微波傳送 (二) ----梁柏年 VR2YIZ

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本文原刊載於 中無通訊 2015年10月號 第74期。

              電視用大功率電子管

發射台使用的高頻大功率後級, 是怎樣構成的?

   我台(按：香港電視發射台)在60年代末期建成, 所使用的功率後级也是用电子管完成的，以下將這個電子管的情況詳細介绍一下：

    我們都知道電子在一定的電壓作用下從電子管的一個電極運動到另一個電極，總是需要一定的時間，稱爲電子在這兩個電極間的渡越時間。例如,在相距2毫米的平板電極間加上100伏的電壓，電子以零初速飛離陰極,到達陽極所需要的渡越時間大約等于十億分之壹秒（10-9秒）。 對於長波、中波、短波無線電波,訊號周期較大,電子渡越時間比訊號週期小得多，電子在飛越電極間的空間時，訊號相位變化極小。因此，可以認爲電子是無慣性地越過了電極之間的空間。例如，頻率爲1兆赫時,週期爲一百萬分之一秒，電子渡越時間比訊號週期少得多。 進入微波波段以後，訊號週期已變成可以同渡越時間相比擬，甚至更小。例如，當頻率爲300兆赫時,訊號週期爲3.3×10-9秒；在1000兆赫下，訊號週期爲10-9秒。在這種情況下，靜電控制電子管已不再是一個無慣性的器件，電子渡越時間效應導致陰極負荷加重、柵極電子負載加大、效率下降。 普通靜電控制電子管之所以不能工作于微波波段，還遇到電路方面的限制。靜電控制電子管各電極之間存在極間電容，電極引線具有電感。由極間電容造成的容抗和引線電感造成的感抗，與頻率有直接關系。在較低工作頻率下,容抗和感抗的值都很小,對電路的影響不大。而在微波頻率下，這種容抗和感抗在諧振電路總電容和總電感中便占據很大比例，限制工作頻率的提高。此外，在微波頻率下，普通靜電控制管的開敞式電極向外輻射電磁能量，構成損耗；玻璃管殼的介質損耗也比較大。

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如何將渡越時間的減小與利用?

爲了使普通靜電控制電子管能夠工作于微波波段,必須設法減少電子渡越時間。一個方法是減小靜電控制電子管的極間距離並採用平板形結構。現代微波管極間距離最小可達0.025毫米,制造時各個電極要嚴格平行。另一方法是在電極之間加上比較高的電壓，但這受到介質絕緣強度的限制。爲了克服極間電容、引線電感、輻射損耗、介質損耗等電路方面的限制，可以改變電極結構，使靜電控制電子管電極成爲諧振電路的一部分。採用封閉式諧振電路（同軸腔或波導腔）和損耗較小的陶瓷介質等，遂逐漸形成微波四極管這一類的微波管。
儘管采取了上述各種措施，當微波四極管在更高頻率下工作時，仍然遇到由于電子渡越時間效應而引起的嚴重問題，諸如陰極發射電流密度不足、柵極電子負載增加以及效率降低等。
在毫米波的短波一端或亞毫米波，要實現上述要求極爲困難。這時工作波長僅爲毫米、亞毫米量級，慢波電路中微波場的慢波波長更短（取決於微波管工作電壓，慢波波長通常爲工作波長的百分之幾到十分之幾），即以1毫米工作波長的大功率器件計算,慢波波長只有零點幾毫米。要使大量電子聚集在比亞毫米短得多的區域內，由于存在電子空間電荷斥力而極爲困難。這個問題在電流較大、空間電荷密度較高的大功率器件中更爲嚴重。然而，如果電子群與波長相比過于分散，將造成效率下降和功率降低。

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半導體器件的關係

低頻率、小功率微波電子管遇到半導體器件的激烈競爭，60～70年代以來生産數量逐年下降。但在大功率能力上，微波電子管優于半導體器件。大功率、高頻率以及寬頻帶微波電子管，將繼續得到廣泛應用。
由于電子管體積大、功耗大、發熱厲害、電源利用效率低、結構脆弱而且需要高壓電源的缺點，現在它的絕大部分用途已經基本被固體器件晶體管所取代。但是電子管負載能力強，線性性能優于晶體管，在高頻大功率領域的工作特性要比晶體管更好，所以仍然在一些地方繼續發揮著不可替代的作用。

以下圖片為已退役的視頻功率發射管8F63R及管座，全部用金屬封包，以利於屏蔽，內藏風冷通道,各電極接口, 同軸輸入輸出接囗及輸入輸出口的調諧/偶合電路, 由於同軸輸入輸出是50歐姆阻抗,電路接成共栅極, 即陰極為輸入, 屏極為輸出。全長60cm，重量超過20kg。 ( 如底圖相片 )


8F63R JRC 通信用風冷式四極管
(8F63R JRC Forced Air Cooled Transmitting Tetrode)
最大屏損 5KW通信用風冷式四極管.UHF　2kW電視發射機選用、需要UHF 300W功率推動力
1963年硏發
陰極(Filament)        電圧 4.0V、電流 78A
(thoriated Tungsten)
(Mesh Cathode)
外形尺寸        全長:188mm、最大部份直径:150mmφ (如上圖)
C級電信用(Class C Telegraphy) 最大定格(Maximum Ratings)
陽極直流電圧(DC Anode Voltage)        5000V
陽極直流電流(DC Anode Current)        1.8A
陽極損失(Anode Dissipation)        5000W
最高工作頻率(Frequency)        800MHz
        

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以下四幅圖片顯示 8F63R 通訊用風冷四極管放入這個套殼的位置。

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8F63R 結構、特性曲線圖：