下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
带控制电极的微波管发射机具有工作模式多、工作模式变换灵活，射频调制波形好，视频利用率高，无“兔耳”噪声输出等优点。当高压电源的纹波和稳定度较好时，易获得较高的系统相位稳定性，因此栅控微波管发射机被广泛用于各种高性能的机动式雷达中。根据不同的控制电极，微波管电子注的调制方式可分为阳极调制、聚焦电极调制、栅极调制［栅极调制中还包括截获栅极、无截获栅极（阴影栅极和双栅极）］等几种。
能采用控制电极调制的微波管是阴极电压较低（50kV以下）的微波管。大多数行波管、多注速调管和直流运用的前向波管都是采用如图2.17所示的控制电极调制的常用微波管。
图2.17 带控制电极微波管的简化系统框图
带控制电极的微波管发射机的关键是设计好控制电极浮动板调制器和直流高压电源（参见第5章和第6章两章）。这里仅就其特殊要求和接口注意事项进行介绍。
在高功率耦合腔行波管和速调管中，由于设计耐高功率容量的栅极较困难，且大功率直流高压电源体积庞大，因此电子注的调制基本上采用阳极调制或阴极脉冲调制。但是随着栅极的优化设计和有效冷却，大功率微波管也有采用无截获栅极的例子，如AR-3D雷达所用的就是高功率栅极调制速调管。
在中、低功率行波管和大功率多注速调管中，一般阴极电压较低，因此也可以使用阳极、聚焦电极或控制栅极来调制。
在阳极调制微波管中，电子注导通期间的阳极为地电位，截止期间则相对于地为负电位，其负电压的大小取决于微波管的设计，一般为额定阴极电压的1/3以上，但阳极电流可以忽略不计。
采用聚焦电极调制的微波管，在电子注导通期间，只需聚焦电极保持在阴极电位或略高一点即可；当电子注截止时，聚焦电极应相对于阴极为负电平，其值在阴极额定电压的50％以下，但聚焦电极电流却小至可以忽略。
在栅极调制微波管中，因栅极离阴极很近，所需的栅极调制电压很低，一般在正、负几百伏以内。由于截获栅在电子注导通时要截取注电流的10％~20％，易引起栅极发射现象，所以在大功率管中不宜采用；无截获栅极由于其截获电流小，只有注电流的1％或以下，所以被广泛使用。各类控制电极的调制方法和性能的比较如表2.6所示。
表2.6 各类控制电极的调制方法和性能的比较
①表示相对于阴极（阴极电压为
U
k
）。
②表示其值为X/Ku波段微波管的典型值，频率低、电容大（因为电子注增大，阴极面积增大，直径变大），反之亦然。
电子注聚焦不可能十分完美，总会有很小一部分电流被慢波电路截获。电子注在调制电极通/断转换的瞬间，会产生瞬时散焦现象。散焦的电子打在慢波电路上，热容量极小的螺旋线可能会因过热而损坏；同时散焦会扰乱电子注，而使射频输出噪声增大。
为了降低电子注在通/断瞬间所产生的散焦，调制脉冲的上升/下降时间应尽可能地短，并要消除在此期间所产生的振荡和过冲。
调制脉冲的上升/下降时间是由调制电极的电容 C 和回路阻抗决定的。电容值越大，储能量（ C U 2 /2）越大，其上升/下降时间就越长，所损耗的调制功率也就越多。为了缩短栅极调制脉冲的上升/下降时间，在电路设计时应尽量减小脉冲回路的电感值和电阻值，以增大其充/放电电流，但其电阻又不能太小，否则会产生振荡和过冲。
控制电极调制的微波管，由于其在脉冲与脉冲之间的时间间隔里，阴极一直存在直流高压，虽然截止偏压可关断注电流，但不会十分彻底，因此会产生脉间热噪声。不同控制电极的微波管，脉间噪声的大小是不相同的。
实用的多阳极低噪声行波管，其噪声系数约为8~25dB。对于较高功率的单阳极行波管，当采用较高温度浸渍钨阴极时，若工作在高增益情况下，其噪声系数可达到30~45dB。
栅控管的噪声功率密度大于聚焦电极调制的微波管，聚焦电极调制的微波管的噪声功率密度则大于阳调管，选择时应予以注意。
射频波和电子注之间的能量交换程度是随输入功率的大小而变化的，这不仅影响行波管的幅度传输特性，还影响其相位特性。当输入功率由低到高增加时，电子注速度沿行波管长度方向逐步减慢，射频波也随之减速，相当于慢波电路的有效相位长度增长了，故使相移增大。当行波管进入饱和工作状态后，电子注不再有足够的能量来使射频波稳定地减速，因此相位灵敏度则相应减小。当输入过激励时，电子注直径因散焦而增大，使慢波结构截获电流增加，若螺旋线高压稳定度不够或功率容量不足时，则电压会下降，此时电子速度将有所减缓，其相位长度将增大。
行波管的相位非线性度比前向波管大，用在脉冲压缩雷达中，将导致较大的距离边带。为了减小其影响，要提高各电极电压的稳定度。
