常用管及其应用

极超短波

这种器件用作微波频率(例如在无线电中)的放大器和射频信号源继电器用于介质加热系统)，也用作振荡器(例如，在连续波多普勒雷达系统中)。速调管是一种线性光束装置;也就是说，电子流是由轴聚焦的直线磁场．电子的速度发出从阴极都是调制产生的密度调制电子束．这里所涉及的操作原理可以用a来解释双腔速调管放大器．

第一个网格旁边的阴极控制电子束中的电子数量并聚焦电子束。阴极和腔腔谐振器之间的电压邦彻和作为电磁振荡蓄水池的捕集器)是最重要的加速势，通常被称为梁电压。这个电压加速了直流在将电子束注入聚束腔的栅格之前，将电子束以很高的速度射出。空腔的栅格使电子能够通过，但它们将磁场限制在空腔内。网格之间的空间称为互动空间，或间隙。当电子遍历在此空间中，它们受到射频电位的影响，其频率由聚束器腔的谐振频率和输入信号频率决定。栅极间射频电压的幅值由输入信号的幅值决定。电子遍历当栅格3上的射频势相对于栅格2为正时，相互作用空间受到磁场的加速，而半个周期后穿过栅格的射频势则被减速。在这个过程中，基本上不会从聚束腔中获得能量，因为慢下来的平均电子数等于加速的平均电子数。被减速的电子将能量释放到聚束腔内的场中，而那些被加速的电子则从其场中吸收能量。

在离开相互作用间隙时，电子进入一个叫做漂移，或聚束空间，在这个空间中，被加速的电子超过了移动较慢的电子。这会导致电子聚集并导致密度电子束调制，电子束代表射频当前的在横梁上。捕集器位于聚束最大的位置。该腔被调谐到与聚束腔的输入频率相同的频率。在捕集器的功率输出是通过减慢电子束来获得的。如果空腔中存在交变场，并且栅格4相对于栅格5为正，则通过栅格的电子束将被减速，并将能量传递到输出空腔。以这种方式，电子束在捕集器腔壁上诱导出与束流中的射频电流相同的射频电流。在共振谐振腔内的振荡以适当的相位形成，以延缓电子束的形成。射频输出的功率等于功率的差值动能电子通过相互作用间隙前后的平均值。

积极的电极，或收集器，位于捕集器之外收集电子;它被设计成最小化二次发射．(这种发射是由于到达端壁的电子的撞击而发生的。)

上面描述的速调管放大器可以转换成振荡器通过从输出腔到输入腔的适当相位和足够幅度的反馈来克服系统中的损耗。

速调管的功率水平是通过使用大的光束电压和电流来实现的。简单来说，就是输出功率P是由P＝效率×我E,在那里我而且E是波束电流和电压，效率是如何很好地将直流电源转换为射频功率。对于速调管，效率可以高达70%。通过以明显低于空腔电位的电位收集废弃电子束，甚至可以达到更高的效率——高达10%到15%。

速调管用于超高频(UHF)电视变速箱，其运行功率水平低于50千瓦。对于地面通信，功率等级范围为1 ~ 20千瓦。脉冲速调管主要用于雷达在科学和医学上直线加速器s.一些应用采用两个以上的腔来获得更高的增益和更大的带宽。速调管的功率增益取决于电压和电流以及使用的腔数。采用的腔数越多，所能获得的增益就越大。然而，射频不稳定的发生有一个实际的限制。

磁控管

磁控管主要用于为雷达系统产生微波频率的功率，微波炉S，等离子屏幕，线性加速器，以及用于薄膜等应用的等离子体的创造沉积离子蚀刻。在一个磁控管电子受到径向辐射的综合效应的约束静电场还有一个轴向磁场。磁控管的制造成本相对较低，因为它们只需要很少的部件，即阴极和阴极阳极,一个天线和一块磁铁。微波炉的典型磁控管，如图所示数字在剖面图中，描述如下。

所述圆柱形阳极结构包含若干与所述阳极表面等间距的腔腔谐振器相邻到圆柱形阴极。永磁体被用来提供必要的磁场，该磁场垂直于阴极和阳极之间的电场。功率输出通过天线耦合，天线从其中一个空腔运行到导频波导微波辐射去烹饪室。

