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微波电子管根本学问解析

浏览次数:2019-07-10   来源:本站原创
 

  因为电子管体积大、功耗大、发烧厉害、电源操纵效率低、布局懦弱并且需要高压电源的错误谬误,它的绝大部门用处曾经根基被固体器件晶体管所代替。可是电子管负载能力强,线性机能优于晶体管,正在高频大功率范畴的工做特征要比晶体管更好,所以仍然正在一些处所继续阐扬着不成替代的感化。

  为了使电子同微波场无效地换能,非论是O型器件仍是M型器件,电子注都应正在微波拒斥场区域聚焦成慎密的电子群。拒斥场对电子群的感化,使电子的动能减小(O型器件)或位能降低( M型器件)。电子群把动能或位能交给微波场,从而实现对微波场的放大。因而,正在根据密度调制道理工做的微波管中,电子群的尺寸必需远小于相波长。如许,电子取微波场才能发生无效的彼此感化。

  虽然采纳了上述各类办法,当微波三极管、四极管正在更高频次下工做时,仍然碰到因为电子渡越时间效应而惹起的严沉问题,诸如阴极发射电流密度不脚、栅极电子负载添加以及效率降低等。

  低频次、小功率微波电子管碰到半导体器件的激烈合作,60~70年代以来出产数量逐年下降。但正在功率能力上,微波电子管优于半导体器件几千倍以致上百万倍。大功率、高频次以及宽频带微波电子管,将继续获得普遍使用和成长。

  微波电子督工做于微波波段的实空电子器件,常简称微波管。电磁波谱中的微波波段凡是指频次正在 300兆赫到3000吉赫,对应波长正在1米~0.1毫米之间的电磁波。微波电子管是跟着微波波段的开辟操纵而成长起来的,正在第二次世界大和期间微波雷达呈现后迅即获得大量使用。50年代以来,微波波段正在平易近用范畴的使用成长敏捷。它的使用范畴已扩展到微波中继通信、卫星通信、地面电视、、、能量传输、工业和平易近用加热、科学研究等方面。微波电子管已成空电子器件的一个主要构成部门。

  为了使通俗静电节制电子管可以或许工做于微波波段,必需设法减小电子渡越时间。一个方式是减小静电节制电子管的极间距离并采用平板形布局。现代微波管极间距离最小可达0.025毫米,制制时各个电极要严酷平行。另一方式是正在电极之间加比力高的电压,但这遭到介质绝缘强度的。为了降服极间电容、引线电感、辐射损耗、介质损耗等电方面的,能够改变电极布局,使静电节制电子管电极成为谐振电的一部门。采用封锁式谐振电(同轴腔或波导腔)和损耗较小的陶瓷介质等,遂逐步构成微波三极管和微波四极管这一类微波管。

  此外,正在毫米波、亚毫米波段,O型及M型微波管的电(谐振腔、慢波电)尺寸已相当小,这给工艺制制、阴极、聚焦、散热等都提出了苛刻要求。因而,这些微波管(出格是大功率管)的工做波长很难进入毫米波短波端和亚毫米波。

  曲射速调管、反射速调管、行波管、返波管都是通过电子动能实现同微波场的能量互换,完成振荡、放大、变频等使命。正在这些器件中,电子活动标的目的取曲流平行,凡是称为O型器件。O型放大器件的配合特点是增益高、噪声低。曲射放大速调管采用谐振型互感化电(谐振腔),因此频带较窄,但可达到较高效率。行波管采用传输型互感化电(慢波电),因此频带较宽,但凡是效率稍低(见速调管)。

  微波电子管是工做于微波波段的实空电子器件,常简称微波管。电磁波谱中的微波波段凡是指频次正在 300兆赫到3000吉赫,对应波长正在1米~0.1毫米之间的电磁波。

  正在O型和M型器件中,电子正在较长渡越时间内群聚成很是慎密的电子群,依托这些电子群取微波拒斥场发生能量互换。当进入短毫米波时,这一道理便遭到严沉。

  60~70年代以来呈现了一些新道理的毫米波、亚毫米波实空电子器件,如盘旋管等。新道理的方针是冲破通俗微波管所碰到的各类,供给可正在毫米波、亚毫米波波段工做的大功率器件。

