正交場微波管

正交場微波管第一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三本章目錄

4.1引言

4.1.1顯著特點

4.1.2發(fā)展簡史

4.1.3分類與應用

4.1.4在不斷創(chuàng)新中發(fā)展

4.2磁控管

4.2.1結構

4.2.2工作原理

4.2.3主要特性

4.2.4工作特點

4.2.5同軸磁控管

4.2.6信標磁控管

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

4.3放大管

第二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.1引言

4.1.1顯著特點

前面提到的速調管、行波管是一類線性注微波管(或稱“O”型器件)，其外形通常設計成直線形，所加磁場方向與電子運動方向是平行的，電子流將其動能轉換成高頻能量。本章介紹正交場微波管(或稱“M”型器件)，其外形通常設計成圓形，所加直流電、磁場方向與電子流運動方向是相互

第三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

垂直的，電子流將位能轉換成高頻能量。典型情況下位能約為用于與波同步的動能的10倍，因此這類微波管的效率很高，最高可達80％以上。這類微波管有磁控管和正交場放大管等，是雷達發(fā)射機、電子對抗技術、線性加速器、微波加熱等領域的主要微波功率源。第四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.1.2發(fā)展簡史

20世紀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用價值的多腔磁控管，如圖4.1所示。第五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

第二次世界大戰(zhàn)期間，由于雷達技術的需要，各國均集中了大量人力、物力從事磁控管的研究與生產，使磁控管技術得到了飛速的發(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輸出端，發(fā)展出新的種類——正交場放大管，如圖4.2所示。60年代后磁控管又發(fā)展出同軸磁控管、捷變磁控管等擴展品種。第六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.1.3分類與應用

正交場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)射正交場放大管和注入式正交場放大管，其分類見表4.1所列。第八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

正交場放大管具有相位穩(wěn)定度高、寬頻帶、高效率、放大均勻等特點，同時其結構緊湊、體積小、重量輕、工作電壓低、附加電源簡單、費用低廉，這些良好的特性正吸引著雷達和其他系統(tǒng)的設計師。表4.2列出了在相同功率下正交場放大管與行波管(或速調管)主要性能的比較。第十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

近10余年來，多注速調管得到了實際應用。多注技術大大降低了速調管的工作電壓，使其工作電壓和正交場放大管皋本相同。但多注速調管的結構復雜，制造成本更高，正交場放大管相比多注速調管仍具有綜合性價比的優(yōu)勢。

第十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三可以這樣說，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，正交場放大管不如行波管，但優(yōu)于速調管。因此，至今正交場微波管仍然是雷達發(fā)射機、電子對抗技術、微波加熱應用等領域中的主要微波功率源。第十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三如今正交場微波管已被廣泛應用到軍事和民用各個領域，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、導航、制導和電子對抗技術等領域；普通磁控管主要用于工業(yè)加熱、醫(yī)療、食品工業(yè)、家用微波爐等領域。而正交場放大管則用于全相參雷達放大鏈作為末級功率放大管，主要應用領域在地面、艦載、機載等場合的高性能雷達系統(tǒng)，如監(jiān)視和警戒雷達、防空雷達、艦載雷達、地空導彈系統(tǒng)相控陣雷達等。第十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三美國海軍艦載“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雷達就是應用前向波放大管的最典型的雷達系統(tǒng)。雷達的每個天線陣面使用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，雷達合計使用36只相同的前向波放大管同時工作。前向波放大管使得雷達獲得了強大的功率能力，AN／SPY—1雷達至今仍是美國最先進的、功能最強大的艦載相控陣雷達。第十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.1.4在不斷創(chuàng)新中發(fā)展正交場微波管的研制工作已經經歷半個多世紀。50多年來，這類器件在不斷創(chuàng)新中顯示出強大的生命力。創(chuàng)新包括兩個方面：一是找到新的應用領域，如把正交場微波管作為微波源，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。由于開拓了新的應用領域，正交場微波管的總銷售量還在逐年遞增。第十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

二是不斷有新的技術突破，如為了克服正交場放大管增益低的缺點，研制成功陰極激勵放大管，它是將高頻激勵功率從陰極輸入(陰極也做成慢波線)，以便在陰極表面建立起高頻場，較少的輸入功率就可以使陰極啟動，從而可大大提高管子增益。第十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

