1、第第 4 章章 正交场微波管正交场微波管 制 作：居 腾 讲 课：李晓帆 答 疑：李 松 2011.10.05 本章目录 4.1 引言 4.1.1 显著特点 4.1.2 发展简史 4.1.3 分类与应用 4.1.4 在不断创新中发展 4.2 磁控管 4.2.1 结构 4.2.2 工作原理 4.2.3 主要特性 4.2.4 工作特点 4.2.5 同轴磁控管 4.2.6 信标磁控管 4.2.7 捷变频磁控管4.2.8 毫米波磁控管4.2.9 电压调谐磁控管4.2.10 连续波磁控管4.2.11 锁频、锁相技术 4.3 放大管 4.1 引言 4.1.1 显著特点 前面提到的速调管、行波管是一类线性注
2、微波管(或称“O”型器件)，其外形通常设计成直线形，所加磁场方向与电子运动方向是平行的，电子流将其动能转换成高频能量。本章介绍正交场微波管(或称“M”型器件)，其外形通常设计成圆形，所加直流电、磁场方向与电子流运动方向是相互 垂直的，电子流将位能转换成高频能量。典型情况下位能约为用于与波同步的动能的10倍，因此这类微波管的效率很高，最高可达80以上。这类微波管有磁控管和正交场放大管等，是雷达发射机、电子对抗技术、线性加速器、微波加热等领域的主要微波功率源。4.1.2 发展简史 20世纪20年代初，贺尔首先发明了磁控管。40年代初研制成功有实用价值的多腔磁控管，如图4.1所示。第二次世界大战期间
3、，由于雷达技术的需要，各国均集中了大量人力、物力从事磁控管的研究与生产，使磁控管技术得到了飞速的发展，相继研制成功各类脉冲磁控管。50年代，在磁控管上增加一个输出端，发展出新的种类正交场放大管，如图4.2所示。60年代后磁控管又发展出同轴磁控管、捷变磁控管等扩展品种。4.1.3 分类与应用 正交场微波管可以分为振荡管和放大管脚人类，振荡管中主要有磁控管和“M型返波管；放大管中主要行分布发射正交场放大管和注入式正交场放大管，其分类见表4.1所列。正交场放大管具有相位稳定度高、宽频带、高效率、放大均匀等特点，同时其结构紧凑、体积小、重量轻、工作电压低、附加电源简单、费用低廉，这些良好的特性正吸引着
4、雷达和其他系统的设计师。表4.2列出了在相同功率下正交场放大管与行波管(或速调管)主要性能的比较。近10余年来，多注速调管得到了实际应用。多注技术大大降低了速调管的工作电压，使其工作电压和正交场放大管皋本相同。但多注速调管的结构复杂，制造成本更高，正交场放大管相比多注速调管仍具有综合性价比的优势。可以这样说，直到目前为止，还未能找到存综合性能及成本、可靠性等方面能与之匹敌的微波固态器件。尽管它在增益、信噪比等方面还未能赶上线性注微波管，但在效率、工作电压以及每单位体积或重量所产生的微波功率方面，却是线性注管所不及的。带宽方面，正交场放大管不如行波管，但优于速调管。因此，至今正交场微波管仍然是雷
5、达发射机、电子对抗技术、微波加热应用等领域中的主要微波功率源。如今正交场微波管已被广泛应用到军事和民用各个领域，其中的特种脉冲磁控管和毫米波同轴磁控管，主要用于雷达、导航、制导和电子对抗技术等领域；普通磁控管主要用于工业加热、医疗、食品工业、家用微波炉等领域。而正交场放大管则用于全相参雷达放大链作为末级功率放大管，主要应用领域在地面、舰载、机载等场合的高性能雷达系统，如监视和警戒雷达、防空雷达、舰载雷达、地空导弹系统相控阵雷达等。美国海军舰载“宙斯盾综合防空指捧系统中的ANSPY1四面体多功能相控阵雷达就是应用前向波放大管的最典型的雷达系统。雷达的每个天线阵面使用8只前向波放大管合成功率输出，
