普通电子管为什么不能工作于超高频段

无线电工程自长波通信开始，经历中波波段，逐步进到短波波段。随着人们对无线无线电波性质认识的不断完善，无线电技术的不断发展，目前已进入到超短波段和微波段，并向更短的波段前进。无线电工程所以有如此成就，是和电子管的发展分不开的。但是普通结构的电子管一般只能工作于30兆赫以下的短波范围内。当继续提高工作频率时，一般电子管便显示出许多缺点，如输出功率降低，工作不稳定，频率再高，普通电子管甚至就完全不能工作了。

普通电子管为什么不能工作于超高频波段呢？主要有以下几方面的原因。

图1是一般电子管的外形，它的屏、栅、阴极（a，g、k）必须通过管内引线才能与外电路连接。这些引线有一定的电感量，称为“引线电感”；而各金属电极之间也有一定的电容量，称为“极间电容”。它们都处在电子管内，是电子管本身所具有的。因此，电子管的电路图应如图2所示。其中a′， g′， k′分别是管外的屏、栅、阴极引线端，C\(_{ag}\)，Cak，C\(_{gk}\)代表相关的极间电容，La，L\(_{g}\)，Lk代表各电极引线的电感。尽管这些极间电容和引线电感都很小，在频率较低的时候，可以不去考虑。但是，当工作频率超过30兆赫时，它们的影响将趋于严重，电子管的工作情况将显著变坏。

在高频放大器里（图3），电子管内屏栅极间电容C\(_{ag}\)和阴极引线电感Lk的影响最为突出。由于C\(_{ag}\)的存在，屏极回路输出的高频电流将有一部通过Cag反馈到栅极的输入回路，在输入回路上产生电压降，当此反馈电压的相位合适而幅度足够大时，将会引起振荡。频率愈高，C\(_{ag}\)的容抗越低，反馈电流I反也将越大，就更会产生振荡，结果使放大器无法工作。特别是用高跨导电子管的高频电压放大器或大功率放大器，更易产生这种现象。管内引线电感L\(_{k}\)的存在，就相当于在阴极上串了一个电感，有一定的电抗，当屏流通过Lk时，所产生的电压降对输入电压来说是反相的，于是就产生负反馈作用。这种负反馈作用将使电压放大器的增益降低，或使功率放大器所需的激励功率增加，同样它的功率放大倍数也会减小。由于电感的电抗随频率的提高而加大，负反馈现象也将随频率的提高而更加严重。因此，电子管在较高频率下工作时，工作情况将大为恶化。

另外我们知道，电子管用作振荡器时，外部一般都接有由LC所组成的振荡回路（图3也可看成是一种调频调栅式振荡器电路），L、C数值的大小决定振荡器的振荡频率。L、C的数值愈小，振荡器所产生的振荡频率愈高。当L、C的数值小到等于零的极限情况，似乎振荡频率可以高到无穷大了。可是由于电子管内有极间电容和引线电感的存在，即使在栅极和屏极不外接任何元件而将屏、栅、阴极都短路的情况下，也能形成一个振荡回路。我们试将图2中屏、栅、阴（a′，g′，k′）三极短路后，就可明了。这三极直接短路后，就可得到如图4（a）所示的电路。此电路中的三个电感经过适当的阻抗变换后，即可等效为图4（b）。这样，电子管的屏栅、栅阴、屏阴之间都接有一个用极间电容和由引线电感变换后的电感所组成的振荡回路。通常，这种电路称为三回路振荡电路。由这些参量所决定的自激频率就是电子管的“极限频率”。如果在电子管外接入任何电感或电容，则因总的回路电感或电容量增加，其振荡频率只会下降，不会再比极限频率增高。因此，电子管只能在低于其极限频率下工作。

一般结构的电子管，它的电极尺寸较大，而且电极引线都集中在管底引出，这些金属导线之间也构成一定的电容量，故极间总的杂散电容量较大。另外电极引线也比较长。所以这类电子管的极限频率一般都在100兆赫以下。