阳极或聚焦电极离阴极较远，基本不受阴极的影响，无二次发射问题。虽然所需的截止偏压很高（阳极调制时为阴极电压的30％~100％，聚焦电极调制电压为阴极电压的10％~50％），但电流却小至可以忽略，其导通电压很低（接近阴极电位）。
微波管的工作状态是由它各个电极上的电压所决定的。为了确保微波管工作状态的稳定性，电极上的电压就应相对地稳定在规定值的范围以内。
在行波管发射机中，由于阴极同步电压与电子注散焦密切相关，为了确保行波管工作的稳定可靠，各极电压必须限制在如表2.7所示的数值范围内。
表2.7 行波管各电极电压的要求
在正交场管和速调管发射机中，其阴极电压可在一个较宽的范围内调节。因此，可以按工作需要适当调节其峰值功率以适应不同工作模式的需要。而行波管发射机的峰值功率却变化很小（双模行波管除外）。
为了使控制电极调制的发射机正常工作，浮动板调制器应具有各种完善的保护措施。高压电源应能快速适应空载（微波管电子注截止时）且不过压，短路（线性电子注管打火时）时能够限流，以免损伤元器件。
在行波管和速调管发射机中，如果输入过激励时，会出现输出功率增加缓慢、效率下降、电子注散焦增大、幅/相转换加大、管体或螺旋线电流加大、热噪声增大等现象。严重过激励工作时间较长时，还会造成螺旋线因过热而损坏。因此，应避免工作在过激励状态。
用行波管作线性放大器时，激励功率应有余量，可在激励器与微波管输入口之间加入一个线性器或补偿器，以便按行波管输入最佳激励的要求来衰减过大的输入功率。
除指标要求很高的宽带脉冲压缩雷达外，一般情况下只要求行波管螺旋线不过热，性能指标在允许的范围内，适当允许过激励，以获得最大的输出功率。通过对电子枪的优化设计，也可以减轻过激励的影响。
输出反射经过输出窗进入行波管的慢波结构中，为了防止反射功率引起返波振荡，行波管的慢波电路中间增设了衰减器和分隔器，以吸收其反射能量。这种衰减器的功率容量很小，因此承载的反射功率不能太大，太大会损坏衰减器。反射功率进入慢波电路将破坏射频场与电子注的互作用，而引起电子注散焦，结果会导致慢波电路发热。如果反射功率过大，也会使输出同轴线的内导体插针发热，进而引起输出密封窗因热应力而裂开。
前向波管输出端口驻波大了，同样会影响前向波管的稳定工作，且其反射功率可直接传到输入端，引起小功率的输入微波元器件打火。
速调管是高功率管，输出端驻波大了或反射功率大了，容易在速调管输出窗产生过高的高频场，引起输出窗打火、开裂和漏气。
为了保护贵重的微波管，一般应在微波管的输出端外接一个环流器（或隔离器）。一般的微波管应能允许在1.5的驻波比值负载下正常工作，驻波比值为2时不损坏微波管，不允许在驻波比值大于2的情况下工作。发射机驻波保护电路的驻波比值应设置在1.6~2之间，对于不同的微波管，其值允许有一点变化。低功率管或正交场管的负载驻波可略大些，高功率管或螺旋线行波管的负载驻波则应更小些。
放大链产生自激振荡的原因可能有：
（1）对于高增益放大链，如果输入/输出屏蔽不好，当其泄漏的射频信号的幅度和相位与输入信号形成正反馈时，该放大链就会产生自激振荡；
（2）如果栅极调制脉冲信号矩形度较差，其上升或下降沿上有振铃和过冲或脉冲顶部波动过大时，均会使电子注电流产生扰动，严重时可使行波管产生自激振荡；
（3）阴极同步电压超过正常范围时，会产生返波振荡；
（4）输出射频馈线驻波过大时，由于反射功率干扰电子注而产生散焦，严重时会损坏衰减器而产生返波振荡；
（5）行波管收集极降压太快，会产生“回流”，该“回流”也会破坏电子注的正常运行，扰动太大同样也会使行波管产生自激振荡。
防止自激振荡的方法就是首先查出自激振荡的原因，再根据自激振荡的原因采取措施予以消除，同时认真控制行波管的工作状态，确保各电极的电压（如表2.6内所示值）和波形严格控制在正常工作范围之内。
当主振放大式发射机用于高稳定要求或振动冲击严重的地方时，应对其放大器实施缓冲减振设计，以消除因振动冲击而降低放大器性能的现象。尤其是小信号激励的高增益放大器特别怕振动冲击，因此小功率的高增益放大器应具有良好的减振措施。
发射机功耗的大部分消耗在微波管和电子设备中，如不能及时把损耗在微波管和电子设备中的热消除，微波管和电子设备的温度便会越来越高，以致在大的热应力下会使发射机的稳定性变差，严重时会损坏微波管和电子设备。适度降低其温度不仅是确保发射机正常工作和降低噪声的需要，而且也可延长微波管和电子设备的使用寿命。
为了确保微波管和电子设备稳定、可靠地工作，应对发射机内的热点或对热敏感的部位实施有效的热监控和采取特殊的冷却措施。