雷聲公司在1975年研制成功第一支陰極激勵的泊管，達到的主要技術參數(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前向波放大管，其主要技術參數(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％。陰極激勵技術還可以進一步提高信噪比，如將高頻激勵信號同時送人陰極和陽極慢波線，其信噪比可達70dB/MHz。為了減小同軸磁控管的脈沖前沿抖動，開展了模式抑制技術，包括各種吸收負載性能的研究；為了提高頻率穩(wěn)定度、降低頻溫系數(shù)，研究采用介質外腔；第十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

在同軸磁控管上加裝伺服電機和頻率讀出電路，可大大簡化雷達接收裝置，使應用這類器件的雷達具有強的抗干擾能力；為了進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體制，研究同軸磁控管預觸發(fā)注入鎖頻技術，即將一個頻率純度和穩(wěn)定度很高的小功率微波信號注人到磁控管中，當滿足一定條件時，磁控管振蕩頻率將具有與注人信號同樣高的頻率穩(wěn)定度和頻譜純度。由于預觸發(fā)信號的作用，管內的各種頻率模式和相位噪聲均得到了抑制，高頻包絡的前沿抖動減小，減少了起振模式的競爭，改善了起振特性。第十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三正交場放大管也是一種很有發(fā)展前景的大功率毫米波器件，8mm前向波放大管已達到如下參數(shù)：在1500MHz的工作頻帶內，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度諧振裂縫慢波結構，具有較高的機械強度和良好的散熱能力，易于加工。管子工作于TE01模，整管設計成反同軸結構(即陰極在外，圍繞著陽極慢波電路，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，延長了工作壽命)。第二十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三下面介紹磁控管和正交場放大管的基本結構、工作原理和特性等方面的一些基本知識。第二十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2磁控管

4.2.1結構磁控管的基本結構包括：陽極諧振系統(tǒng)、陰極、能量輸出裝置、頻率輸出裝置、頻率調諧機構和磁路系統(tǒng)。陽極諧振系統(tǒng)是由許多單個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極諧振系統(tǒng)同軸放置；能量輸出裝置的作用是把存儲在諧振腔內的高頻能量耦合傳輸?shù)酵庳撦d；頻率調諧機構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強度的系統(tǒng)。第二十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三磁控管的結構如圖4.3所示第二十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三1)陽極諧振系統(tǒng)陽極諧振系統(tǒng)決定磁控管的振蕩頻率和頻率穩(wěn)定度，它儲存著由電子與高頻場相互作用所產生的高頻能量，并通過能量輸出器把大部分高頻能量饋送給負載。其結構有很多類型，最常見的幾種磁控管陽極塊結構如圖4.4所示。其中(a)、(b)、(c)、(d)是同腔系統(tǒng)，即每一個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。第二十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第二十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三2)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)不均勻或者過小，就會引起管子工作不穩(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，導電、導熱性能要好。第二十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

陰極種類繁多，在磁控管中常用的有普通氧化物陰教、改進型氧化物陰極(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。第二十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三3)能量輸出器能量輸出器是將磁控管產生的微波功率由諧振腔耦合傳輸?shù)酵庳撦d去的裝置，它一般由阻抗變換器和輸出窗兩部分組成。其結構如圖4.5所示。常用的能量輸出器有同軸型、同軸—波導型、波導型三種。第二十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第二十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三4)調諧機構用于改變磁控管振蕩頻率的一整套裝置稱為調諧機構。磁控管的振蕩頻率取決于諧振腔的等效電容、電感。采用機械運動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，其中前者稱為機械調諧；后者稱為電調諧。機械調諧(如葉片調諧、液壓調諧、旋轉調諧、音圈調諧、壓電抖動調諧等)的調諧頻帶可達10％帶寬；但調諧速率慢、壽命和可靠性較差。電調諧(如PIN二極管調諧、倍增放電調諧、鐵氧體調諧等)由于避免了移動元件在真空中的運動，調諧速率比機械調諧快，可以實現(xiàn)脈間或脈內變頻(郎一個脈沖持續(xù)時間內的頻率變化)．有較高的可靠性；但調諧頻帶窄，通常只有1％—2％帶寬。第三十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三5)磁路系統(tǒng)磁路系統(tǒng)包括磁鋼和導磁回路，它提供磁控管相互作用空間(由陰極與陽極諧振腔組成的空間)所需的磁場。磁鋼可分為永久磁鐵和電磁鐵兩種形式。永久磁鐵在使用時不消耗功率，具有矯頑力高和磁能積大的特點，所建立的磁場有較高的可靠性和穩(wěn)定性，磁控管大多采用永久磁鐵。電磁鐵的體積和質量較大，還需要直流勵磁電源等附加裝置，但它具有磁場強度調整方便的優(yōu)點，通常用于磁控管熱測和實驗室中?，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。第三十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2.2工作原理

