速调管

普通的电子管，是应用电子密度调制原理而工作的，由于电极的引线电感、极间电容以及电子惯性等的影响，不能用于很高的频率。在厘米波和毫米波段上采用速调管的地方很多。它的工作原理是利用改变运动电子的速度，然后再设法把它转变为密度的变化，并以此激励谐振腔产生振荡。

速调管有两类：直射式（双腔或多腔）和反射式（单腔）速调管。直射式速调管可实现振荡、放大及倍频等工作，输出脉冲功率可达几十兆瓦，功率放大倍数可达1百万倍，其工作频率在10000兆赫以下。常用于雷达、无线电多路通信微波发射机中。由于速调管的噪声较大，因此不宜作为接收机的小信号放大器。反射式速调管只用作振荡器，在超外差式接收机中作本地振荡信号发生器或在仪器中用来产生微波信号。它的最高工作频率可达90000兆赫。

从结构上区分，速调管可分为外腔式和内腔式两种。外腔式管的谐振腔需要根据工作频率另行制造配用。而内腔式则把谐振腔直接装在管内，因此，内腔式管本身就是一个放大器或振荡器。

这类管子的电子从阴极按直线飞达收集极，故称为直射式速调管。它的结构如图1所示，电路原理图如图2。它共包括五个主要部分：（1）阴极（电子枪），（2）输入和输出谐振腔，（3）输入和输出耦合环及传输线，（4）漂移空间，（5）收集极。

谐振腔的上下两个腔底是做成栅网状的，使阴极发射的电子在直流电压E的作用下能够通过两个谐振腔飞向收集极。要放大的信号通过同轴线和耦合环送进输入谐振腔，在输入腔栅网1和2之间产生高频电场。当这个电场的瞬间极性是栅网2为正，栅网1为负时，电子在通过谐振腔时将受到电场的加速作用，使运动速度增加。当高频电场为相反的极性时，对于电子的运动方向来说，是一个减速场，电子的运动速度将降低。在零电场时，电子的速度不受影响。因此，原来速度和密度均匀的电子飞过栅网2以后，它们的速度就不一样了，有的变快，有的变慢，有的速度没有变化。总的来说，电子的速度是被调制了。电子穿过栅网2以后，在没有电场力作用的漂移空间飞行，它们将以被调制后的速度作惯性飞行。速度快的电子向前赶，速度慢的电子落在后面，原来密度均匀的电子流就会聚成一簇一簇的，如图2中所示（图中用点表示电子）。所以输入腔也称为“调制腔”或“聚束器”。为了更清楚地了解运动的电子经过速度调制后的聚束过程，我们用图2右边的时间一空间图来作进一步的说明。图中的纵座标s是电子飞出输入腔以后的运动路程，U\(_{～}\)是栅网2对栅网1的高频电压，横座标是时间。先看看t1到t\(_{3}\)这段时内内掠过栅网的电子的运动情况。由于电子在漂移空间是以恒速运动，所以他们所走的距离和时间的关系是一根直线。最先出发的电子a（当然不止一个，而是一些），在栅隙内正遇着最大的负电场，因而飞过栅隙后其速度最低，飞越漂移空间需要的时间最长，因而直线较倾斜。中间出发的电子b则在高频场为零时飞过栅网，故不受高频场影响，仍以原来速度飞行。最后出发的电子c在高频场为正最大值时飞过栅网，所以它以最大速度射入漂移空间，飞越同样距离L所需的时间最短，直线较陡。从图中可以看出，它们飞越一段距离L后会聚合在一起。在t1-t\(_{3}\)内其它时间飞入漂移空间的电子，经过距离L后，也将以电子b为中心聚合在一起，这种现象称为“群聚”，电子b称为“群聚中心”。但是电子d的情况却不同，比它早些时间飞出栅网2的电子c则赶上了电子b,晚些时间（t5）飞出的电子则向下一群聚中心聚集。所以在电子d附近的电子数目很少，故称为“疏散中心”。容易看出，群聚中心和疏散中心是交替出现的，它的频率和输入高频信号相同。这样受到速度调制的电子就变为密度调制的了。

