微波电子管的发展历史

一、微波电子管的发展历史

1904年，英国科学家弗莱明（Fleming）发明了真空二极管如图3-1所示。他的发明使人们进入了无线电电子学的新时代，其影响是深远而深刻的。实际上，他只是在1883年美国发明家爱迪生（Edison）发明的灯泡中除灯丝外另加了一个金属阳极而已，但人们不要低估了这一划时代的创举，因为爱迪生发明的灯泡只解决了夜晚的照明问题，似乎跟电子学没有任何关系，但事实上却正是爱迪生灯泡中的灯丝提供了热电子发射。由于社会生产力发展阶段的限制，当时的科学技术水平尚未发展到能够认识到这一灯丝就是电子的发射体，尽管大量的自由电子就在灯丝周围狂舞，但却没有被人们所认识和利用！整整过了二十余年，这才被弗莱明所应用。这种在真空泡内环绕灯丝安置一个金属圆筒的电子管就从此发明了。当在金属圆筒上（后来称为阳极）相对灯丝阴极加上一个正电压时，串联在回路中的电流表就有电流流通，如图3-2（a）所示。相反地，当在阳极上加上一个相对于阴极来说负的电压时，电流表中就无电流流过，如图3-2（b）所示。这种不同阳极电压的极性产生导电与否的特性称为“单向导电性”，这种特性为无线电电子电路提供了检波和整流的功能。尽管目前这些功能都已由后来发明的半导体二极管所替代，但真空二极管的历史地位是无法动摇的。

1907年，美国的弗莱斯特（Forest）就在弗莱明的二极管中于阴、阳极之间加上一个由金属丝制成的网状电极，于是就构成了一种可供信号放大用的真空三极管，这个新电极称为栅极，如图3-3所示。从此，无线电电子学的发展犹如插上翅膀的飞马，快速飞奔。由此可见，二极管的发明只是个前奏，三极管的发明才是本质上的革命，因为1895年发明的无线电通信只是在一个非常有限的距离内进行的，有了可以放大信号的三极管后，这一通信距离就大大地增加了，后来就成了人类远距离通信的工具。接着发明的无线电广播、电视、雷达等新技术，无一不是三极管立下的汗马功劳！

图3-1　二极管

图3-2　二极管的单向导电特性

A—阳极　K—阴极　f—灯丝　G—栅极

图3-3　三极管及电路符号

随后，人们对三极管的性能不断改进和提高，又连续创制出具有第二个栅极的“四极管”和具有第三个栅极的“五极管”，它们的电路符号如图3-4所示。四极管中的第一栅（G₁）称为控制栅，第二栅（G₂）称为屏栅；五极管的第三栅（G₃）则称为抑制栅，通常这个栅极在管内与灯丝阴极连在一起，与阴极具有相同的电位。

图3-4　四极管和五极管的电路符号

早期，这种电子管具有较大的体积，通常其外径像香蕉般粗细，如20世纪50年代我国生产的各种电子管收音机（例如熊猫牌、红灯牌收音机）中都应用了这类电子管，后来这种电子管逐步被直径更小的拇指管（其直径如人手的拇指）所替代，再后来这些真空电子管在接收放大电路中被半导体和更晚期的集成电路所取代，目前在收音机、电视机、DVD、音响（单机除外）、家用电器中都已看不到传统的电子管了。

在20世纪20～30年代，广播从中波向短波发展，尤其是军用雷达的频率逐渐向微波波段发展，单靠缩小电极尺寸和距离的办法是无法进一步地减小引线电感与极间电容的，人们似乎认识到了这样继续工作下去，只能是步入一条死胡同！怎么办呢？

其实早在1919年，德国科学家巴克好森（Barkhausen）和库茨（Kutz）就曾在普通的三极管上将控制栅加上正的电压（通常该栅极总是处于比阴极更低的直流电位，又称为负栅运用），观察到与众不同的超高频振荡，这种管子称为“正栅三极管”。尽管后来没有得到具体的应用，但在微波电子管发展历史的长河中，人们对此还是铭记在心的。时隔两年，美国的贺尔（Hull）又在普通二极管外加上一个与管轴平行的轴向磁场，再次观察到微波振荡，由于这种电子管是在外加磁场B下才能产生振荡的，因此取名为“磁控管”。二极管管壳外加一个电磁线包，使其产生与二极管管轴平行的轴向磁场B，如图3-5所示。在阳极上加以对阴极来说的正电压，于是就可在与阴阳极相连的外部振荡系统中检测到微波振荡。从发明二极管到发明磁控管，就只相差一个轴向磁场，却整整经历了16个年头！由此可见，在人类文明和科学的发展中，创新是显得多么的重要！