從電視原理上來說，磁控管是一種特殊的二極管，在陽極和陰極之間加有電場和磁場，電場的方向是徑向的，磁場方向與電場方向相互垂直。電子由陰極發(fā)射出來，進入由陽極和陰極組成的空間(稱為相互作用空間)，受到正交的電、磁場作用，作旋轉運動，回旋運動的電子流又激發(fā)諧振腔鏈諧振，產生高頻交變電磁場，其分布如圖4.6所示。第三十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第三十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三高頻場進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。第三十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三當電子輪輻處于高頻減速場相位時，電子流就會將外加電源處獲得的能量轉換為微波能量，最后打到陽極上，形成陽極電流。至于在高頻場作用下，電子如何“群聚”，怎樣保持電子輪輻處于高頻減速場相位并與場同步運動，這些與工作原理有關的重要概念將在下面進行介紹。第三十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三1)電子自動相位聚焦和電子自動挑選高頻波在互作用空間建立起高頻場，在某個瞬間看到一個高頻周期的圖像如圖4.8所示。圖上標出了4類代表性電子。第三十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三圖4.8下半部分圖中畫出4類電子初始位置的直流電場和高頻電場的矢量和。作用在第一類和第3類電子上的高頻場只有徑向分量，合成電場的大小變了，但方向不變。因為電子的平均速度是，第1類電子的變小了，相對速度減慢。第3類電子E變大了，相對速度加快。都向第4類電子靠攏。第三十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

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相位聚焦。第三十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

作用在第2類和第4類電子上的高頻場只有切向(角向)分量巨，合成電場E的方向改變。因為電子運動方向取決于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極。這就是所謂的電子自動挑選。第三十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三2)形成電子輪輻

電子流一旦建立，處于有利相位(對能量交換而言)的電子在環(huán)繞陰極運動過程中逐漸移向陽極，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的等位線吻合。電子輪輻以極高的速度旋轉著，平均旋轉速度也是，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。輪輻的運動方向和直流電場和磁場都垂直。輪輻中的電子不斷由陰極走向陽極，把位能交給高頻波，使高頻波得以增長。同步速度決定于，而位能為，很小，典型值為0.1，位能是動能的10倍，這就是正交場管取得高效率的原因。第四十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三3)同步條件在能量交換過程中，行波管同步條件會遭到破壞，而正交場管不會。在能量交換過程中，行波管電子注的速度減小，動能降低，把動能交給高頻場，以致速度不斷變慢，會失去同步。正交場管同步速度在切向，而能量交換時電子是徑向運動，是兩個不同方向的速度分量，所以位能轉換是不會影響同步關系的，這也是正交場管高效率的原因。第四十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三4)π模振蕩

磁控管的陽極塊由Ⅳ個腔組成復合諧振腔鏈，當諧振時，相鄰腔之間的相位差為

(4.1)

式中，n=0，1，2，…稱為模式數(shù)，即一個圓周場分布有多少個波的變化；N是諧振腔鏈的腔數(shù)，通常是偶數(shù)。從式(4．1)可見，對應不同的n，不同，相應于不同的振蕩模式，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換效率最高的模式，大多數(shù)磁控管都是工作在π模式。第四十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2.3主要特性

