標籤:微波器件

靠周期性地調製電子注的速度來實現放大或振蕩功能的微波電子管。

1簡介

在速調管中,輸入腔隙縫的信號電場對電子進行速度調製,經過漂移后在電子注內形成密度調製;密度調製的電子注與輸出腔隙縫的微波場進行能量變換,電子把動能交給微波場,完成放大或振蕩的功能。
速調管示意圖片

  速調管示意圖片

2發展

1937年,美國物理學家瓦里安,R.H.和S.F.瓦里安制出雙腔速調管振蕩器。反射速調管則是1940年由蘇聯工程師捷瓦科、丹尼爾捷維、布斯庫諾維和柯瓦連科分別研製成功的。

3分類

按照電子行進的軌跡,速調管分為直射速調管和反射速調管兩類,通常將直射速調管簡稱為速調管。
雙腔速調管
雙腔速調管僅有兩個諧振腔,即輸入腔和輸出腔。由電子槍產生的電子注首先到達輸入腔隙縫。輸入的微波信號經能量耦合器送進輸入腔,在諧振腔隙縫外形成微波信號電壓。在這裡,電子注受到微波場的速度調製,然後進入無場漂移管。在漂移過程中電子發生群聚,在電子注內形成密度調製。密度調製的電子注與輸出腔隙縫的微波場進行能量交換,電子把能量交給微波場,完成放大或振蕩的功能。
微波功率經能量耦合器送至負載。  
雙腔速調管增益僅為10分貝左右。為了提高增益,可以在輸入腔與輸出腔之間設置一個或多個中間腔,構成級聯放大器。這種速調管稱為多腔速調管)。引入中間腔還可以提高效率;若使各腔頻率略有差異,還可展寬頻帶。多腔速調管的特點是增益高、效率高、穩定性好、輸出功率大,缺點是頻帶窄。多腔速調管的穩定增益可達80分貝,效率最高可達75%,脈衝功率可達60兆瓦,連續波功率可達1兆瓦。頻帶一般僅有1%~2%,個別大功率脈衝速調管可達10%~12%。  
電子群聚 電子從陰極發射出現以後受到高電壓的加速,到達輸入腔隙疑時所有電子的速度是一致的。待放大的微波信號進入輸入腔,在隙縫上建立起微波信號電壓。隙縫上的電壓隨時間呈正弦變化。在不同時刻到達隙縫的電子,受到不同的瞬時電壓的作用。  
電子槍 速調管常用的電子槍有陰控槍、陽控槍、柵控槍、無截獲柵控電子槍和磁控注入式空心注電子槍(見行波管、強流電子光學)。  
諧振腔 常用的諧振腔有兩種:雙重入式圓柱形諧振腔和雙重入式角柱形諧振腔。圓柱腔用於固定頻率或調諧範圍小的速調管,利用電容片調諧。諧振腔可以裝在管外(外腔式速調管)或管內(內腔式速調管)。工作波長較長和頻帶較寬的速調管可做成外腔式。
速調管

  速調管

輸入腔或輸出腔通過能量耦合器與管外微波系統相接。簡單輸出腔的頻帶很窄,為展寬輸出電路的頻帶可採用濾波器型輸出電路和分佈互作用電路(分佈互作用速調管)或慢波電路輸出段(行波速調管)。  
聚焦系統 速調管常用聚焦方法有均勻永磁聚焦、周期永磁聚焦、均勻電磁聚焦和靜電聚焦。  
收集極 電子打在收集極上時,剩餘動能轉化為熱能。為導走熱量,大、中功率速調管收集極需要採用液冷、風冷或蒸發冷卻。  
直射速調管的應用 連續波放大速調管應用於對流層散射通信、微波接力通信、衛星通信地面站、電視發射機、機載與地面雷達、微波工業加熱及將能量變成微波形式進行傳輸。現代連續波放大速調管工作頻率分佈在220兆赫至36吉赫範圍內,輸出功率從幾百瓦至1兆瓦。
速調管

  速調管

脈衝放大速調管應用於雷達、帶電粒子加速器。現代脈衝放大速調管工作頻率分佈在 220兆赫至18吉赫範圍內,脈衝功率從1千瓦至60兆瓦。  
在直射速調管中,將一部分輸出功率反饋至輸入腔可構成振蕩器,用於參量放大器、導航台等。雙腔速調管可用於倍頻。

反射速調管

用來產生微波振蕩的單腔速調管。它的特點是結構簡單,工作可靠,體積小,重量輕,電壓低,可機械調諧和電子調諧,參數隨環境溫度變化小,抗輻射能力強。反射速調管輸出功率為10毫瓦至2.5瓦,工作頻率在800兆赫至220吉赫之間,機械調諧範圍為1%~15%(毫米波管達40%),電子調諧範圍為0.1%~1.0%。效率為20%~30%。反射速調管在結構上包括陰極、諧振腔、反射極
速調管