与其他类型的振子一样，振荡起源于电子中的随机现象空间电荷在腔腔谐振器中。空腔振荡产生向外扩散到相互作用空间的电场，如图所示。能量从径向通过电子将直流场转化为射频场。当穿过间隙的射频场的方向阻碍电子的运动时，电子的第一轨道就发生了。由此产生的能量转移是从电子到射频场的切向分量。在失去能量后，电子再次被径向直流场加速并移动到下一个空腔。在电子最终到达阳极表面之前，它将大部分能量传递给了空腔。由于从射频场吸收能量的电子迅速返回到阴极，因此有一个净能量传递到空腔谐振器。相比之下，在减速射频场的电子运动的旋转成分的能量仍然几乎不受影响，电子可能围绕阴极运行许多次。

磁控管的输出功率范围很广，从用于烹饪的微波炉的输出功率为600到1000瓦，到能够产生高达100万瓦脉冲功率的特殊磁控管。dc - rf功率转换效率通常在50% ~ 85%之间。

交叉场放大器

交叉场放大器(CFA)与磁控管有几个共同的特性。两者都包含一个圆柱阴极同轴射频结构，每一个这些管构成一个二极管在阴极和阳极之间建立垂直于电场的磁场。另一个相似之处是它们的射频结构充当电子收集器，因此必须非常坚固。关键的区别是CFAs使用延迟线来减慢RF，从而使其更有效地与电子流相互作用。因此，在信号被提取到输出之前，放大通过电子的大部分旋转发生波导．通过这种方案，注册会计师能够实现非常高的转化率效率超过70%。此外，CFAs的输出功率是在相对较低的束流电压下获得的，比同功率水平的其他器件低2 - 3倍。与其他电子管相比，CFAs的增益特性是高度非线性的，且相对较低(低一到两个数量级)。注册会计师的带宽通常为10%至20%。CFAs的优点是效率高，体积小，运行电压相对较低。它们的平均功率水平从10 GHz的1千瓦到1 GHz的1兆瓦。

行波光管

它们通常用于在宽带宽上放大微波信号。行波管(行波管)的主要部件是(1)和(2)电子枪(2)使电子保持线性路径的聚焦结构，(3)使射频场与电子束相互作用的射频电路，以及(4)用于收集电子的收集器。行波管主要有两种类型，它们是有区别的通过射频结构。一种使用慢波电路，称为a螺旋的传播射频波用于电子-射频场相互作用，另一种采用一系列交错的腔体相互耦合进行波传播．每种类型都有不同的特点，并在不同的应用中使用。的螺旋行波管是不同于其他电子管，因为它是唯一一个不使用射频腔。因为空腔有带宽限制耦合腔行波管的带宽通常限制在10%到20%。然而，螺旋行波管没有特别的带宽限制，并且，对于所有实际目的，一个八度带宽(100%)是可以实现的。

基本的螺旋行波管如图所示数字．电子枪含有一个阴极发出电子，这些由枪电极形成的光束被注入到螺旋的开口。

由于空间电荷力倾向于使电子向径向发散，因此使用聚焦结构使发散的电子被发送到螺旋轴，从而使光束保持在所需的直径。以这种方式，电子束保持在所需的直径沿螺旋的长度。这是必要的，因为电子-射频场相互作用在螺旋直径内的螺旋长度上连续发生。为了实现这种相互作用，螺旋的直径和螺距必须使射频波在螺旋上传播线在光速(大约每秒30万公里，或18.6万英里)的轴向运动速度减慢，以与轨道中电子的速度同步梁．波的轴向相速度近似用光速乘以螺距与螺旋周长的比值来表示。轴向相速度在较宽的频率范围内相对恒定，这一特性为螺旋行波管的大带宽提供了条件。在典型的应用中，电子沿螺旋轴以大约十分之一光速的速度移动。将这个速度传递给电子所需要的电压大约是10,000伏特。所需的射频输出功率和频率决定了实际使用的电压和电流。

的放大行波管的作用是通过沿螺旋中心向下运动的电场波的轴向分量与同时沿螺旋轴运动的电子束之间的连续相互作用发生的。电子不断地减速，它们的能量沿着螺旋传递到波中。电子倾向于聚集在前面的射频场减速而后面的射频场加速的区域。束状电子束和螺旋之间的相互作用可以用感应电流来看待。电子束在螺旋上引起正电荷，这些电荷与电子束同步移动。如果相位是适当的，这个电流增加到与在螺旋中流动的射频波相关的电流，并导致波增长。这种相互作用沿着螺旋的长度是连续的，长度可达25厘米(10英寸)。螺旋上的波振幅增加，反过来，导致电子聚集得更多，而电子聚集得越来越多，导致螺旋波随着距离呈连续指数增长。典型的增益为每厘米4分贝，对于实际尺寸和应用的螺旋管，总体增益为40到60分贝。电子束离开螺旋后，电子被多级收集器减速。 By this action a large fraction of the unused beam energy can be recovered via a power supply, which thus increases the overall efficiency of the TWT. The DC-to-RF conversion efficiency of TWTs, both helix and coupled-cavity, is similar and is in the range of 50 to 75 percent, depending on the power level and bandwidth.