4.2.3.1陽極電壓

磁控管實際工作時，加在管子上的電壓稱為陽極電爪。只有陽極電胍在一定的區(qū)域，磁控管才能穩(wěn)定地工作。當陽極電壓提高到截止電壓以上時，從陰極出來的電子商接打到陽極上，這時雖有陽極電流，但無能量交換過程，所以管子不能產生自激振蕩，磁控管只能工作在如圖4.9所示的三角形區(qū)域內(打斜線的區(qū)域)。第四十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第四十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三1)截止電壓當磁場一定時，存在一個電壓，當陽極電壓時，電子直接打上陽極，磁控管就不能工作，因為這時電子沒有與高頻場交換能量。稱截止電壓。截止電壓與磁場舶關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。第四十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第四十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三2)門檻電壓當磁場一定時，存在一個電壓，當陽極電壓時，電子徑向動能大于0才能到達陽極，產生陽極電流，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：當陽極電壓低于此值時，相互作用空間電、磁場尚不足以使電子到達陽極，因而也無法使得高頻振蕩增長，并達到穩(wěn)定狀態(tài)；當時，管子開始自激。圖4.11給出一個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公共的切點。第四十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第四十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2.3.2工作特性工作特性就是在磁控管外負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、磁場強度、效率和頻率作為參變量的陽極電壓與陽極電流之間的關系，并在平面坐標上畫出，如圖4.12所示。圖中，實線表示等磁場線；虛線表示等效率線；點劃線表示等功率線。第四十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三工作特性曲線對選擇磁控管的工作點是很重要的，通常磁控管的工作點都選擇在曲線的右上方區(qū)域，該區(qū)域內功率大、效率高。第五十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2.3.3負載特性

負載特性是指在磁場和陽極電流保持恒定的條件下，輸出功率和頻率隨負載變化的相應關系。通常以等功率線和等頻率線的形式畫在極坐標的負載導納圓圖上。負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。第五十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2.4工作特點

(1)磁控管工作時，一般是陽極接地，陰極接負高壓。在熱絲和陰極引出線處會有一定的高頻能量泄漏出來，對人體是有害的。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，應該屏蔽起來，但必須特別小心，因為陰極帶有負高壓。第五十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

(2)磁控管嚴禁空載加高壓。工作時必須要有正常負載，其負載的電壓駐波比應小于或等于1.5，否則應有隔離器。功率饋線的頻帶寬度應大于管子的頻帶寬度，否則會使管子的工作性能下降，并會引起磁控管內因過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載（即電壓駐波比≤1.1情況下測得的，失配情況下測得的功率會減小。）第五十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

(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，陰極達不到正常工作溫度，會影響陰極的電子發(fā)射，使管子工作不穩(wěn)定，輸出功率也將減??；熱絲電壓過高，陰極溫度過熱，也會使管子工作不穩(wěn)定。熱絲電壓過高或過低，都會縮短管子的壽命。由于磁控管的陰極有電子回轟現(xiàn)象，所以當陽極電壓加到額定值后，應降低熱絲電壓至規(guī)定值，以免陰極過熱。陰極引線和熱絲引線不得接錯，一般負高壓引線應接在陰極端標有“K”字標志的一側，如果負高壓接在熱絲一端，陽極脈沖電流將流經熱絲，使熱絲壽命縮短。第五十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

(4)安裝磁控管時，應使用無磁工具，因為鐵磁物質的工具接觸磁鋼時會使磁鋼退磁。要防止磁控管靠近測量儀器，以免影響測量精度，也不要將機械手表靠近磁控管。第五十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

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有穩(wěn)頻作用的同軸外腔，內腔不需用隔模帶，而采用新的模式抑制原理。在同波段、同功率情況下，同軸磁控管的內腔腔數(shù)可以比普通磁控管多。陽極和陰極的半徑大，從而增大了功率容量，減小了陰極發(fā)射電流密度，可以有更長的壽命。第五十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

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個數(shù)量級。同軸磁控管的調諧是在高Q同軸腔中進行，所以調諧方便、結構簡單、頻帶寬、工作穩(wěn)定。第五十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

同軸磁控管適用于頻率穩(wěn)定性要求較高的動目標顯示雷達、機動性強的機載雷達、艦載雷達以及精密測量雷達等。在波長較短、功率較大的情況下，宜選用同軸磁控管，尤其是對毫米波大功率器件，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，易于實現(xiàn)；而S波段以上的器件，由于同軸磁控管的體積、重量過大，不宜采用。

第五十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

同軸磁控管的諧振腔是一個復合腔，分為內、外兩個腔，即在內腔(相當于普通磁控管的諧振腔)的外面增加一個同軸腔(通常稱為外腔)，在內腔中心放置一個陰極，其基本結如圖4.14所示。第五十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2.6信標磁控管

