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上期我們介紹了雷達發射機及其相關概念，本期我們將對雷達發射機的構成部件——真空管以及與之相關的渡越時間效應進行介紹。

真空管

真空管（Vacuum Tube）是管內為真空的玻璃管器件，將管中空氣除去，既有利電子的移動，又可以降低相關器件的氧化損耗等。其基本工作原理是一種稱為熱電子發射的現象，即加熱金屬，熱能使一些電子散失。

發射機的真空管按工作原理可分為真空微波三（四）極管；線性電子注微波管（又稱線性注管或O型管）；正交場微波管（又稱M型管）。

真空微波三（四）極管的工作原理是基于柵極的靜電控制，但在結構上做了較大改進，減小了電子渡越效應、引線電感和極間電容的影響。目前，微波三、四極管的最高工作頻率可達 2GHz，但在發射機中作為功放級，大都在 1GHz 以下。

而 M 型管和 O 型管都屬于動態控制的微波管，它們包括電子槍（或陰極）、相互作用區（諧振腔或慢波系統）和收集極三部分。

O 型管主要有行波管、速調管及行波速調管三種。M 型管主要分為諧振型和非諧振型兩類：諧振型最具代表的就是常規雷達中用的最多的磁控管；非諧振管主要有前向波管、返波管等。

真空三極管

最簡單的真空管——二極管（只有陰、陽兩個電極），由燈絲、陰極和陽極組成。如下圖所示。

電流流過燈絲，使其發熱，并加熱陰極，為電子提供足夠的能量，從而在加熱的陰極周圍形成稱為空間電荷區的電子云。通過向陽極施加正電壓，帶正電的陽極會從空間電荷區吸引電子，從而在管中產生電流。

故在真空二極管中，電流只能從陽極流向陰極（電子從陰極流向陽極）。如今仍然使用二極管這個術語來指代僅允許電流在一個方向上流動的電氣組件，盡管如今這些設備都是半導體的。二極管通常用于整流，即將二極管從交流電（AC）轉換為直流電（DC）。

1907年，美國人 DeForest Lee 在真空二極管陰、陽極之間加入第三個電極——控制柵（柵極），從而創造了第一個三極管。通過調節施加到柵極上的電壓就可以控制從陰極流向陽極的電子數量。

因為電荷同性相斥異性相吸，故當柵極被施加負電壓時，會排斥從陰極流向陽極的電子，柵極負電壓越大，排斥作用越強，當負電壓增加到一定值時，來自陰極的電子無法通過柵極并使電流中斷。

當柵極被施加正電壓時，會吸引電子從陰極流向陽極，電壓增加得越多，越多的電子可以更快速通過它，電流也就越大。因此，三極管可以用作電流開關。

三極管還可用于放大信號，在柵極被施加正電壓的情況下，柵極電壓的微小變化會導致陰陽極板之間電流的大變化。

通過這種方式，可以將板上的小信號轉換為具有相同波形的大信號。增大極板電壓也可以增加極板電流，但此時需要大幅度的電壓增幅，才能實現相同的電流放大。

當然三極管也有自己不足的地方，故在三極管的基礎，通過增加柵極的數量，形成四極管和五極管。雖然這些新增柵極能增加真空管的穩定度等，但其功能基本和三極管一致。

線性注管（O型管）

在雷達發射機中，使用較多的線性注管有行波管、速調管和行波速調管三種。

電子注管的特點是陰極所產生的電子呈直線形，因此又稱為直線電子注微波管。直線形的電子注在相互作用區與輸入射頻信號所形成的射頻場相互作用，電子注受到射頻場的調制而形成群聚。

群聚的電子注又把從直流場取得的能量交給射頻場，使射頻信號得以放大。射頻能量的電子注仍以一定的速度打到陽極，被陽極吸收。為了使電子注在渡越過程中保持細長的圓柱形，通常需要加上與電子注平行的直流磁場，防止電子注的散焦。

如下圖為行波管結構示意圖。

正交場微波管（ M 型管）

M 型微波管按相互作用區間的不同，分為諧振型和非諧振型兩類。諧振型在相互作用區間內存在的是射頻駐波場，其最有代表性的管種就是常規雷達中用得最多的磁控管。非諧振型按電子注與射頻場前向波（其相速與群速方向一致）相互作用還是與射頻場的返相波（其相速與群速方向相反）相互作用來區分：前者稱為前向波管；后者稱為返波管。

渡越時間效應

在柵極真空管的工作原理上，我們來了解渡越時間以及渡越時間效應。

電子是電荷的基本單元，是所有穩定的基本粒子中質量最小的存在。盡管電子質量很小，但它仍有一定的質量，因而是有慣性的。在電場作用下，電子受到加速度，能達到一定的速度。

而電子在一定電壓的作用下，從電子管一個電極運動到另一個電極，總是需要一定時間的，該時間就稱為電子在這兩個電極間的渡越時間。

例如，在相距 2 毫米的平板電極間加上 100 伏的電壓，電子以零速度飛離陰極，到陽極所需要的渡越時間大約是十億分之一秒。

對于長波、中波、短波無線電波，信號周期較大，電子渡越時間比信號周期小得多，電子在飛越電極間的空間時，信號相位變化極小。因此，可以認為電子是無慣性地越過了電極之間的空間。例如，當頻率為 1MHz 時，信號周期為一百萬分之一秒（T=1/f），電子渡越時間比信號周期小的多。

然而，進入微波（300MHz—3000GHz）波段后，信號周期變得可以和渡越時間比擬甚至更小。例如，當頻率為 300MHz 時，信號周期為??秒；當頻率為 1000MHz 時，信號周期為??秒。

此時，電子飛越電極間的時間將會對信號的相位產生影響。故靜電控制的電子已不再是一個無慣性的器件，電子渡越時間效應導致陰極負荷加重、柵極電子負載加大、效率下降，這就是渡越時間效應。

－?The End －

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