磁控管的负载特性

根据前面的讲述可知，在研究磁控管的工作特性时，首先是假设负载匹配，即阻抗匹配，其意义在于并没有考虑负载对微波输出功率和微波频率的影响。但实际上，微波负载的阻抗匹配情况对磁控管输出的微波功率与微波频率会产生比较大的影响。

所谓阻抗匹配（impedance matching），是微波电子学里的一个重要概念和一项重要指标，主要目的是为了描述微波的传输能力和传输效率问题。根据电路原理可知，在阻抗匹配情况下，负载阻抗就等于微波源的特征阻抗（等效内阻），这时的微波传输效率最高。但不同的负载阻抗会引起不同幅度与不同相位的反射波，为了描述负载的微波反射程度，引入了电压驻波比VSWR（voltage standing wave ratio）的概念，VSWR常被简称为驻波比，所以有时也用SWR表示，其取值范围在1到无穷大。驻波比为1时，表示完全匹配，无反射波；驻波比为无穷大时，则表示完全失配，微波全被反射回来，根本送不到负载上。理论和实践都证明，负载阻抗与特征阻抗越接近，驻波比VSWR就越接近于1，匹配也就越好。可见，电压驻波比（VSWR）是用来衡量微波射频部件之间匹配状态的一项指标，是微波射频技术中最常用的重要参数。在微波频段，可以用来表述微波传输端口的匹配状态，因此，电压驻波比（VSWR）也是微波传输技术的重要概念。

我们可以通过厂家提供的M5028型磁控管的负载特性曲线图（图2-9-15），来分析研究磁控管的输出功率和输出频率与负载阻抗之间的变化关系，以此来理解磁控管负载特性的真正含义。该图也被称为“史密斯（Smith）圆图”。

从微波反射角度来看，偏电感性负载（R＋jXL）反射波的相位落后于前进波，偏电容性负载（R-jXC）反射波的相位超前于前进波，因此，不同的负载特性必然会产生不同幅度与不同相位的微波反射功率，其结果除了会影响磁控管的输出功率之外，还会造成工作频率的偏离，这种由于负载特性（幅度与角度）的变化而引起频率变化的特点被称为“频率牵引”现象，并且定义为在电压驻波比（VSWR）等于1．5的情况下，由于负载变化而引起微波反射相位达到π弧度（180°）时，磁控管的最大频率变化量为这种磁控管的“频率牵引度”，用F0表示。其意义在于可以用数字来测定磁控管的固有频率负载特性。例如，M5125在VSWR＝1．5时，F0＝7 MHz；M4543在VSWR＝1．5时，F0＝6MHz。

图2-9-15　M5028磁控管负载特性曲线

史密斯（Smith）圆图是射频与微波技术中常用的一种计算传输线反射系数与特征阻抗的图解工具。它采用的是一种复数坐标系，其横坐标为复数阻抗的实部，代表纯电阻性负载（R）；纵坐标为复数阻抗的虚部（X），其中90°代表纯电感性负载（XL），-90°代表纯电容性负载（XC）。因此，史密斯（Smith）圆图横坐标的上半部分是偏电感性阻抗（R＋jXL），下半部分是偏电容性阻抗（R-jXC）。同心圆是等阻抗线，其半径的长短代表了负载阻抗的大小，每一个圆周上任一点所处的角度就是阻抗角；实线组成的弧线族是等反射功率线；虚线组成的曲线族是等频率牵引线

由图2-9-15可知，不同特性的负载阻抗（不同的半径与角度）会引起不同的微波反射功率和不同的频率牵引程度。并且，在阻抗角为135°和315°的连线上，任何幅度的负载阻抗都不会引起频率牵引，即这种情况下的负载不会对微波频率造成任何影响。但在135°阻抗线上，反射功率随着负载幅度（半径）的增加而降低；而在315°阻抗线上，反射功率随着负载幅度（半径）的增加而提高。以该连线为界，史密斯圆图的左下方的频率牵引方向为负值（频率降低），右上方的频率牵引方向为正值（频率提高）。同时，反射功率也随着负载阻抗特性（半径与角度）的不同而呈非线性变化。显然，在史密斯圆图的右下方（第四象限），以阻抗角为315°的直线为中心的等频率牵引线最密，即负载变化时造成的频率牵引程度最低，对频率的影响最小。因此，从阻抗匹配和频率稳定角度来讲，负载阻抗必须落在315°直线上的一定范围内。

从以上所述磁控管的负载特性可知，即便是在阻抗完全匹配情况下，仍有反射功率影响微波输出。而实际上，匹配是相对的，不匹配是绝对的，因此，如果不采取一定的技术措施，实用中的微波负载必然会影响磁控管输出的微波功率并会造成一定程度的频率牵引，其结果是对磁控管工作的稳定性起负面影响，进而会影响加速器整机的工作稳定性。

我们知道，在电子直线加速器中，加速管需要的是功率强大、频率稳定的微波源。为了降低甚至消除由于负载变化对磁控管工作稳定性的影响，通常是在磁控管与加速管的微波传输路径上连接一个防止微波反射的大功率铁氧体材料制成的微波隔离器件，这就是图2-7-3与图2-7-4中所示行波加速器与驻波加速器设置“隔离器”的根本原因，它可以输送前进波，但抑制反射波，这样可以有效地保证磁控管运行时不受负载影响而稳定工作。

图2-9-16　磁控管灯丝供电曲线