6、这8只放大管又由1只前向波放大管推动，雷达合计使用36只相同的前向波放大管同时工作。前向波放大管使得雷达获得了强大的功率能力，ANSPY1雷达至今仍是美国最先进的、功能最强大的舰载相控阵雷达。4.1.4 在不断创新中发展 正交场微波管的研制工作已经经历半个多世纪。50多年来，这类器件在不断创新中显示出强大的生命力。创新包括两个方面：一是找到新的应用领域，如把正交场微波管作为微波源，广泛用于食品工业、木材烘干、橡胶硫化、石油脱脂和微波热疗等方面。由于开拓了新的应用领域，正交场微波管的总销售量还在逐年递增。二是不断有新的技术突破，如为了克服正交场放大管增益低的缺点，研制成功阴极激励放大管，它是将高
7、频激励功率从阴极输入(阴极也做成慢波线)，以便在阴极表面建立起高频场，较少的输入功率就可以使阴极启动，从而可大大提高管子增益。雷声公司在1975年研制成功第一支阴极激励的泊管，达到的主要技术参数为：S波段，输出脉冲功率为1MW，增益大于30dB，工作带宽为 8，效率为78。1987年又研制了阴极激励前向波放大管，其主要技术参数为：S波段，输出脉冲功率为1Mw，增益大于30dR，工作带宽为 12，效率为80。阴极激励技术还可以进一步提高信噪比，如将高频激励信号同时送人阴极和阳极慢波线，其信噪比可达70dB/MHz。为了减小同轴磁控管的脉冲前沿抖动，开展了模式抑制技术，包括各种吸收负载性能的研究；
8、为了提高频率稳定度、降低频温系数，研究采用介质外腔；在同轴磁控管上加装伺服电机和频率读出电路，可大大简化雷达接收装置，使应用这类器件的雷达具有强的抗干扰能力；为了进一步提高同轴磁控管的频率稳定度和频谱纯度，使之适用于全相参雷达体制，研究同轴磁控管预触发注入锁频技术，即将一个频率纯度和稳定度很高的小功率微波信号注人到磁控管中，当满足一定条件时，磁控管振荡频率将具有与注人信号同样高的频率稳定度和频谱纯度。由于预触发信号的作用，管内的各种频率模式和相位噪声均得到了抑制，高频包络的前沿抖动减小，减少了起振模式的竞争，改善了起振特性。正交场放大管也是一种很有发展前景的大功率毫米波器件，8 mm前向波放大
9、管已达到如下参数：在1500MHz的工作频带内，输出脉冲功率为50kw，平均功率为200w，增益为18dB。该管慢波线用不等长度谐振裂缝慢波结构，具有较高的机械强度和良好的散热能力，易于加工。管子工作于TE01模，整管设计成反同轴结构(即阴极在外，围绕着阳极慢波电路，因此大大增加了阴极发射面积，有效降低了阴极发射电流密度，延长了工作寿命)。下面介绍磁控管和正交场放大管的基本结构、工作原理和特性等方面的一些基本知识。4.2 磁控管 4.2.1 结 构 磁控管的基本结构包括：阳极谐振系统、阴极、能量输出装置、频率输出装置、频率调谐机构和磁路系统。阳极谐振系统是由许多单个谐振腔组成的首尾相连的谐振腔
10、链；阴极是发射电子的电极，通常做成圆筒形并与阳极谐振系统同轴放置；能量输出装置的作用是把存储在谐振腔内的高频能量耦合传输到外负载；频率调谐机构是用于改变磁控管频率的装置；磁路系统是用以保证提供磁控管合适磁场强度的系统。磁控管的结构 如图4.3所示1)阳极谐振系统 阳极谐振系统决定磁控管的振荡频率和频率稳定度，它储存着由电子与高频场相互作用所产生的高频能量，并通过能量输出器把大部分高频能量馈送给负载。其结构有很多类型，最常见的几种磁控管阳极块结构如图4.4所示。其中(a)、(b)、(c)、(d)是同腔系统，即每一个小谐振腔的截面形状和尺寸都是相同的；(e)、(f)、(g)、(h)是异腔系统，即具