(1)信標磁控管是一種小體積、小質量(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。第六十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

(2)信標磁控管的頻率穩(wěn)定度高，比普通磁控管約高1個數(shù)量級，它的陽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調諧、高矯頑力磁鋼及溫度補償材料，結構緊湊、可靠。第六十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

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

信標磁控管主要用于導彈小型脈沖應答機、導彈無線電控制儀、導彈定高控制系統(tǒng)、機載引導應答器、導彈空地尋的器等武器裝備上。第六十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

在信標磁控管的研制過程中，又研制成功正陽極信標磁控管和注入鎖頻信標磁控管等品種。正陽極信標磁控管的主要特點是：陽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往極靴的端部空間跑，因此不用屏蔽帽，可以使磁場更均勻，使場形擾動降到最小，又可以縮短極靴間高度，減小磁鐵的重量和體積。正陽極信標磁控管的頻譜特性、脈沖前沿抖動、頻推和工作穩(wěn)定性可以和同軸磁控管相媲美。其基本結構如圖4.15所示。第六十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第六十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

注入鎖頻信標磁控管，是在信標管起振前，先注入一個小的高頻信號，使管內的電子預先群聚，提供迅速而協(xié)調的啟動，顯著降低啟動期的噪聲和頻率抖動，可使頻譜噪聲功率降低30dB，而且在快的上升時間也不會引起管子跳模，可以運用于相干放大鏈。如圖4.16所示，注人一個小信號，可以輸出一個同樣頻率、同樣穩(wěn)定度的大信號，這相當于一個放大器，放大增益一般可達11dB。第六十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三圖中，注入功率約為20W，脈沖輸出功率約為250W，增益大于10dB，這種相參應答機的頻率穩(wěn)定度取決于本振頻率，一般可達以上。第六十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2.7捷變頻磁控管

(1)捷變頻磁控管的發(fā)射頻率可以在一個很寬的范圍內以很高的速度躍變，可以使每一脈沖都得到與前一個脈沖不同的和不相關的發(fā)射頻率。它除了能提高雷達的抗干擾能力以外,還可以增大雷達的作用距離，提高雷達的跟蹤精度，提高目標分辨力，增強抑制海浪雜波能力。第六十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

(2)捷變頻磁控管主要用于將原來普通磁控管式雷達改裝成非相參頻率捷變雷達。改裝時，原雷達的調制器和接收機的大部分、天線、隨動系統(tǒng)、定時器、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，本振改為快速調諧本振，頻率自動調諧系統(tǒng)改為快速頻率自動調整系統(tǒng)，饋線部分進行相應的改裝即可，因此可以達到研制周期短、成本低、見效快的目的。第六十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

據(jù)報道，研制一部非相參頻率捷變雷達的費用僅為研制一部全相參頻率捷變雷達的1/10。如果采用一整套特殊的電路，還能實現(xiàn)自適應頻率捷變，則可克服非相參頻率捷變雷達捷變方式不夠靈活的缺點，使之具有與全相參頻率捷變雷達一樣的靈活性。第六十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

(3)捷變頻磁控管的調諧方法，主要有機械調諧和電調諧等方式。機械調諧的帶寬一般可達5％～10％。寬頻帶捷變頻磁控管，大多采用旋轉圓柱筒調諧技術，如圖4.17所示。第七十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第七十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

這種調諧方法，是在磁控管諧振腔的根部挖了一條環(huán)形的調諧槽，槽的深度約為陽極高度的1／2，將圓柱筒調諧器插人調諧槽內，插入部分的側壁上開有一系列徑向排列的小孔(通常稱為調諧孔)，孔的數(shù)目等于諧振腔數(shù)。當圓柱筒調諧器相對于陽極諧振腔高速旋轉時，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。第七十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

圓柱筒旋轉時，磁控管的振蕩頻率產生類似于正弦的周期性變化，如圖4.18所示。第七十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

