磁控管

磁控管是用来产生大功率超高频振荡的电子管。实际上它是一个阳极构造特殊的,并具有恒定磁场的二极管，多用在雷达或脉冲通信设备中产生超高频的大功率振荡，是近代雷达设备的“心脏”。

目前，用得最多的是多腔磁控管（本期封底是一种磁场分离式的磁控管的剖面构造图）。与其它超高频电子管相比，它具有功率大，体积小，效率高等优点。多腔磁控管分为两类：一类是产生脉冲波的；另一种是产生连续波的。前者的峰值输出有的可达10,000千瓦，后者的输出有的可达10千瓦。磁控管的最高工作频率有的已达120千兆赫（波长为2.5毫米）。

磁控管与一般电子管的区别之一是，它有一个与恒电场垂直的恒磁场。在我们说明磁控管的结构和工作原理之前，先谈一谈电子在相互垂直的电场、磁场作用下的运动情况。设有一个由圆环形阳极和圆柱形阴极构成的二极管（两电极之间的空间叫做相互作用空间）。若在两电极上加一直流电压时，则此空间就形成一恒定电场。于是从阴极发射出来的电子在电场的作用下，飞入相互作用空间。若相互作用空间不存在任何磁场（B=0），就和普通二极管一样，电子取径向途径飞往阳极，如图1a所示。当在相互作用空间里，加上一个较小的垂直进入纸面的恒磁场时，电子运动的轨迹就不再是直线了，电子在此磁场的作用下，按图1b的途径到达阳极。若把磁场逐渐加大，电子运动途径也逐渐弯曲，当磁场增大到一定程度（临界值B\(_{K}\)）时，电子运动途径与阳极内表面相切， 电子擦过屏极后即折返阴极（图1c）。电子没有打上阳极，电流本应等于零，但因电子在旋转时发生碰撞，致有小量电子撞上阳极而有较小的阳极电流。在磁场大于BK以后，电子在离阴极不远的地方就折返阴极。

由此可知，当外加恒磁场大于临界值时，电子不断飞出阴极旋转后又折返阴极。于是围绕阴极将有一环状的电子云在旋转（如图2所示）。而在电子云中的电子是阴极不断发射折回而又代之以新的电子。

多腔磁控管的结构一般如封底及图4所示，它包括五个主要部分；1）阴极及其引线，2）阳极及其谐振腔，3）输出耦合系统，4）阳极盖及调谐系统，5）磁铁或电磁铁。其中决定管子寿命的主要部分是阴极，它必须有足够的电子发射能力，其表面层能经受得起返回电子的轰击而不致脱落。阳极是一个环形的大铜块，并开有偶数个圆洞。每个圆洞开有一道缝隙与相互作用空间发生耦合，构成一个谐振腔。这种谐振腔相当于以带状线制成的单匝线圈与缝隙间的电容组成的谐振回路，并如图3所示。阳极谐振腔还有其他形状的，这里就从略了。

各个谐振腔之间通过磁力线实现很强的耦合（见封底左下）。磁控管就是以这种耦合形式进行振荡的，如不采取其它措施，根据谐振腔的结构，可能同时存在多种频率的振荡，这对磁控管的工作是很不利的。为此在结构上采取措施，用叫做“交连带”的导线把极性符号相同的阳极极靴（每隔一个）连接起来，这样就可使某种振荡最易产生，而其他型式的振荡很快就衰减，以保证磁控管工作稳定。

由于各谐振腔之间已存在很强的耦合，因此在某一谐振腔内用环耦合方式，就能把超高频振荡能量引出来，并通过一段传输线接到发射天线去。在波长较短（短于3厘米）时，亦可用一段波导管作为输出耦合系统。

对磁控管的相互作用空间应施加一很强的恒磁场，这一磁场可用永久磁铁或电磁铁来产生。磁铁可以是在管外附加的，也可以是嵌入式的，图4是一种用嵌入式永久磁铁产生恒磁场的磁控管。磁控管的阳极块上下尚有封盖，极块外还有多层的散热片。

