通磁控管的諧振腔)的外面增加一個(gè)同軸腔(通常稱為外腔)，在內(nèi)腔中心放置一個(gè)陰極，其基本結(jié)如圖4.14所示。第59頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.6信標(biāo)磁控管

(1)信標(biāo)磁控管是一種小體積、小質(zhì)量(約200g～500g)、小功率(脈沖功率200W~1500W)、低電壓(<3000v)、耐沖擊、耐振、頻率穩(wěn)定、能承受苛刻環(huán)境條件的小塑脈沖磁控管。第60頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(2)信標(biāo)磁控管的頻率穩(wěn)定度高，比普通磁控管約高1個(gè)數(shù)量級(jí)，它的陽(yáng)極部件采用熱膨脹系數(shù)很小的材料(如鉬材料)，管子使用了陶瓷介質(zhì)調(diào)諧、高矯頑力磁鋼及溫度補(bǔ)償材料，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠。第61頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(3)可采用溫度補(bǔ)償和磁性材料補(bǔ)償技術(shù)，使其頻溫系數(shù)為普通磁控管的1/10；采用陰極快熱技術(shù)，可使信標(biāo)磁控管的預(yù)熱時(shí)間小于10s。

信標(biāo)磁控管主要用于導(dǎo)彈小型脈沖應(yīng)答機(jī)、導(dǎo)彈無(wú)線電控制儀、導(dǎo)彈定高控制系統(tǒng)、機(jī)載引導(dǎo)應(yīng)答器、導(dǎo)彈空地尋的器等武器裝備上。第62頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

在信標(biāo)磁控管的研制過(guò)程中，又研制成功正陽(yáng)極信標(biāo)磁控管和注入鎖頻信標(biāo)磁控管等品種。正陽(yáng)極信標(biāo)磁控管的主要特點(diǎn)是：陽(yáng)極不接地而接正脈沖高壓，陰極接地。由于陰極和極靴處于同一電位，并工作于地電位，互作用空間的電子不會(huì)往極靴的端部空間跑，因此不用屏蔽帽，可以使磁場(chǎng)更均勻，使場(chǎng)形擾動(dòng)降到最小，又可以縮短極靴間高度，減小磁鐵的重量和體積。正陽(yáng)極信標(biāo)磁控管的頻譜特性、脈沖前沿抖動(dòng)、頻推和工作穩(wěn)定性可以和同軸磁控管相媲美。其基本結(jié)構(gòu)如圖4.15所示。第63頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第64頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

注入鎖頻信標(biāo)磁控管，是在信標(biāo)管起振前，先注入一個(gè)小的高頻信號(hào)，使管內(nèi)的電子預(yù)先群聚，提供迅速而協(xié)調(diào)的啟動(dòng)，顯著降低啟動(dòng)期的噪聲和頻率抖動(dòng)，可使頻譜噪聲功率降低30dB，而且在快的上升時(shí)間也不會(huì)引起管子跳模，可以運(yùn)用于相干放大鏈。如圖4.16所示，注人一個(gè)小信號(hào)，可以輸出一個(gè)同樣頻率、同樣穩(wěn)定度的大信號(hào)，這相當(dāng)于一個(gè)放大器，放大增益一般可達(dá)11dB。第65頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖中，注入功率約為20W，脈沖輸出功率約為250W，增益大于10dB，這種相參應(yīng)答機(jī)的頻率穩(wěn)定度取決于本振頻率，一般可達(dá)以上。第66頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.7捷變頻磁控管

(1)捷變頻磁控管的發(fā)射頻率可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)以很高的速度躍變，可以使每一脈沖都得到與前一個(gè)脈沖不同的和不相關(guān)的發(fā)射頻率。它除了能提高雷達(dá)的抗干擾能力以外,還可以增大雷達(dá)的作用距離，提高雷達(dá)的跟蹤精度，提高目標(biāo)分辨力，增強(qiáng)抑制海浪雜波能力。第67頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(2)捷變頻磁控管主要用于將原來(lái)普通磁控管式雷達(dá)改裝成非相參頻率捷變雷達(dá)。改裝時(shí)，原雷達(dá)的調(diào)制器和接收機(jī)的大部分、天線、隨動(dòng)系統(tǒng)、定時(shí)器、顯示器等均不需要重新制作，只需將原磁控管換成捷變頻磁控管，本振改為快速調(diào)諧本振，頻率自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)改為快速頻率自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，饋線部分進(jìn)行相應(yīng)的改裝即可，因此可以達(dá)到研制周期短、成本低、見(jiàn)效快的目的。第68頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