11、有大、小两组谐振腔。2)阴极 阴极是磁控管的重要组成部分，它是电子流的发射体，被称为磁控管的心脏。阴极质量的好坏不仅影响磁控管的寿命，而且还影响输出功率和工作稳定性。阴极表面二次电子发射系数不均匀或者过小，就会引起管子工作不稳定、打火和跳模。因此要求阴极表面光滑，二次电子发射系数均匀且足够大。在磁控管中，由于电子回轰阴极，使阴极温度升高，同时阴极不断受到高能电子和离子的轰击，所以还要求阴极能耐电子和离子轰击，导电、导热性能要好。阴极种类繁多，在磁控管中常用的有普通氧化物阴教、改进型氧化物阴极(如镍海绵氧化物阴极、CPC阴极等)、钡钨阴极(如铝酸盐钡钨阴极、钨酸盐钡钨阴极和钪酸盐阴极等)。在大功
12、率脉冲磁控管中可采用氧化钍金属陶瓷阴极、氧化钇金属陶瓷阴极镧钨或镧钼阴极等。在大功率连续波磁控管中，一般都采用纯钨阴极。3)能量输出器 能量输出器是将磁控管产生的微波功率由谐振腔耦合传输到外负载去的装置，它一般由阻抗变换器和输出窗两部分组成。其结构如图4.5所示。常用的能量输出器有同轴型、同轴波导型、波导型三种。4)调谐机构 用于改变磁控管振荡频率的一整套装置称为调谐机构。磁控管的振荡频率取决于谐振腔的等效电容、电感。采用机械运动的方法或电的方法去改变谐振腔的等效电容、电感，都可以改变磁控管的振荡频率，其中前者称为机械调谐；后者称为电调谐。机械调谐(如叶片调谐、液压调谐、旋转调谐、音圈调谐、压
13、电抖动调谐等)的调谐频带可达10带宽；但调谐速率慢、寿命和可靠性较差。电调谐(如PIN二极管调谐、倍增放电调谐、铁氧体调谐等)由于避免了移动元件在真空中的运动，调谐速率比机械调谐快，可以实现脉间或脉内变频(郎一个脉冲持续时间内的频率变化)有较高的可靠性；但调谐频带窄，通常只有 12带宽。5)磁路系统 磁路系统包括磁钢和导磁回路，它提供磁控管相互作用空间(由阴极与阳极谐振腔组成的空间)所需的磁场。磁钢可分为永久磁铁和电磁铁两种形式。永久磁铁在使用时不消耗功率，具有矫顽力高和磁能积大的特点，所建立的磁场有较高的可靠性和稳定性，磁控管大多采用永久磁铁。电磁铁的体积和质量较大，还需要直流励磁电源等附加
14、装置，但它具有磁场强度调整方便的优点，通常用于磁控管热测和实验室中。现在使用最多的永久磁铁的磁性材料，是钐钴类和铝镍钻系。4.2.2 工作原理 从电视原理上来说，磁控管是一种特殊的二极管，在阳极和阴极之间加有电场和磁场，电场的方向是径向的，磁场方向与电场方向相互垂直。电子由阴极发射出来，进入由阳极和阴极组成的空间(称为相互作用空间)，受到正交的电、磁场作用，作旋转运动，回旋运动的电子流又激发谐振腔链谐振，产生高频交变电磁场，其分布如图4.6所示。高频场进一步与电子相互作用，使电子流“群聚”成电子轮辐，如图4.7所示。当电子轮辐处于高频减速场相位时，电子流就会将外加电源处获得的能量转换为微波能量
15、，最后打到阳极上，形成阳极电流。至于在高频场作用下，电子如何“群聚”，怎样保持电子轮辐处于高频减速场相位并与场同步运动，这些与工作原理有关的重要概念将在下面进行介绍。1)电子自动相位聚焦和电子自动挑选 高频波在互作用空间建立起高频场，在某个瞬间看到一个高频周期的图像如图4.8所示。图上标出了4类代表性电子。图4.8下半部分图中画出4类电子初始位置的直流电场和高频电场的矢量和。作用在第一类和第3类电子上的高频场只有径向分量 ，合成电场 的大小变了，但方向不变。因为电子的平均速度是 ，第1类电子的 变小了，相对 速度减慢。第3类电子E变大了，相对 速度加快。都向第4类电子靠拢。rEErE/eVE