当磁控管加上恒电场和恒磁场后，第一次在相互作用空间旋转的电子掠过各谐振腔缝隙时，将激励各腔产生自由振荡形成高频电磁场，这种情况和用嘴在一个笔套口旁吹气发声类似，不过这里的激励力量不是气流而是旋转电子云。谐振腔中某一瞬时的电磁场极性如图5所示。这一高频场需要由阴极发射的电子提供能量来维持，但是由阴极发射的所有电子并不都能向高频场提供能量，而有一部分电子反而从高频场吸收能量，这类电子叫做“有害电子”。图5中的电子A就是这种有害电子。当第1腔隙缝处的高频场处于如图所示极性时，将对电子A加速，因此电子就从高频场吸取能量。若隙缝不存在高频场时，电子A将按虚线的路径飞向阳极。但是，第1腔隙缝的高频场使得电子运动路径更为弯曲，并增大其能量。因此电子A能克服恒电场的作用而折回阴极。这类电子除吸取高频能量外，还打击阴极使它增加热量。在实用中，必须在磁控管建立振荡后适当降低灯丝电压，以免阴极过热损坏。此外还应把阴极表面做得很坚固，以防表面层脱落。

在图5中，电子B是有用的。当它掠过第2谐振腔隙缝时，电子被高频场减速，把能量交给谐振腔，而不再有足够的能量折返阴极。此电子在未到达阴极之前，在相互作用空间内的某一点上已完全失掉了能量。然后，又被恒电场重新加速，并受恒磁场的影响而又按弯曲路径飞向阳极。如果适当选择恒电场和恒磁场的大小，可使有用电子从一个隙缝飞越到下一隙缝的时间大约等于半个周期。即电子B飞近第3腔隙缝时，其高频电场即改变为如图5虚线符号所示的极性，则此电子再一次把能量交给第3谐振腔，并且又向阳极移近一小段距离。最后，电子把大部分能量消耗掉就撞在阳极上。上述讨论只是电子大概的运动情况，实际上，电子的真正运动情况是极为复杂的。

可以看出，由于有用电子多次把能量交给谐振腔，并且距离隙缝愈来愈近。而有害电子只是一次在距隙缝很远的地方吸取能量，并很快地折回阴极。因此，总的看来，运动电子给出的能量就大于吸取的能量，所以阳极整个谐振系统的自由振荡就可依靠电子提供能量而成为连续振荡，并通过耦合输出系统把高频能量引出。

参阅图5可知，第1、3……腔隙缝处的高频场的极性是相同的，因此各该处相互作用空间的电子都是有害电子，并且很快就脱离此空间返回阴极。同理，第2、4……腔隙缝处的有用电子可飞向阳极。因此，在整个相互作用空间内的电子将是不均匀的。处于高频减速场的空腔隙缝处的电子密度大，而加速场处的则小。结果，图2中的密度均匀的旋转电子云将变为如图6所示的不均匀电子云。并且，随着高频电场极性的改变，大密度的电子云按顺时针方向旋转。当恒磁场的方向调过来（自纸面向外）时，电子云则按逆时针方向旋转。从阴极发射的电子不断由阳极电源取得能量，并在飞越过程内转交给谐振系统。如前所述，恒磁场的作用只是改变电子的运动路径，以利于运动电子有效地与高频场进行能量交换，磁场本身并无能量付给电子。

实用磁控管的恒磁场是常加入的，在工作时一直接着阳极电压时，则为连续波振荡磁控管。若阳极电压以脉冲方式供给时，管子即产生脉冲形式的高频振荡，这种管子常用于雷达发射机中用来产生强大功率的脉冲信号。这两种工作方式的管子，因其阴极负载能力、阳极耗散功率、输出功率情况等都不相同，因此构造上的区别也很大，不能随意相互换用。

以上介绍的是普通的磁控管。最近，随着电子学的发展，基于外加磁场的原理，又发展研制成功同轴磁控管、泊管、反同轴磁控管以及小型磁控管等。（瑶琪）