由于磁控管發(fā)射脈沖的寬度與頻率調制周期相比十分短促，在各個脈沖的持續(xù)時間內，發(fā)射頻率幾乎不變。適當改變伺服電機的轉速(即改變磁控管頻率調制周期)，就可以使每一脈沖都得到與前一個脈沖不同的和不相關的發(fā)射頻率，從而實現(xiàn)脈間變頻。如果能利用編碼信號或隨機噪聲源來控制電機轉速，就可以得到隨機的發(fā)射頻率。同樣，如果能適當改變電壓脈沖的觸發(fā)相位或脈沖重復周期，也可以實現(xiàn)隨機脈間變頻。電調諧的帶寬只有1％～2％，但它的調諧速度更快，可以實現(xiàn)脈內變頻(即一個脈沖持續(xù)時間內頻率的變化)。第七十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

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

(5)頻率捷變技術已經在各種用途的雷達中得到廣泛的應用，如捷變跟蹤、火控雷達、地面防空雷達、艦載海上監(jiān)視雷達、機載雷達、彈上導引頭等。第七十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2.8毫米波磁控管

毫米波磁控管的工作原理和基本結構同厘米波磁控管完全一樣，只是由于波長短、頻率高，帶來了以下一系列新的特點。

(1)尺寸變化對頻率影響大。如果陽極直徑變化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)。第七十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

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

(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。第七十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

(4)模式干擾問題突出。由于毫米波波長短，管內結構中任何隙縫都可能使模式傳輸或模式耦合產生諧振，干擾模式的抑制十分重要。毫米波同軸磁控管是最實用的毫米波雷達發(fā)射管，毫米波雷達主要用于精密跟蹤、精密測距、在高分辨力雷達中用于反導彈靶場識別、在低仰角雙頻跟蹤雷達中探測超低空飛行目標。毫米波同軸磁控管還可作為輻射源，對地面進行掃描成像。8mm同軸磁控管用途很多。除常用在火控雷達、導彈尋的和引爆裝置中外，還可用在地對空警戒和船用導航雷達、機載雷達、低仰角精密跟蹤測距雙頻雷達、指揮與控制系統(tǒng)中的測距雷達等。第七十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2.9電壓調諧磁控管

電壓調諧磁控管是依靠改變陽極電壓的方法來達到調諧目的的磁控管，一般都在連續(xù)波狀態(tài)下使用。它的特點是調諧速度快、直線性好，而且調諧范圍寬，調諧寬度可以達到2:1、4:1，甚至20:1。第七十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

電壓調諧磁控管的結構如圖4.19所示。它有陰極，上、下陽極(實際是交叉指慢波電路)，在上、下陽極之間有一個陶瓷圓環(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，提供一個與陰極平行的軸向磁場。直接將上、下陽極環(huán)嵌入高度漸變的短形波導中，波導即作為能量輸出器。第八十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三電壓調諧磁控管與機械調諧磁控管的調諧特性有很大差別，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)。普通磁控管中的陽極是由N個小腔組成的高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，而相互作用空間內的電子導納的影響是次要的。在電壓調諧磁控管中，陽極是由低Q的交叉指慢波線組成，這種系統(tǒng)的儲能小，并且允許對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納的作用。

第八十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三由于電壓調諧磁控管中的頻率調諧是依靠調節(jié)電子注的參量來實現(xiàn)的，因此陰極發(fā)射電流的變化將對調諧特性產生顯著的影響，所以一般都采用直熱式陰極。電壓調諧磁控管一般都采用金屬陶瓷結構，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。因此，已被廣泛地應用于掃描振蕩器、遙測系統(tǒng)、電子對抗等設備中。第八十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2.10連續(xù)波磁控管

連續(xù)波磁控管在雷達上應用很少，但卻廣泛應用于家用微波爐、各種微波加熱設備和微波理療機中。家用微波爐磁控管生產數(shù)量巨大。小功率連續(xù)波磁控管(百瓦級)與脈沖磁控管相比，在結構上沒有多大差別．但千瓦級以上的連續(xù)波磁控管在陰極、輸能器結構、磁場等方面與一般的脈沖磁控管有較大的差別。連續(xù)波磁控管能在負載失配情況下工作，其供電設備簡單，一般用電磁鐵產生磁場。第八十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

4.2.11鎖頻、鎖相技術

1)鎖頻技術

磁控管的鎮(zhèn)頻技術可以使其應用于相干雷達系統(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效應以及溫度漂移和頻推、頻牽效應都可以用頻率鎖定得到明顯降低。為了提供鏤頻技術，磁控管具有比常規(guī)磁控管更低的品質因數(shù)Q的諧振腔，在一定的注入信號電平下