據(jù)報(bào)道，研制一部非相參頻率捷變雷達(dá)的費(fèi)用僅為研制一部全相參頻率捷變雷達(dá)的1/10。如果采用一整套特殊的電路，還能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)頻率捷變，則可克服非相參頻率捷變雷達(dá)捷變方式不夠靈活的缺點(diǎn)，使之具有與全相參頻率捷變雷達(dá)一樣的靈活性。第69頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(3)捷變頻磁控管的調(diào)諧方法，主要有機(jī)械調(diào)諧和電調(diào)諧等方式。機(jī)械調(diào)諧的帶寬一般可達(dá)5％～10％。寬頻帶捷變頻磁控管，大多采用旋轉(zhuǎn)圓柱筒調(diào)諧技術(shù)，如圖4.17所示。第70頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第71頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

這種調(diào)諧方法，是在磁控管諧振腔的根部挖了一條環(huán)形的調(diào)諧槽，槽的深度約為陽(yáng)極高度的1／2，將圓柱筒調(diào)諧器插人調(diào)諧槽內(nèi)，插入部分的側(cè)壁上開(kāi)有一系列徑向排列的小孔(通常稱為調(diào)諧孔)，孔的數(shù)目等于諧振腔數(shù)。當(dāng)圓柱筒調(diào)諧器相對(duì)于陽(yáng)極諧振腔高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，小孔改變了相鄰兩腔磁力線的路徑，從而改變了諧振腔的等效電感，引起振蕩頻率的快速變化。第72頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

圓柱筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁控管的振蕩頻率產(chǎn)生類似于正弦的周期性變化，如圖4.18所示。第73頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

由于磁控管發(fā)射脈沖的寬度與頻率調(diào)制周期相比十分短促，在各個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，發(fā)射頻率幾乎不變。適當(dāng)改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速(即改變磁控管頻率調(diào)制周期)，就可以使每一脈沖都得到與前一個(gè)脈沖不同的和不相關(guān)的發(fā)射頻率，從而實(shí)現(xiàn)脈間變頻。如果能利用編碼信號(hào)或隨機(jī)噪聲源來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，就可以得到隨機(jī)的發(fā)射頻率。同樣，如果能適當(dāng)改變電壓脈沖的觸發(fā)相位或脈沖重復(fù)周期，也可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)脈間變頻。電調(diào)諧的帶寬只有1％～2％，但它的調(diào)諧速度更快，可以實(shí)現(xiàn)脈內(nèi)變頻(即一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)頻率的變化)。第74頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(4)捷變頻磁控管具有調(diào)諧速率高、體積小、重量輕、效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但它的頻率穩(wěn)定度不高，難以與動(dòng)目標(biāo)顯示技術(shù)相兼容。

(5)頻率捷變技術(shù)已經(jīng)在各種用途的雷達(dá)中得到廣泛的應(yīng)用，如捷變跟蹤、火控雷達(dá)、地面防空雷達(dá)、艦載海上監(jiān)視雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)、彈上導(dǎo)引頭等。第75頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.8毫米波磁控管

毫米波磁控管的工作原理和基本結(jié)構(gòu)同厘米波磁控管完全一樣，只是由于波長(zhǎng)短、頻率高，帶來(lái)了以下一系列新的特點(diǎn)。

(1)尺寸變化對(duì)頻率影響大。如果陽(yáng)極直徑變化0.01mm，頻率將變化100MHz以上，所以要求加工精度高(加工公差在0.01mm以內(nèi))。第76頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(2)陽(yáng)極功率密度大。例如一個(gè)脈沖功率50kW的8mm同軸磁控管與一個(gè)脈沖功率1Mw的5cm同軸磁控管的陽(yáng)極表面脈沖功率密度相當(dāng)。熱問(wèn)題是研制毫米波管的關(guān)鍵技術(shù)之一。