16、BE0/EB0/EB 同理，可以判断从第3类到第4类到第1类这12周期中的所有电子都向第4类电子汇聚，汇聚在相位对能造交换最有利的地方，第4类电子为聚焦中心，第2类电子为散焦中心，这就是所谓的电子自动相位聚焦。作用在第2类和第4类电子上的高频场只有切向(角向)分量巨，合成电场E的方向改变。因为电子运动方向取决于EB的方向由EB得知第2类电子走向阴极，第4类电子走向阳极。同理，可以判断从第1类到第2类到第3类这12周期中的所有电子都走向阴极，从第3类到第4类到第1类这12周期中的电子都走向阳极。这就是所谓的电子自动挑选。2)形成电子轮辐 电子流一旦建立，处于有利相位(对能量交换而言)的电子在环绕
17、阴极运动过程中逐渐移向阳极，由于相位聚焦作用而群聚，在互作用空间中形成所谓的电子轮辐。轮幅的边缘和高频电场的等位线吻合。电子轮辐以极高的速度旋转着，平均旋转速度也是 ，等于高频波的相速度 ，即 (为高频波角频率，为相位常数)，这就是所谓的电子与波同步。轮辐的运动方向和直流电场和磁场都垂直。轮辐中的电子不断由阴极走向阳极，把位能交给高频波，使高频波得以增长。同步速度决定于 ，而位能为 ，很小，典型值为0.1，位能是动能的10倍，这就是正交场管取得高效率的原因。/eVE B/E B 0eVaeV0/aVV3)同步条件 在能量交换过程中，行波管同步条件 会遭到破坏，而正交场管不会。在能量交换过程中，
18、行波管电子注的速度减小，动能降低，把动能交给高频场，以致速度不断变慢，会失去同步。正交场管同步速度在切向，而能量交换时电子是径向运动，是两个不同方向的速度分量，所以位能转换是不会影响同步关系的，这也是正交场管高效率的原因。4)模振荡 磁控管的阳极块由个腔组成复合谐振腔链，当谐振时，相邻腔之间的相位差为 (4.1)式中，n=0，1，2，称为模式数，即一个圆周场分布有多少个波的变化；N是谐振腔链的腔数，通常是偶数。从式(41)可见，对应不同的n，不同，相应于不同的振荡模式，因此磁控管中有许多振荡模式，其中n=N/2，相位差 的模式称为模。理论和实践证明，模振荡是工作最稳定的模式，也是电子相互作用转
19、换效率最高的模式，大多数磁控管都是工作在模式。2/nN 4.2.3 主要特性 4.2.3.1 阳极电压 磁控管实际工作时，加在管子上的电压称为阳极电爪。只有阳极电胍在一定的区域，磁控管才能稳定地工作。当阳极电压提高到截止电压以上时，从阴极出来的电子商接打到阳极上，这时虽有阳极电流，但无能量交换过程，所以管子不能产生自激振荡，磁控管只能工作在如图4.9所示的三角形区域内(打斜线的区域)。1)截止电压 当磁场一定时，存在一个电压 ，当阳极电压 时，电子直接打上阳极，磁控管就不能工作，因为这时电子没有与高频场交换能量。称截止电压。截止电压与磁场舶关系曲线称为截止抛物线，如图4.10所示，磁控管只能工