螺旋行波管的一个特殊应用是它们在通信或科学卫星和其他航天器中用作放大器。螺旋是理想的应用，因为它的小尺寸和重量，高效率，低rf失真特征．在太空中的行波管已经证明了非常可靠的运行，积累了数千万小时的运行没有故障。

快波电子管

传统电子管被设计成通过将射频波减慢到光速的十分之一来产生电场相互作用。持续的高功率趋势(在60 GHz频率超过1兆瓦，在200 GHz频率超过100千瓦)需要真空电子器件，其工作原理与传统的慢波电子管不同。的物理上述电子管的特性决定了其射频元件的大小必须与信号波长的顺序一致传播．因此，尺寸和横截面在频率高于60 GHz时变得非常小，传统类型的管无法制造。另一种产生电场相互作用的方法是让射频波传播以光速通过，例如，通过波导的一部分。电子用于能量转移到快速射频波是由波纹磁场或由射频场诱导角速度调制束。聚束的电子将部分能量提供给适当相控的微波射频场。快波器件的优点是射频电路比信号的波长大。因此，这样的器件可以制造成大尺寸，并且仍然在极高的频率下工作。， 100 GHz或更高。快波管通常在非常高的电压下工作，以产生所需的高电子速度共振条件，从而允许能量交换发生。事实上，是磁场中电子的共振决定了频率，而不是像速调管那样的空腔结构。所使用的高压交流电流是快波设备产生极高射频功率水平的主要原因，在非常高的频率(超过100 GHz)下可达数百万瓦。

一种主要的快波电子管是电子管回旋振荡管．有时被称为回旋共振微波激射器，该装置可在毫米和亚毫米波长产生兆瓦级的脉冲射频功率。回旋管利用在磁场中绕轨道运行的电子与电子之间的能量传递机制电磁场在回旋频率。回旋频率与电子的质量成反比，与电子的速度和磁场的强度成正比。在非常高的速度下(接近光速)，电子的质量增加(因为相对论效应)，而这种增加降低了回旋频率。绕轨道运行的电子和电磁场之间的相互作用是这样的，如果给磁场以能量，电子就会失去一些质量，回旋波的相位就会改变。这就导致了一种电子聚集的形式类似的转到速调管中的聚束(见上图极超短波)．

在另一种主要的快波管中，an电磁波沿着圆形或矩形波导传播，并与波动的电子束相互作用。电子束的波动运动是由周期性磁场产生的。电子聚集在一起就像速调管过程一样。当束与行波相互作用时电子能量被转化为射频能量结果是放大。这些器件中的束流电压约为100千伏，当电子电流约为35安培时，可以在毫米波长下产生300瓦的稳态功率或200千瓦的脉冲峰值功率。

回旋管和其他快波管用于某些高频(35至94 GHz)雷达应用，通信系统，等离子体加热在一些实验中热核聚变反应堆，以及工业反应堆材料加工．

气体电子管

在气体管中，由于存在少量气体，电极之间的电导率不同于真空。这种装置的常用用途是整流和开关(例如，开启感应储能电路、开关调制和关闭应用程序)。煤气管的例子是闸流管和引燃管．一些闸流管可以处理高达50千伏的电压，可以切换数千安培，并能够处理高达40兆瓦的功率。闸流管用于雷达脉冲调制器、粒子加速器和高压医疗设备。

现代气体管通常是一个同轴四电极装置，其中含有压力为50-400毫升(0.000066-0.00053大气压)的氢气。低压放电在阴极附近由它产生的电子发起，氢气分子通过与电子碰撞而电离。电离氢释放的电子轰击阴极，产生二次电子。次级电子发射维持低压放电。一些初电子和二次电子从阴极被加速，与氢气分子发生更多的碰撞。可以放大在阴极附近形成的等离子体，使其与作为阳极的电极接触，建立导电等离子体路径。产生的电流可以通过一个带有小孔的控制网格来中断，这种控制网格可以掐断等离子体的流动。