  正在毫米波的短波一端或亚毫米波,要实现上述要求极为坚苦。这时工做波长仅为毫米、亚毫米量级,慢波电中微波场的慢波波长更短(取决于微波督工做电压,慢波波长凡是为工做波长的百分之几到十分之几),即以1毫米工做波长的大功率器件计较,慢波波长只要零点几毫米。要使大量电子堆积正在比亚毫米短得多的区域内,因为存正在电子空间电荷斥力而极为坚苦。这个问题正在电流较大、空间电荷密度较高的大功率器件中更为严沉。然而,若是电子群取波长比拟过于分离,将形成效率下降和功率降低。

  磁控管、正交场放大管等通过电子位能实现同微波场的能量互换,完成振荡和放大的功能。正在这些器件中,电子活动标的目的、曲流电场取曲流三者相垂曲,凡是称为M型器件,即正交场器件。M型器件的配合特点是效率高电压低、体积小、分量轻。磁控管采用谐振型互感化电(多谐振腔布局),因此频带窄。正交场放大管采用传输型互感化电(慢波电),因此频带较宽。同O型放大器件比拟,正交场放大管增益较低。

  电子是负电荷的根基单位,其电荷量是1.602×1库仑。正在所有不变的根基粒子中电子的质量最小,静止质量仅为9.1066×1千克。虽然电子的质量极小,但它仍然有必然的质量,因此是有惯性的。正在电场感化下,电子遭到加快,能达达到必然的速度。例如,电子遭到 100伏电压的加快,速度达到 5930公里/秒(约为光速的2%);电子遭到10千伏电压的加快,速度达到58500公里/秒(约为光速的20%)。

  通俗静电节制电子管之所以不克不及工做于微波波段,还碰到电方面的。静电节制电子管各电极之间存正在极间电容,电极引线具有电感。由极间电容形成的容抗和引线电感形成的感抗,取频次有间接关系。正在较低工做频次下,容抗和感抗的值都很小,对电的影响不大。而正在微波频次下,这种容抗和感抗正在谐振电总电容和总电感中便占领很大比例,工做频次的提高。此外,正在微波频次下,通俗静电节制管的开敞式电极向外辐射电磁能量,形成损耗;玻璃管壳的介质损耗也比力大。

  微波电子管次要包罗三类道理上分歧的器件,即:静电节制微波电子管(微波三极管取四极管)、通俗微波管和新道理器件。微波三极管、四极管是正在静电节制电子管根本上成长起来的工做于微波波段的三、四极管。属于通俗微波管的有磁控管、正交场放大管及其他正交场器件;曲射速调管、反射速调管;行波管、返波管。新道理器件包罗盘旋管、电子激光器等。此外,微波管还包罗微波气体放电开关管。

  对于长波、中波、短波无线电波,信号周期较大,电子渡越时间比信号周期小得多,电子正在飞越电极间的空间时,信号相位变化极小。因而,能够认为电子是无惯性地越过了电极之间的空间。例如,频次为1兆赫时,周期为一百万分之一秒,电子渡越时间比信号周期小得多。 进入微波波段当前,信号周期已变成能够同渡越时间比拟拟,以至更小。例如,当频次为300兆赫时,信号周期为3.3×10-9秒;正在1000兆赫下,信号周期为10-9秒。正在这种环境下,静电节制电子管已不再是一个无惯性的器件,电子渡越时间效应导致阴极负荷加沉、栅极电子负载加大、效率下降。

  为了进一步提高实空电子器件的工做频次,人们转而设法操纵电子渡越时间效应。自30年代起头,研制了多种适用的微波管。它们操纵电子正在相当长的渡越时间内构成的密度调制,发生或放大微波信号。正在这些微波管里,电子渡越时间不再是一种要素,而成为一种可被无效操纵的物理现象。属于这一类的微波管次要有:磁控管、正交场放大管及其他正交场器件;曲射速调管、反射速调管;行波管、 O型返波管等。从降服电子渡越时间效应成长到操纵渡越时间效应以构成电子注密度调制,这是微波电子管道理上的一次冲破。

  电子正在必然的电压感化下从电子管的一个电极活动到另一个电极,老是需要必然的时间,称为电子正在这两个电极间的渡越时间。例如,正在相距2毫米的平板电极间加上100伏的电压,电子以零初速飞离阴极,达到阳极所需要的渡越时间大约等于十亿分之一秒(10-9秒)。

  现代O型和M型微波管所能达到的最短波长是:耦合腔行波管可达3.16毫米(峰值功率1千瓦,平均功率250瓦);磁控管可达 2.14毫米(峰值功率1千瓦);分布感化振荡管可达 1.3毫米(峰值功率70瓦)。虽然反射速调管和返波管已进入亚毫米波,但输出功率仅为毫瓦级。