20、作在截止抛物线以下。CUCUACUU2)门槛电压 当磁场一定时，存在一个电压 ，当阳极电压 时，电子径向动能大于0才能到达阳极，产生阳极电流，管子才能工作。称为门槛电压(又称阈值电压)。门槛电压的物理意义在于：当阳极电压低于此值时，相互作用空间电、磁场尚不足以使电子到达阳极，因而也无法使得高频振荡增长，并达到稳定状态；当 时，管子开始自激。图4.11给出一个八腔磁控管的门槛电压，门槛电压为一直线，它与截止抛物线只有一个公共的切点。AtUUtUtUAtUU 4.2.3.2 工作特性 工作特性就是在磁控管外负载不变并与传输线匹配情况下的伏安特性曲线，也就是表示输出功率、磁场强度、效率和频率作为参变
21、量的阳极电压 与阳极电流 之间的关系，并在 平面坐标上画出，如图4.12所示。图中，实线表示等磁场线；虚线表示等效率线；点划线表示等功率线。AUAIAAUI 工作特性曲线对选择磁控管的工作点是很重要的，通常磁控管的工作点都选择在曲线的右上方区域，该区域内功率大、效率高。4.2.3.3 负载特性 负载特性是指在磁场和阳极电流保持恒定的条件下，输出功率和频率随负载变化的相应关系。通常以等功率线和等频率线的形式画在极坐标的负载导纳圆图上。负载特性图又称为雷基图，如图4.13所示，它表示管子的工作稳定性。4.2.4 工作特点 (1)磁控管工作时，一般是阳极接地，阴极接负高压。在热丝和阴极引出线处会有一
22、定的高频能量泄漏出来，对人体是有害的。在。它的周围也不宜安装功率容量小的元件，如果非要安装不可时，应该屏蔽起来，但必须特别小心，因为阴极带有负高压。(2)磁控管严禁空载加高压。工作时必须要有正常负载，其负载的电压驻波比应小于或等于1.5，否则应有隔离器。功率馈线的频带宽度应大于管子的频带宽度，否则会使管子的工作性能下降，并会引起磁控管内因过高的驻波电压而打火，造成管子损坏。磁控管的输出功率是在负载（即电压驻波比1.1情况下测得的，失配情况下测得的功率会减小。）(3)所加磁控管的热丝电压要符合规定的数值。热丝电压低，阴极达不到正常工作温度，会影响阴极的电子发射，使管子工作不稳定，输出功率也将减小
23、；热丝电压过高，阴极温度过热，也会使管子工作不稳定。热丝电压过高或过低，都会缩短管子的寿命。由于磁控管的阴极有电子回轰现象，所以当阳极电压加到额定值后，应降低热丝电压至规定值，以免阴极过热。阴极引线和热丝引线不得接错，一般负高压引线应接在阴极端标有“K”字标志的一侧，如果负高压接在热丝一端，阳极脉冲电流将流经热丝，使热丝寿命缩短。(4)安装磁控管时，应使用无磁工具，因为铁磁物质的工具接触磁钢时会使磁钢退磁。要防止磁控管靠近测量仪器，以免影响测量精度，也不要将机械手表靠近磁控管。4.2.5 同轴磁控管 同轴磁控管是在普通磁控管谐振腔的外面增加一个有稳频作用的同轴外腔，内腔不需用隔模带，而采用新的
24、模式抑制原理。在同波段、同功率情况下，同轴磁控管的内腔腔数可以比普通磁控管多。阳极和阴极的半径大，从而增大了功率容量，减小了阴极发射电流密度，可以有更长的寿命。同轴磁控管的电子频移、频率牵引比普通磁控管小得多，频谱特性好，频率稳定度约比普通磁控管高2个数量级。同轴磁控管的调谐是在高Q同轴腔中进行，所以调谐方便、结构简单、频带宽、工作稳定。同轴磁控管适用于频率稳定性要求较高的动目标显示雷达、机动性强的机载雷达、舰载雷达以及精密测量雷达等。在波长较短、功率较大的情况下，宜选用同轴磁控管，尤其是对毫米波大功率器件，同轴磁控管是优选管型。，红毫米波段，同轴磁控管比普通磁控管的几何尺寸大得多，易于实现；