(3)陰極電流密度大。通常為厘米波管的5倍以上，陰極是決定壽命的重要因素。第77頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(4)模式干擾問(wèn)題突出。由于毫米波波長(zhǎng)短，管內(nèi)結(jié)構(gòu)中任何隙縫都可能使模式傳輸或模式耦合產(chǎn)生諧振，干擾模式的抑制十分重要。毫米波同軸磁控管是最實(shí)用的毫米波雷達(dá)發(fā)射管，毫米波雷達(dá)主要用于精密跟蹤、精密測(cè)距、在高分辨力雷達(dá)中用于反導(dǎo)彈靶場(chǎng)識(shí)別、在低仰角雙頻跟蹤雷達(dá)中探測(cè)超低空飛行目標(biāo)。毫米波同軸磁控管還可作為輻射源，對(duì)地面進(jìn)行掃描成像。8mm同軸磁控管用途很多。除常用在火控雷達(dá)、導(dǎo)彈尋的和引爆裝置中外，還可用在地對(duì)空警戒和船用導(dǎo)航雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)、低仰角精密跟蹤測(cè)距雙頻雷達(dá)、指揮與控制系統(tǒng)中的測(cè)距雷達(dá)等。第78頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.9電壓調(diào)諧磁控管

電壓調(diào)諧磁控管是依靠改變陽(yáng)極電壓的方法來(lái)達(dá)到調(diào)諧目的的磁控管，一般都在連續(xù)波狀態(tài)下使用。它的特點(diǎn)是調(diào)諧速度快、直線性好，而且調(diào)諧范圍寬，調(diào)諧寬度可以達(dá)到2:1、4:1，甚至20:1。第79頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

電壓調(diào)諧磁控管的結(jié)構(gòu)如圖4.19所示。它有陰極，上、下陽(yáng)極(實(shí)際是交叉指慢波電路)，在上、下陽(yáng)極之間有一個(gè)陶瓷圓環(huán)和金屬頂盤封接形成真空密封的外殼在金屬頂盤之間加有磁鐵，提供一個(gè)與陰極平行的軸向磁場(chǎng)。直接將上、下陽(yáng)極環(huán)嵌入高度漸變的短形波導(dǎo)中，波導(dǎo)即作為能量輸出器。第80頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電壓調(diào)諧磁控管與機(jī)械調(diào)諧磁控管的調(diào)諧特性有很大差別，主要原因在于兩種磁控管中采用了完全不同的諧振系統(tǒng)。普通磁控管中的陽(yáng)極是由N個(gè)小腔組成的高Q諧振系統(tǒng)，因此，管子的振蕩頻率主要取決于這一系統(tǒng)的諧振頻率，而相互作用空間內(nèi)的電子導(dǎo)納的影響是次要的。在電壓調(diào)諧磁控管中，陽(yáng)極是由低Q的交叉指慢波線組成，這種系統(tǒng)的儲(chǔ)能小，并且允許對(duì)所有的指有較重的加載，因此，振蕩頻率在很大程度上取決于其中電子導(dǎo)納的作用。

第81頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六由于電壓調(diào)諧磁控管中的頻率調(diào)諧是依靠調(diào)節(jié)電子注的參量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此陰極發(fā)射電流的變化將對(duì)調(diào)諧特性產(chǎn)生顯著的影響，所以一般都采用直熱式陰極。電壓調(diào)諧磁控管一般都采用金屬陶瓷結(jié)構(gòu)，在體積、重量、耐振、耐高溫及高可靠性等方面都具有很明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，已被廣泛地應(yīng)用于掃描振蕩器、遙測(cè)系統(tǒng)、電子對(duì)抗等設(shè)備中。第82頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.10連續(xù)波磁控管

連續(xù)波磁控管在雷達(dá)上應(yīng)用很少，但卻廣泛應(yīng)用于家用微波爐、各種微波加熱設(shè)備和微波理療機(jī)中。家用微波爐磁控管生產(chǎn)數(shù)量巨大。小功率連續(xù)波磁控管(百瓦級(jí))與脈沖磁控管相比，在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有多大差別．但千瓦級(jí)以上的連續(xù)波磁控管在陰極、輸能器結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)等方面與一般的脈沖磁控管有較大的差別。連續(xù)波磁控管能在負(fù)載失配情況下工作，其供電設(shè)備簡(jiǎn)單，一般用電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)。第83頁(yè)，共95頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4.2.11鎖頻、鎖相技術(shù)

1)鎖頻技術(shù)

磁控管的鎮(zhèn)頻技術(shù)可以使其應(yīng)用于相干雷達(dá)系統(tǒng)中，不僅是在脈沖相干中振蕩，而且脈沖剄脈沖的頻率抖動(dòng)效應(yīng)以及溫度漂移和頻推、頻牽效應(yīng)都可以用頻率鎖定得到明顯降低。為了提供鏤頻技術(shù)，磁控管具有比常規(guī)磁控管更低的品質(zhì)因數(shù)Q的諧振腔，在一定的注入信號(hào)電平下