微波原理与微波源

我们知道，在分析低频振荡电路时，一个电感线圈与一个电容器串联就可以构成一个最简单的LC振荡电路，一般的无线电波就是以这种方式产生并发射出去的。然而，在微波频段，不能采用这种普通LC振荡电路，其原因如下。

1．按照振荡电路的固有频率公式f＝1/2π槡LC可知，由于微波频段的频率极高，所以要求线圈电感量L和电容器的电容量C要非常小，这势必给加工制造带来极大困难，而且，这样的线圈和电容器即便制造出来，体积会非常小，机械强度也非常差，产生的微波能量也非常微弱。

图2-9-1　各种类型的电磁波传输线

A．TEM波传输波导；B．金属波导；C．介质波导

2．由于频率太高，电容器的介质损耗以及电感线圈的趋肤效应会引起极大的欧姆损耗，微波产生的效率极低。

3．由于电磁波的辐射功率与频率的4次方成正比，因微波频率太高，所以辐射损耗也急剧增加，进一步降低了微波的产生效率。

可见，即便这种振荡电路能够制造出来，也没有任何实用价值。所以，在微波频段，不能采用普通的集中参数元件（电感线圈L和电容器C等），而必须经过特殊设计，采用由金属空腔做成的振荡系统（谐振腔）才能产生所需要的微波功率。

实际上，微波谐振腔也可以看成是一个电感量和电容量都极小的特殊LC振荡电路。其过渡原理，见图2-9-2。

我们知道，平行板电容器的电容量与极间电介质的介电常数和极板面积成正比，与极板间的距离成反比；而线圈的电感量与线圈匝数和长度成正比。为了得到更小的电容量和电感量以提高电磁波的固有振荡频率，我们可以将电容器极间电介质取消，并缩小极板面积，拉大极间距离；同时，将电感线圈减少至只保留半匝，于是就形成了图中（B）所示的等效LC振荡电路，显然，这种电路的电磁振荡频率可以大大提高，但功率非常微小，根本不可能产生大的微波功率。经过进一步变形，将无穷多的半匝线圈并联构成一个半圆弧面，就可以形成横截面为图中（C）所示的谐振空腔，该谐振腔的入口处相当于等效电容，腔内的圆弧面相当于等效电感，该谐振腔的结构尺寸要按照所需要的微波频率（波长）和微波功率来确定。当结构尺寸确定之后，该谐振腔的固有振荡频率和最大微波功率也就被确定下来。本章第二节将要介绍的磁控管就是按照这一思路设计研制成功的大功率微波源。

研制大功率微波源的另一条途径是按照上面类似的思路，先设计制造一个所需频率的小功率微波器件，通常称之为微波驱动器（RF driver），它可以发射出所需频率的小功率微波；然后设计制造一套微波功率放大器，它可以对微波驱动器送过来的小功率微波进行功率放大。这两种器件可以共同构成频率和功率都符合设计要求的大功率微波源，本章第三节将要介绍的速调管就是按照这一思路设计研制成功的大功率微波源。

图2-9-2　LC振荡电路过渡到谐振腔

A．普通LC振荡电路；B．等效LC振荡电路；C．谐振空腔

以上所述的两种微波器件——磁控管和速调管，都是应用在现代医用电子直线加速器上技术成熟、结构精细的大功率微波源。