25、而S波段以上的器件，由于同轴磁控管的体积、重量过大，不宜采用。同轴磁控管的谐振腔是一个复合腔，分为内、外两个腔，即在内腔(相当于普通磁控管的谐振腔)的外面增加一个同轴腔(通常称为外腔)，在内腔中心放置一个阴极，其基本结如图4.14所示。4.2.6 信标磁控管 (1)信标磁控管是一种小体积、小质量(约200g500g)、小功率(脉冲功率200W1500W)、低电压(3000v)、耐冲击、耐振、频率稳定、能承受苛刻环境条件的小塑脉冲磁控管。(2)信标磁控管的频率稳定度高，比普通磁控管约高1个数量级，它的阳极部件采用热膨胀系数很小的材料(如钼材料)，管子使用了陶瓷介质调谐、高矫顽力磁钢及温度补偿材料
26、，结构紧凑、可靠。(3)可采用温度补偿和磁性材料补偿技术，使其频温系数为普通磁控管的1/10；采用阴极快热技术，可使信标磁控管的预热时间小于10s。信标磁控管主要用于导弹小型脉冲应答机、导弹无线电控制仪、导弹定高控制系统、机载引导应答器、导弹空地寻的器等武器装备上。在信标磁控管的研制过程中，又研制成功正阳极信标磁控管和注入锁频信标磁控管等品种。正阳极信标磁控管的主要特点是：阳极不接地而接正脉冲高压，阴极接地。由于阴极和极靴处于同一电位，并工作于地电位，互作用空间的电子不会往极靴的端部空间跑，因此不用屏蔽帽，可以使磁场更均匀，使场形扰动降到最小，又可以缩短极靴间高度，减小磁铁的重量和体积。正阳极
27、信标磁控管的频谱特性、脉冲前沿抖动、频推和工作稳定性可以和同轴磁控管相媲美。其基本结构如图4.15所示。注入锁频信标磁控管，是在信标管起振前，先注入一个小的高频信号，使管内的电子预先群聚，提供迅速而协调的启动，显著降低启动期的噪声和频率抖动，可使频谱噪声功率降低30dB，而且在快的上升时间也不会引起管子跳模，可以运用于相干放大链。如图4.16所示，注人一个小信号，可以输出一个同样频率、同样稳定度的大信号，这相当于一个放大器，放大增益一般可达11dB。图中，注入功率约为20W，脉冲输出功率约为250W，增益大于10dB，这种相参应答机的频率稳定度取决于本振频率，一般可达 以上。910 4.2.7
28、 捷变频磁控管 (1)捷变频磁控管的发射频率可以在一个很宽的范围内以很高的速度跃变，可以使每一脉冲都得到与前一个脉冲不同的和不相关的发射频率。它除了能提高雷达的抗干扰能力以外,还可以增大雷达的作用距离，提高雷达的跟踪精度，提高目标分辨力，增强抑制海浪杂波能力。(2)捷变频磁控管主要用于将原来普通磁控管式雷达改装成非相参频率捷变雷达。改装时，原雷达的调制器和接收机的大部分、天线、随动系统、定时器、显示器等均不需要重新制作，只需将原磁控管换成捷变频磁控管，本振改为快速调谐本振，频率自动调谐系统改为快速频率自动调整系统，馈线部分进行相应的改装即可，因此可以达到研制周期短、成本低、见效快的目的。据报道
29、，研制一部非相参频率捷变雷达的费用仅为研制一部全相参频率捷变雷达的1/10。如果采用一整套特殊的电路，还能实现自适应频率捷变，则可克服非相参频率捷变雷达捷变方式不够灵活的缺点，使之具有与全相参频率捷变雷达一样的灵活性。(3)捷变频磁控管的调谐方法，主要有机械调谐和电调谐等方式。机械调谐的带宽一般可达510。宽频带捷变频磁控管，大多采用旋转圆柱筒调谐技术，如图4.17所示。这种调谐方法，是在磁控管谐振腔的根部挖了一条环形的调谐槽，槽的深度约为阳极高度的12，将圆柱筒调谐器插人调谐槽内，插入部分的侧壁上开有一系列径向排列的小孔(通常称为调谐孔)，孔的数目等于谐振腔数。当圆柱筒调谐器相对于阳极谐振腔