图3-5　磁控管及振荡系统

这里不去详细了解管子的工作原理，但有一点却应指出，在磁控管内，直流电场的方向是半径方向而且是由阳极指向阴极的，而直流磁场B却是管子的轴线方向，可见这两个场是互相垂直的（故称为正交场）。从阴极上发射出来的自由电子在互相正交的电场和磁场共同作用下，产生了回旋的电子运动轨迹，这就与无磁场的普通二极管不同了，后者电子离开阴极后是沿着直线轨迹打上阳极的。正是有这一重大差别，就使得磁控管显得特别引人注目。由于这种早期的磁控管输出功率小，效率低，频率也受到限制，因而并没有获得应用。尔后，在漫长的岁月中，各国科学家不断努力又相继发明了也属磁控管的其他类别，如分阳极负磁控管，但直到1938和1939年，前苏联的阿略克谢也夫（Αлeкceeв）和马良罗夫（Maляpoв）以及英国的兰达尔（Randal）和波特（Boot）几乎同时发明了第三种磁控管。由于这种磁控管巧妙地把微波振荡回路与二极管结合在一起，就能产生较大功率的输出，并且发现它具有惊人的效率！从此以后，一些国家政府和科技人员投入了大量精力及经费，在这种被称为“多腔磁控管”方面深入而广泛地开展研究。当时又正值二次世界大战前夕，磁控管被军方看成为一种杀手锏，一种新式武器似的东西，装备雷达后，其功效果然不负众望。直到现在，磁控管还广泛地应用在各种雷达特别是民用的导航雷达和气象雷达中。当然，目前全世界年产四千多万台的家用微波炉中可以说无一例外地全部采用多腔磁控管作为微波功率源。

1935年，前苏联的阿尔辛也娃（Apceньeвa）和其德国丈夫海尔（Heir）提出了一种完全崭新的电子流控制原理，它抛弃了传统的静电控制原理，从而克服了使电子管由低频向更高频率迈进时所遇到的不可跨越的理论鸿沟，闯出了一条新路，这就是“速度调制原理”。稍后，即1938年，美国的瓦利恩兄弟（Varian R & S）发明了可供微波信号放大用的微波电子管-速调管。当时的管子增益（即放大倍数）不高，频带较窄，1949年美国斯坦福大学的曲特罗（Chodorow）发明了多腔速调管，这种管子的增益大大地提高了，输出功率也可达数十兆瓦，从而促进了高能直线加速器的蓬勃发展。

1940年，前苏联的柯瓦连科（Koвaлeнкo）发明了另一种小功率的“反射速调管”，这种管子在很长一段时间内都作为实验室中的测试信号源，雷达接收机中的本地振荡器等装置。

1943年，在美国工作的澳大利亚科学家康弗纳（Kompfner）及美国的皮尔斯（Pierce）发明了另一种作为宽频带放大微波信号的“行波管”。这种管子的发明为以后的微波通信特别是卫星通信、全球通、互联网的发展提供了良好的技术基础和技术储备。

随着工作频率的进一步提高，例如由微波波段向毫米波段过渡时，由于波长与尺寸的共度性，微波管的尺寸也就越来越小，致使管子的阴极发射密度和阳极的热耗散本领都急剧地下降，无法制造出可供实用的毫米波发射管和放大管来，这就大大限制了毫米波段的开发与应用。实际上，自从二次大战结束后，微波管的三大管种即：速调管、磁控管和行波管都已发明，且经过实践的考验，应用效果令人满意，因此从20世纪50年代中期开始，科学家们都纷纷致力于毫米波段的开发与研究工作，但因无法找到大功率的毫米波振荡器，造成严重的滞后局面。1958年，澳大利亚天文学家特韦斯（Twiss）首先提出了自由电子回旋谐振受激辐射的机理，与此同时，前苏联的卡帕诺夫（Kaпaнoв）也提出了类似的作用新原理，1965年，美国海军实验室的赫希菲尔德（Hirshfield）以实验的方法证实了上述机理的正确性，并把这一机理称为“电子回旋脉塞”。1977年，前苏联的卡帕诺夫制成了可供实用的第一只新型毫米波振荡管，并命名为“回旋管”。回想这一历程，跨越了20个年头，从此世界都高度重视该管的研发工作，我国也不例外，跟踪国际前沿进行研究，取得了卓越的理论和实际效果，这就为今后的毫米波段研究奠定了基础。

纵观近七十年来的微波电子管的发展历史，可以清楚地看到，它是由米波—分米波—厘米波—毫米波—亚毫米波……这样频率由低向高更高的方向发展，目前，这种研究还在继续。此外，在功率方面，也是由小功率—中功率—大功率—特大功率方向发展，在频带宽度方面是由窄带—宽带—超宽带方向发展，而管子的效率、工作电压、寿命、可靠性等方面随着新材料、新工艺、新机理的进步都有了突破性的进展。