在研究电子管内电子惯性的影响以前，让我们先看看电子管的性质和它的工作过程。

我们知道，普通电子管是依靠静电场控制电子运动进行放大或做其他工作的。然而，电子本身却不是电子管放大作用的能量源泉，它只起着把屏极电源的直流能量转换为高频能量的媒介作用。这转换过程是靠运动的电子来实现的。电子自阴极发射后，在电子管内的屏阴极间空间受直流电压E\(_{a}\)所建立的恒定电场作用，获得了动能并飞向屏极。但是，当电子经过栅极时，由于受到外加于栅极上的高频电压Ug的影响，使得飞达屏极的电子数目依栅极高频电压的规律变化。当U\(_{g}\)为正半周时，栅极放过的电子数目增多，屏栅极间的电子密度增加，使达到屏极的电子数目增加，于是屏流上升。而当Ug为负半周时，情况则相反，至使屏流下降。当没有高频电压时（U\(_{g}\)=0），屏流为一恒定值，此时，电子所获得的动量全部打击到屏极上变为热能使屏极发热（参阅图5）。由于屏流的变化是因屏栅极间电子密度变化和到达屏极的电子数目多少而引起的，因此，这种过程称为电子的“密度调制”。并且，电子密度变化的规律取决于栅极电位的变化情况，因而，这类电子管称为“静电控制”的电子管。

电子从屏极直流电源获得了动能，通过栅极的控制作用以密度变化的方式打上屏极，使屏极电流出现按高频电压U\(_{g}\)的规律变化的高频成分Ia（参阅图6）。此电流在屏极回路上产生高频电压降U\(_{a}\)，当栅极电位“上升”时（相当于Ua为正半周），屏流增加，使U\(_{a}\)增加。由于屏极直流电压是不变的，结果电子管屏极与阴极之间的电位将因Ua的增加而“降低”。反之则使屏极电位上升。这表明电子管放大器栅极与屏极上的高频电压是反相的。从屏极回路上得到放大了的高频电压输出。

但是，电子有一定的质量，因而也有惯性。电子从阴极飞到屏极需要一定的时间，此时间称为电子的“渡越时间”。理论与实验证明，电子的渡越时间是与电子管的极间距离成正比，而与加于电极之间的电压的方根值成反比的。一般电子管的电子渡越时间约为10\(^{-}\)9秒。实验指出，只有加于电子管电极上的高频电压的周期比渡越时间大得多时，它才能较为满意地工作。当工作频率低于100兆赫（即周期大于10-8秒）时，还可近似地认为电子是无惯性的。此时，电子能够在高频电压同一极性（例如正半周的某一瞬时）下飞达屏极，如实地反映出栅极电位变化的情况。但是，当工作频率高于1000兆赫（即周期小于10\(^{-}\)9秒）时，情况将大不相同。例如，当电子在栅极高频电压正半周的某一瞬间离开阴极飞向屏极时，由于高频电压的变化速度很快，电子还没有飞越栅极，栅极电压已由正半周改变到负半周。这样，电子在栅阴空间将受到栅极为负阴极为正的反向电场作用，除部分电子能克服此反向电场的斥力继续飞向屏极外，将有部分电子被折返阴极，这个现象称为电子的返回效应。返回效应使得电子不能如数地飞达屏极，于是屏流电流就无法正确地反映栅极的变化情况。也就是说由于电子的惯性的影响，使电子管失去电子密度调制的正常放大作用。此时，屏流下降，并且被栅极推斥返回的电子将不断轰击阴极表面，使阴极表面热量增加。工作频率愈高，高频电压极性变化愈快，返回效应愈严重，甚至会使电子管的屏流停止。

影响普通电子管工作于超高频段的另一个原因是，各种损耗都将随着工作频率的提高而增加。如绝缘材料的介质损耗，电极金属材料的集肤效应所引起的金属损耗，电极接线由于工作频率提高后就很接近于一个辐射电磁波的天线所引起的辐射损耗等，都随频率升高而增大。因此，普通电子管无法顺利地运用于超高频段。

针对普通电子管上述的一些缺点，人们设法在结构上加以改进。例如为了减小极间电容，尽量缩小电极尺寸，将电子管各电极的引线从管泡的不同的方向引出。为了减小电极引线电感，采用短而粗的金属引线，或改用圆盘形的电极。为了缩短电子渡越时间，尽量减小极间距离等等。从而出现了橡实管、灯塔管、陶瓷管等一些超高频电子管。但是这些电子管都仍然是脱离不开静电控制的原理，管内有着一个阴极、栅极和屏极，只不过在电极结构方面加以改良罢了。它们的工作频率也只能达到1000～5000兆赫。要继续提高频率就，只好设法采用工作原理不同于静电控制电子管的超高频电子管如速调管、行波管、磁控管了。（高频）