来源 | 雷达信号处理matlab

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上期我们介绍了雷达发射机及其相关概念，本期我们将对雷达发射机的构成部件——真空管以及与之相关的渡越时间效应进行介绍。

真空管

真空管（Vacuum Tube）是管内为真空的玻璃管器件，将管中空气除去，既有利电子的移动，又可以降低相关器件的氧化损耗等。其基本工作原理是一种称为热电子发射的现象，即加热金属，热能使一些电子散失。

发射机的真空管按工作原理可分为真空微波三（四）极管；线性电子注微波管（又称线性注管或O型管）；正交场微波管（又称M型管）。

真空微波三（四）极管的工作原理是基于栅极的静电控制，但在结构上做了较大改进，减小了电子渡越效应、引线电感和极间电容的影响。目前，微波三、四极管的最高工作频率可达 2GHz，但在发射机中作为功放级，大都在 1GHz 以下。

而 M 型管和 O 型管都属于动态控制的微波管，它们包括电子枪（或阴极）、相互作用区（谐振腔或慢波系统）和收集极三部分。

O 型管主要有行波管、速调管及行波速调管三种。M 型管主要分为谐振型和非谐振型两类：谐振型最具代表的就是常规雷达中用的最多的磁控管；非谐振管主要有前向波管、返波管等。

真空三极管

最简单的真空管——二极管（只有阴、阳两个电极），由灯丝、阴极和阳极组成。如下图所示。

电流流过灯丝，使其发热，并加热阴极，为电子提供足够的能量，从而在加热的阴极周围形成称为空间电荷区的电子云。通过向阳极施加正电压，带正电的阳极会从空间电荷区吸引电子，从而在管中产生电流。

故在真空二极管中，电流只能从阳极流向阴极（电子从阴极流向阳极）。如今仍然使用二极管这个术语来指代仅允许电流在一个方向上流动的电气组件，尽管如今这些设备都是半导体的。二极管通常用于整流，即将二极管从交流电（AC）转换为直流电（DC）。

1907年，美国人 DeForest Lee 在真空二极管阴、阳极之间加入第三个电极——控制栅（栅极），从而创造了第一个三极管。通过调节施加到栅极上的电压就可以控制从阴极流向阳极的电子数量。

因为电荷同性相斥异性相吸，故当栅极被施加负电压时，会排斥从阴极流向阳极的电子，栅极负电压越大，排斥作用越强，当负电压增加到一定值时，来自阴极的电子无法通过栅极并使电流中断。

当栅极被施加正电压时，会吸引电子从阴极流向阳极，电压增加得越多，越多的电子可以更快速通过它，电流也就越大。因此，三极管可以用作电流开关。

三极管还可用于放大信号，在栅极被施加正电压的情况下，栅极电压的微小变化会导致阴阳极板之间电流的大变化。

通过这种方式，可以将板上的小信号转换为具有相同波形的大信号。增大极板电压也可以增加极板电流，但此时需要大幅度的电压增幅，才能实现相同的电流放大。

当然三极管也有自己不足的地方，故在三极管的基础，通过增加栅极的数量，形成四极管和五极管。虽然这些新增栅极能增加真空管的稳定度等，但其功能基本和三极管一致。

线性注管（O型管）

在雷达发射机中，使用较多的线性注管有行波管、速调管和行波速调管三种。

电子注管的特点是阴极所产生的电子呈直线形，因此又称为直线电子注微波管。直线形的电子注在相互作用区与输入射频信号所形成的射频场相互作用，电子注受到射频场的调制而形成群聚。

群聚的电子注又把从直流场取得的能量交给射频场，使射频信号得以放大。射频能量的电子注仍以一定的速度打到阳极，被阳极吸收。为了使电子注在渡越过程中保持细长的圆柱形，通常需要加上与电子注平行的直流磁场，防止电子注的散焦。

如下图为行波管结构示意图。

正交场微波管（ M 型管）

M 型微波管按相互作用区间的不同，分为谐振型和非谐振型两类。谐振型在相互作用区间内存在的是射频驻波场，其最有代表性的管种就是常规雷达中用得最多的磁控管。非谐振型按电子注与射频场前向波（其相速与群速方向一致）相互作用还是与射频场的返相波（其相速与群速方向相反）相互作用来区分：前者称为前向波管；后者称为返波管。

渡越时间效应

在栅极真空管的工作原理上，我们来了解渡越时间以及渡越时间效应。

电子是电荷的基本单元，是所有稳定的基本粒子中质量最小的存在。尽管电子质量很小，但它仍有一定的质量，因而是有惯性的。在电场作用下，电子受到加速度，能达到一定的速度。

而电子在一定电压的作用下，从电子管一个电极运动到另一个电极，总是需要一定时间的，该时间就称为电子在这两个电极间的渡越时间。

例如，在相距 2 毫米的平板电极间加上 100 伏的电压，电子以零速度飞离阴极，到阳极所需要的渡越时间大约是十亿分之一秒。

对于长波、中波、短波无线电波，信号周期较大，电子渡越时间比信号周期小得多，电子在飞越电极间的空间时，信号相位变化极小。因此，可以认为电子是无惯性地越过了电极之间的空间。例如，当频率为 1MHz 时，信号周期为一百万分之一秒（T=1/f），电子渡越时间比信号周期小的多。

然而，进入微波（300MHz—3000GHz）波段后，信号周期变得可以和渡越时间比拟甚至更小。例如，当频率为 300MHz 时，信号周期为  秒；当频率为 1000MHz 时，信号周期为  秒。

此时，电子飞越电极间的时间将会对信号的相位产生影响。故静电控制的电子已不再是一个无惯性的器件，电子渡越时间效应导致阴极负荷加重、栅极电子负载加大、效率下降，这就是渡越时间效应。

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