  速調管

和能量耦合器等部分。
電子從陰極發射出來,受到加速后穿過諧振腔隙縫。在隙縫外受到微波電場的速度調製,然後進入諧振腔與反射極之間的減速場(反射極電位負於陰極)。在減速場作用下,所有電子都將被反射回來。受到速度調製的電子注,在減速場內返轉運動過程中形成密度調製。當電子注再次穿過隙縫時,群聚的電子把能量交給腔體微波場以維持振蕩。振蕩功率經能量耦合器送至負載。電子被腔壁或其他金屬零件收集。  
反射速調管廣泛用於小功率信號源、振蕩器和各種微波設備,但因半導體器件的競爭,產量有降低的趨勢。儘管如此,在80年代初它仍是微波電子管中生產數量最大的一種管型。

4判斷速調管壽命終了的方法及原因

一、離子泵電流過大
發射機在開機后,未上高壓前,觀看離子泵電流表的數值.因為這時只有離子泵電壓和燈絲電壓,可排除其它因素造成讀數不準.如果離子泵電流指示大而且不回落,此時管子應該更換。但有的上機新管子離子泵電流大於20uA的,這時陰極處有磁鐵,將磁鐵去掉.如果繼續增長(約10gA左右),可判斷管子壞了。管子由於老化漏氣,造成管內充滿氣體,破壞了管子正常工作的條件.
高壓線很臟也會使離子泵電流表頭大於10g^.如果擦乾淨后還是很大,也說明管子漏氣了.
二、體電流過大
一般速調管的體電流小於50mA,當管子漏氣或散焦,體電流到100mA左右,正常情況下保護電路會動作.造成體電流過大,大致有以下幾種原因:
(1)聚焦電流故障,造成電子束散焦;(2)激勵過大,使速調管工作在飽和狀態;(3)電流過大電子束變粗;(4)運輸不當或安裝位置不處於水平,速調管有些變形或不直;(5)勵磁線圈不同心;(6)收集極或與其相連的器件觸地,也會造成體電流過大。從上可看出,體電流過大不一定是管子壞了,應首先檢查勵磁電源、聚焦等外圍電路,減小激勵.收集極對地電阻應為5Q—7Q,零或太大都不合適,有時只要換上合適的電阻,故障即可排除,用不著換管子. 體電流大於100mA,管子的增益很低.如果保護電路有故障而失去保護作用,散焦的電子轟擊管壁某處,使之溫度升高,管子有灼燒的痕迹.
三、注電流小
在正常的控制電壓下注電流相對較小。剛開機時還大一些,隨後越來越小.分析有兩種情況:(1)燈絲電壓過低,注電流就小.因電子被強行從陰極拉出,很容易將陰極拉壞,管子的注電流就下降;(2)管子使用壽命已超過廠家的標稱值(使用維護得當,壽命可達幾萬小時),陰極發射能力下降,增益低不能滿足播出要求。
四、一腔增益低
影機頻響曲線中間凹陷,怎麼也調整不好,增益降低.圖像輪廓模糊,色彩不鮮.聲機情況類似,也調不出理想頻響曲線.在管子使用壽命到期后,性能會正常衰退,有時表現為一腔增益下降。但燈絲電壓長期過高,陰極材料蒸發過猛,會使一腔陶瓷的絕緣層變成導電氧化物,污染了陶瓷壁,導致一腔Q值下降.后一種情況是可以避免的.剛使用的速調管燈絲電壓為5V,工作600小時后,降低到4。盯再長期使用.因為海綿陰極鋇激活以後,可以給出較高的放射能力.這時雖然燈絲電壓降低了,但放射電流並不降低,還可以延長速調管的使用壽命.
五、三腔諧振頻率調進帶內過多
要求三腔的諧振頻率必須保持在通帶高端,如果調進帶內超出要求,速調管就會出現自激打火,開裂漏氣.
六、四腔耦合過輕
四腔耦合不能小於50度。如果耦合太輕,反電勢會較強,將造成電子的二次回轟,四腔打火.打火時間長了,陶瓷易開裂漏氣,將管子打壞.
七、高整分壓電阻斷裂
高整分壓電阻斷裂,調製陽極電位變成低電位,注電流猛增,腔體過熱.如果保護電路不靈,使管子打火過熱,將其打壞.
八、安放不平
有的台站曾發生過由於管體小車的四個輪子安放不平,不在同一水平線上,長期變形使用,造成管子裂縫.
九、冷卻不到位
速調管效率較低,在工作中需要散發大量熱量.冷卻水流、風量大小都應達到設備要求.如果冷卻系統出現故障,水溫太高,風量不足,電子槍的金屬與陶瓷封接處表面溫差超過限度,也會造成管子炸裂.
以上僅上判斷速調管壽命終了的幾個方面,還有一些沒有總結到.但有兩點一定注意:一是保護電路小盒要定期檢測,保證保護電路正常工作,這樣有許多故障可避免發生,不致使管子損壞;二是要正確使用,合理維護,才能大大延長速調管的使用壽命.
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