第4章正交場(chǎng)微波管課件

1、第 4 章 正交場(chǎng)微波管 制 作：居 騰 講 課：李曉帆 答 疑：李 松 2011.10.05 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 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

2、”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 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。 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。 第二次世界大戰(zhàn)期間，由于雷達(dá)技

3、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。 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。 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

4、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。 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)。 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)

5、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。 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。 美國(guó)海軍艦載“宙斯盾綜合防空指捧系統(tǒng)中的ANSPY1四面體多功能相控陣?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，

6、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，ANSPY1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)。 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。 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

7、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。 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

8、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； 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。 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，8 mm

9、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)。 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)。 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

10、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)。 磁控管的結(jié)構(gòu) 如圖4.3所示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

11、)是異腔系統(tǒng)，即具有大、小兩組諧振腔。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。 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

12、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。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。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

13、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 12帶寬。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

14、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。 現(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。 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。 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。 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

15、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。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。 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?，第1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

16、類電子靠攏。 同理，可以判斷從第3類到第4類到第1類這12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。 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EB的方向由EB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12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12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。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)

17、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，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。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

18、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。4)模振蕩 磁控管的陽(yáng)極塊由個(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(41)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 的模式稱為模。理論和實(shí)踐證明， 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

19、是工作在模式。 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)。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。2)門檻電壓 當(dāng)

20、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)。 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

21、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。 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。 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。 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

22、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。 (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。） (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??；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

23、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。 (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。 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

24、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。 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。 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。 同

25、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。 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200g500g)、小功率(脈沖功率200W1500W)、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。 (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。 (3)可采用溫度補(bǔ)償和磁性材料補(bǔ)償技術(shù)，

26、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。 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

27、以和同軸磁控管相媲美。其基本結(jié)構(gòu)如圖4.15所示。 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。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。 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

28、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。 (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。 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

29、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。 (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)510。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。 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12，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

30、改變了諧振腔的等效電感，引起振蕩頻率的快速變化。 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。 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12，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)。

31、(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。 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))。 (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

32、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。 (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

33、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。 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。 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。 電壓調(diào)諧磁控管與機(jī)械調(diào)諧磁控管的調(diào)

34、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。 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。 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)。 4.2.11 鎖頻、鎖相技術(shù)