高压技术

    磁控管

    一、简介

    磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件。实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下,与高频电磁场发生相互作用,把从恒定电场中获得能量转变成微波能量,从而达到产生微波能的目的。同时,磁控管是一种消耗品,容易老化和消磁。

    磁控管由一密封真空管组成,管内有一柱形中心阴极(电子源),置于一柱形阳极里,电子被静电场吸引流至阳极。沿真空管轴的一稳定磁场使电子偏离其径向路程,绕阴极旋转,产生微波频率的振荡。广泛用于雷达发生器。

    二、发展

    早期的磁控管(负阻磁控管和回旋磁控管)由于效率极低,没有实用意义。1935年A.L.Samuel最早研制出多腔磁控管的模型。同年法国Camille Gutton用磁控管产生16厘米波长,11月29日德国人H.E. Hollmann注册了一项更为出色的多腔磁控管专利。而苏联却声称第一只多腔磁控管是苏联工程师Н.Ф.阿列克谢也夫和Д.Е.马辽逻夫于1936~1937年间制成的。1939年,英国物理学家H.A.H.布特和J.T.兰道尔制成了完全实用化的多腔磁控管。在第二次世界大战中,多腔磁控管广泛用于军用雷达发射机,发挥了很大的作用。到1945年,其工作频率已达30吉赫。一般所称的磁控管,即指多腔磁控管

    三、工作原理

    磁控管通常工作在π模,相邻两个谐振腔腔口处微波电场相位正好相差180°,即微波电场方向正好相反(图2)。虽然这种微波场为驻波场,但在π模的情况下,相当于两个相同的微波场在圆周上沿相反的方向运动,两个场的相速值相等。从阴极发射出的电子在正交电磁场作用下作轮摆线运动。调节直流电压和恒定磁场,使电子在圆周方向的平均漂移速度v=E/B正好等于在其方向上运动的一个微波场的相速v(式中E是直流电压在互作用空间产生的直流电场平均值,B为轴向恒定磁感应强度),电子就可以与微波场作同步运动。在同步运动过程中,处在微波减速场中的那部分电子将自己的直流位能逐渐交给微波场,并向阳极靠拢,最后为阳极所收集。这部分电子向微波场转移能量,有利于在磁控管中建立稳定的微波振荡,故称为有利电子。处在微波加速场的那部分电子从微波场获得能量并向阴极运动,最后打在阴极上。这部分电子称为不利电子。

    磁控管

    磁控管

    不利电子在回轰阴极时打出大量的次级电子,使互作用空间电子的数量因之增加。最大减速场区是电子的群聚中心。在它两旁的电子都受到向这个群聚中心靠拢的力而向群聚中心运动。最大加速场区是电子的散聚中心,附近的电子都受到背离散聚中心的力,分别向左右两边运动,转化为有利电子。


    磁控管

    磁控管

    这样,在振荡建立过程中不利电子越来越少,有利电子越来越多,并向群聚中心集中,逐步在互作用空间形成轮辐状电子云。这种处于不同相位下的电子在互作用空间自动群聚成轮辐状电子云的现象,称为自动相位聚焦。在互作用空间的微波场,随着远离阳极表面而指数衰减。因此,在阴极表面的微波场极弱,对电子的群聚作用极小,在阴极附近不会形成明显的电子轮辐,而是形成几乎均匀分布的电子轮毂。 磁控管在互作用空间的电子中有利电子占绝大多数,而且均在向阳极运动过程中,有利电子回旋的时间又较长,它们能够充分地将直流位能轮换成微波能量;回轰阴极的电子比较少,而且它们从阴极发射后不久就打在阴极上,因而从微波场吸收能量也较少。这样,互作用空间全部电子与微波场相互作用的总的效果是,电子将直流位能交给微波场,在磁控管中建立起稳定的微波振荡。

    四、分类和应用

    磁控管,按工作状态可分为脉冲磁控管和连续波磁控管;按结构特点可分为普通磁控管、同轴磁控管和反同轴磁控管;


    微波磁控管

    微波磁控管

    按频率可调与否,可分为固定频率磁控管和频率可调磁控管。频率可调磁控管又可分为机械调谐磁控管和频率捷变磁控管。另外还有一类借助改变阳极电压实现频率调谐的电压调谐磁控管。

    脉冲磁控管的工作脉冲宽度可在 0.004~60微秒范围内变化,工作频率范围在250兆赫至120吉赫之间,脉冲功率从几十瓦到几十兆瓦,效率可达70%,寿命可达几万小时。脉冲磁控管广泛用于引导、火控、测高、机载、舰载、气象等各种雷达中。

    连续波磁控管用于电子对抗、工业加热和微波理疗。功率在 400~1000瓦之间的廉价的连续波磁控管还广泛用于家用微波灶。为了不干扰雷达和通信设备的正常工作,医用、工业加热和烹调用磁控管的工作频率通常为915±25兆赫及2450±50兆赫。


    连续波磁控管

    连续波磁控管

    频率可调磁控管,特别是频率捷变磁控管能提高雷达的抗干扰能力。

    连续波磁控管

    电压调谐磁控管通常作为电子对抗设备的功率源,可提供几瓦到几百瓦的连续波功率。它具有调谐速度快、调谐线性好等优点。小功率电压调谐磁控管调谐范围可达2:1,4:1,甚至20:1,能大大提高各种雷达的电子对抗能力。它的主要缺点是输出功率不够大,不能用于雷达的电子反对抗措施。