输出谐振腔正好放在电子聚束得最好的地方，在不同时间射入输出腔栅网的电子密度是不同的。当群聚中心穿过栅网3和4的间隙时，相当于一个很大的脉冲电流激励输出谐振腔，而输出谐振腔的谐振频率和输入谐振腔相同，因而产生振荡。这和普通电子管屏极电流脉冲激励其输出谐振回路产生振荡的情况相似。输出谐振腔高频振荡的相位是这样的：即当电子群聚中心通过时正好是栅网4为负、3为正，对电子来说是一个减速场，电子能量减小，它们把大量能量交给了高频电场。而当疏散中心通过它时高频电场极性正好相反，是一个加速场，电子从高频电场吸收能量，但这时电子很少，吸收的高频能量也很少。总起来说，输出谐振腔得到的能量多，付出的能量少，因而能够得到放大的高频信号。所以输出腔也称为“获能器”。这些能量是直流电压E所供给的。而通过输入腔的电子情况就不同，它的密度是均匀的，虽然高频电场也在变化，电子有时从高频场吸取能量，有时付出能量给高频场，但是它们所付出和吸收的能量可以认为是相等的，因此在输入腔内，电子的速度虽然受到调制，但是高频能量并没有消耗。所以总的看来，高频能量是增加了。放大后的信号从输出传输线传输出去。同输出腔作用完毕的电子打在收集极上，产生热能消耗掉它们剩余的能量。这就是速调管放大的基本原理。

如果把输出腔调谐于输入高频信号的某次谐波，那么，速调管就可作为倍频器。若把输出和输入传输线适当地耦合起来，速调管就成为一个自激振荡器。

这种管子只有一个谐振腔，运动的电子通过谐振腔后受到反射极负电场的作用，又被反射回来，并在同一栅隙内实现电子的群聚和换能作用，故称反射式速调管。这种管子只作振荡器用。一种内腔式的反射速调管的结构剖面如图3所示。图4是这种管子的电路符号和说明其工作原理的时间一空间图。加在谐振腔上的直流电压E用来加速电子并使它获得能量。在反射极上加有比阴极为负的电压Ea。谐振腔与反射极之间的空间为反射空间。电子在此空间内受恒定减速电场作用并折返谐振腔栅隙。经相互作用后的电子落于栅网1上完成通路。下面谈谈谐振腔和电子是怎样相互作用的。

电子从阴极发射后即受电压E的加速作用，以相同的速度射入栅网1。假设谐振腔已经建立振荡（在开始时是自由振荡），并用U\(_{～}\)表示栅网2对栅网1的高频电压。于是，在不同时间飞越栅隙的电子将受到不同的高频场作用，以不同于射入时的速度离开栅网2并进入反射空间。参阅图4，在t1掠过栅隙的电子a受到正最大值的高频场作用，其速度增加。因此，电子a射入反射空间的距离最大。但它被减速场的制动而作瞬间停住后再折返谐振腔。电子a掠过反射空间的时间是最长的。此现象与人们在自然界中把物体作上抛运动的情况相似，当用力愈大时则抛得愈高，而且经历的路程也愈长。

而在瞬时T\(_{2}\)掠过栅隙的电子B，因为这时的高频场为零，故其速度未受高频场影响，并经反射空间后折返栅隙。在瞬时t3掠过的电子C受到负最大值的高频场作用，速度降低了，故其射入反射空间的距离最小，掠过此空间的时间也最短。

从图4容易看出，尽管电子a比电子b早些时间出发，但是由于它在反射空间耽搁的时间最长，电子c虽然出发得最晚，但是它在反射空间耽搁的时间最短，因而在t\(_{1}\)～t3这段时间内出发的电子，可以在同一时间内折返栅网。它们以电子b为中心而产生群聚。而在t\(_{4}\)出发的电子d则相应地为疏散中心。并且，群聚和疏散中心交替地出现着。

适当地选择反射空间的长度L、加速电压E和反射极电压E\(_{a}\)的数值，使群聚中心附近的电子在U～为正最大值时返回栅隙。在此情况下，电子在栅隙内将遇到减速电场而交出能量，并且因为电子数目最多，故所交出的能量也最大。而相应的疏散中心则在高频场为负最大值时返回，这些电子在栅隙内将吸收高频能量。但是，因其数目最少，所以吸收的能量也最小。因此，从一周期的平均效果来看，电子付出的能量大于吸收的，使谐振腔不断地获得能量以维持振荡。电子的能量乃取自加速电源E。因为没有电子打在反射极上；故不存在电流，也就不需要反射极电源付出能量。至于从阴极出发第一次穿越栅隙的电子，因其密度是均匀的，像在双腔管中的电子穿越栅网1和2的情况相同，这类电子不消耗高频能量。

产生的微波振荡能量通过输出耦合环和同轴线引出。图3中的调谐螺钉用来改变栅网之间的距离（相当于谐振腔的电容），在一定范围内可变化振荡的频率。（瑶琪）