30、高速旋转时，小孔改变了相邻两腔磁力线的路径，从而改变了谐振腔的等效电感，引起振荡频率的快速变化。圆柱筒旋转时，磁控管的振荡频率产生类似于正弦的周期性变化，如图4.18所示。由于磁控管发射脉冲的宽度与频率调制周期相比十分短促，在各个脉冲的持续时间内，发射频率几乎不变。适当改变伺服电机的转速(即改变磁控管频率调制周期)，就可以使每一脉冲都得到与前一个脉冲不同的和不相关的发射频率，从而实现脉间变频。如果能利用编码信号或随机噪声源来控制电机转速，就可以得到随机的发射频率。同样，如果能适当改变电压脉冲的触发相位或脉冲重复周期，也可以实现随机脉间变频。电调谐的带宽只有12，但它的调谐速度更快，可以实现脉内
31、变频(即一个脉冲持续时间内频率的变化)。(4)捷变频磁控管具有调谐速率高、体积小、重量轻、效率高、成本低的优点，但它的频率稳定度不高，难以与动目标显示技术相兼容。(5)频率捷变技术已经在各种用途的雷达中得到广泛的应用，如捷变跟踪、火控雷达、地面防空雷达、舰载海上监视雷达、机载雷达、弹上导引头等。4.2.8 毫米波磁控管 毫米波磁控管的工作原理和基本结构同厘米波磁控管完全一样，只是由于波长短、频率高，带来了以下一系列新的特点。(1)尺寸变化对频率影响大。如果阳极直径变化0.01mm，频率将变化100MHz以上，所以要求加工精度高(加工公差在0.01mm以内)。(2)阳极功率密度大。例如一个脉冲功
32、率50kW的8mm同轴磁控管与一个脉冲功率1Mw的5cm同轴磁控管的阳极表面脉冲功率密度相当。热问题是研制毫米波管的关键技术之一。(3)阴极电流密度大。通常为厘米波管的5倍以上，阴极是决定寿命的重要因素。(4)模式干扰问题突出。由于毫米波波长短，管内结构中任何隙缝都可能使模式传输或模式耦合产生谐振，干扰模式的抑制十分重要。毫米波同轴磁控管是最实用的毫米波雷达发射管，毫米波雷达主要用于精密跟踪、精密测距、在高分辨力雷达中用于反导弹靶场识别、在低仰角双频跟踪雷达中探测超低空飞行目标。毫米波同轴磁控管还可作为辐射源，对地面进行扫描成像。8mm同轴磁控管用途很多。除常用在火控雷达、导弹寻的和引爆装置中
33、外，还可用在地对空警戒和船用导航雷达、机载雷达、低仰角精密跟踪测距双频雷达、指挥与控制系统中的测距雷达等。4.2.9 电压调谐磁控管 电压调谐磁控管是依靠改变阳极电压的方法来达到调谐目的的磁控管，一般都在连续波状态下使用。它的特点是调谐速度快、直线性好，而且调谐范围宽，调谐宽度可以达到2:1、4:1，甚至20:1。电压调谐磁控管的结构如图4.19所示。它有阴极，上、下阳极(实际是交叉指慢波电路)，在上、下阳极之间有一个陶瓷圆环和金属顶盘封接形成真空密封的外壳 在金属顶盘之间加有磁铁，提供一个与阴极平行的轴向磁场。直接将上、下阳极环嵌入高度渐变的短形波导中，波导即作为能量输出器。电压调谐磁控管与
34、机械调谐磁控管的调谐特性有很大差别，主要原因在于两种磁控管中采用了完全不同的谐振系统。普通磁控管中的阳极是由N个小腔组成的高Q谐振系统，因此，管子的振荡频率主要取决于这一系统的谐振频率，而相互作用空间内的电子导纳 的影响是次要的。在电压调谐磁控管中，阳极是由低Q的交叉指慢波线组成，这种系统的储能小，并且允许对所有的指有较重的加载，因此，振荡频率在很大程度上取决于其中电子导纳的作用。由于电压调谐磁控管中的频率调谐是依靠调节电子注的参量来实现的，因此阴极发射电流的变化将对调谐特性产生显著的影响，所以一般都采用直热式阴极。电压调谐磁控管一般都采用金属陶瓷结构，在体积、重量、耐振、耐高温及高可靠性等方
35、面都具有很明显的优势。因此，已被广泛地应用于扫描振荡器、遥测系统、电子对抗等设备中。4.2.10 连续波磁控管 连续波磁控管在雷达上应用很少，但却广泛应用于家用微波炉、各种微波加热设备和微波理疗机中。家用微波炉磁控管生产数量巨大。小功率连续波磁控管(百瓦级)与脉冲磁控管相比，在结构上没有多大差别但千瓦级以上的连续波磁控管在阴极、输能器结构、磁场等方面与一般的脉冲磁控管有较大的差别。连续波磁控管能在负载失配情况下工作，其供电设备简单，一般用电磁铁产生磁场。4.2.11 锁频、锁相技术 1)锁频技术 磁控管的镇频技术可以使其应用于相干雷达系统中，不仅是在脉冲相干中振荡，而且脉冲刭脉冲的频率抖动效应
36、以及温度漂移和频推、频牵效应都可以用频率锁定得到明显降低。为了提供镂频技术，磁控管具有比常规磁控管更低的品质因数Q的谐振腔，在一定的注入信号电平下，可获得l3的调谐带宽。注入一个小高频信号，使电子预群聚，将磁控管锁定在注入信号频率上。频率锁定由把磁控管作为放大器工作来完成(图4.20)。注入信号在这样一个功率电平上，比磁控管高频输出功率低约10dB13dB。所以，利用固态激励器注入镇定信号对输出功率几百瓦壁级的磁控管是有吸引力的。表示锁频带宽如何取决于有效增益和磁控管外观品质因数的方程为 式中，为锁频带宽；为振荡的中心频率；为高频输入(注入)功率；为高频输出功率；为磁控管外观品质因数。2inE
37、outPffQPffinPoutPEQ 注入锁定放大器的有效增益由 这项给出，所以锁频带宽可以由降低增益(即增加注入功率)来增加带宽。在脉冲注入锁定系统打开期间，高频输出的起始相位由注入激励信号和磁控管预振荡期间产生的固有噪声矢量和确定。因为最初时注人信号比噪声大得多，启动相位主要由注入信号确定，前沿抖动大大降低。/outinPP 实际上，锁定带宽通常定义为这样的带宽，在这个带宽上磁控管的功率输出、调幅噪声和相位噪声参数保持在指定值中。这个带宽大约是理论方程给出带宽的75。由于阳极电流、负载电压驻波比和温度的变化会引起自激振荡中心频率的变化，因此产生的绝对频率范围可能还要小。减小频率漂移的一种
38、方法是采用双金属阳极结构；另一种方法是在阳极上采用变形的交叉指RF线路。2)锁相技术 采用低成本2450MHz波段的微波炉磁控管已成功地证明了可以多管阵列相位锁定为磁控管在多波束阵列和空间功率合成中的使用打下基础。锁相技术也已被提议用于2个60Mw磁控管的功率合成，获得了大于l00MW的高频输出功率。就像锁频技术一样，锁相技术使磁控管可用于放大器工作模式。锁相技术能使不同磁控管之间有足够精确的相位匹配，以保证它们可用于高功率波束阵列，于是电可控阵列可用磁控管并联获得很高的有效辐射功率。锁相技术磁控管的原理是用输入和输出之间的相差去重调磁控管，使它工作在注入频率上，同时仍然保持一个给定的相位关系。磁控管重新调谐的方法已经研究过了，它包括(1)机械调谐；(2)阳极电流变化(频推)；(3)负载电抗变化(频牵)。高频注入激励信号和高频输出之间的相应关系可写为 式中，为注入高频频率和磁控管自激频率之间相位差(弧度)；为两者频率的差。锁定范围被限制在相移为 范围中。1/2arcsin(/)EinoutfQf PPf90 锁相技术的系统用一个相位比较器来比较输入和输出相位(图4.21)。来自相位比较器的误差信号用于磁控管的重新调谐。4.3 放大管 4.3.1 基本结构谢谢欣赏！
