多腔磁控管

多腔磁控管示意圖

多腔磁控管是產生大功率超高頻振盪的一種高效率微波電子管。

現代實用磁控管的陽極是由整塊金屬製成的圓柱體開有很多個諧振腔，中心是圓柱形陰極電子發射極，在兩端安裝永磁磁極形成固定磁場；由圓柱形熱陰極發射的電子流受到陽極與陰極間的電場和外加軸向恆定磁場的作用，形成複雜的運動軌跡，激勵諧振腔產生超高頻振盪；其振盪的能量一般用置於諧振腔內部的耦合環經過同軸線引出；磁控管發生的脈衝功率可以高達 10Mw。主要用於雷達發射機、微波爐和其他大功率超高頻振盪器。

研發

1920 年，Albert Hull 於美國 “通用電氣” 發明了一種由數支管型陽極環繞一箇中心陰極的分瓣電極式 “磁” 控管 /split-anode magnetron，只達到了 30kHz。

1921 年，東普魯士人 Erich Habann 發明了使用兩端磁極形成固定內部磁場的磁控管，取代了 Hull 使用的電場電極，雖只有等效 2 腔的設計並缺乏實用價值，但這是磁控管的關鍵，首開了不依賴龐大的外加交變電磁場激勵裝置的自激振盪，由此實現了 “磁” 控，使小體積高效率高頻率成為可能，這也是後來 Hollmann 和 Randall 設計的基礎。

1935 年：A.L.Samuel 於 “貝爾實驗室” 開發出多腔磁控管的模型。同年法國 Gutton 用磁控管產生 16 釐米波長，

1935 年 11 月 29 日德國人 H.E. Hollmann 註冊了一項多腔磁控管專利，具備兩端磁極，4 腔結構，與當今磁控管已極為接近。但當時德國在二戰前傾國家資源的 10 年雷達研究中，除常規的真空三極體震盪器雷達外，於 1934 年選擇 “調速管 / Klystron” 用於雷達，較前者功率密度更高，較後來的磁控管功率密度低卻更容易穩定頻率。並於 1939 年製成實用的 FuMG 39“維爾茨堡 / Würzburg”-A 雷達，頻率 560MHz，脈衝功率 7-11 千瓦，裝置連天線全重 1.5 噸，初始設計配合 88 毫米高射炮使用，架在 4 輪拖車上一同機動，亦需展開後固定使用，累計製造了約 4000 部；第三帝國總理希特勒當即參觀了這種雷達（此時還沒有配套的火控系統，雷達員只是用電波發現敵方戰機方位，口述通知高炮兵後，後者仍需靠肉眼和光學測距鏡尋的並射擊）。而 Hollmann 的磁控管設計當時未得到足夠的資源將其專利實用化，後於 1938 年將全部專利公開。同期德國空軍將調速管縮小後，於 1942 年在夜間戰鬥機上列裝 FuG 202“夜光石 / Lichtenstein” 機載雷達，頻率約 500MHz，功率只有 450 瓦，重約 55 公斤。當 1943 年 2 月 2 日，德軍在荷蘭鹿特丹擊落一架英國空軍的斯特林轟炸機的殘骸中發現了磁控管雷達後，才意識到其作用，並開始緊急研製；雖然德國知道磁控管的原理，開發實用雷達仍有大量工作，FuG 224 “柏林” 雷達終於 1944 年後期完成，頻率 3.3GHz，脈衝功率 10 千瓦，來得太晚也太少。

1936 年蘇聯的 Aleksereff 和 Malearoff 根據查到的資料製成一隻能實際執行的磁控管。達到了 300 瓦功率，3GHz 頻率，10cm 波長。蘇聯的雷達主要參照德國雷達採用 “反射式調速管 / Reflex-Klystrons” 也沒有將磁控管實用化，且頻率較低在 200MHz；同樣首先用於陸軍，“縮小” 後亦於 1942 年裝在 Petljakow Pe-2 大型夜戰機上。蘇聯紅海軍在戰爭中缺乏施展的餘地，處於次要地位，不過海軍士兵上岸步戰變為 “黑死神” 發揮了出人意料的戰鬥力。

1940 年和約翰・藍道爾 John Randall 於英國 “伯明翰大學”，在 Hollmann 的基礎上，將 4 腔改為 6 腔，並在外壁增加水冷設施，成功達到了數千瓦的脈衝功率，3GHz 頻率，10cm 波長（蘭道爾此前已經研究磁控管多年，但他本人最初的牛角形設計，仍採用沿軸分佈的多個環形線圈產生交變磁場，而非 Habann 首先採用的兩端永磁磁極誘發交變磁場，是另一種實用性不強的式樣）；功率的增強使其具備了用作雷達的實用標準。而英國在二戰前傾國家資源的 10 年雷達研究中，選擇使用大量的傳統水冷真空雙三極體震盪電路透過相陣天線疊加增強和掃描的 “短波雷達” 技術，振盪器頻率 30MHz，在全英構築了被稱為 “鏈屋 / Chain Home” 的龐大天線陣，整個雷達系統需依賴大型天線，不可移動，在 1940 年的不列顛空戰時發揮了極大作用。同期的英國海軍的艦載雷達也使用真空三極體震盪器，1938 年 Type 79 radar 研製成功，1940 年改良為 Type 279 並立即裝上了 “胡德號 / HMS hood” 等英國大型戰列艦，頻率 40MHz，疊加功率 70 千瓦。

美國自 1936 年 10 月開始研製雷達，主要參照英國短波雷達，使用水冷真空雙三極體振盪器達到更高頻率約 200MHz；1938 年海軍試製了 XAF 雷達，並搬上戰列艦 “紐約號” 試用，XAF 雷達不太可靠，後被更專業的美國無線電公司 RCA 研製的 XCAM 雷達取代；XCAM 雷達在改良的同時也出了陸軍版本，1940 年陸軍擁有了 SCR-268 radar，頻率 205MHz，疊加功率 50 千瓦，1941 年 12 月其改良型 SCR-270 在珍珠港的奧帕納山頭上發現了來襲的日機。1940 年敦刻爾克大撤退，盟軍丟失了近乎所有的在歐洲的重型裝備，英國此時戰爭資源已捉襟見肘；大英帝國首相丘吉爾知道英國已無力再開發磁控管雷達，令亨利・蒂澤德 Henry Thomas Tizard 爵士實施 “蒂澤德行動 / Tizard Mission”，將磁控管雷達技術交給美國繼續開發；由此 “藍道爾” 將其設計帶到美國，成為美國微波雷達之父，從而使得大戰中美國的分米波雷達技術突飛猛進，雖然在最初講解時，沒有人能明白這位英國人在用英語說什麼。蘭道爾的設計於 1 年後在美國完成並小批次生產，由此脈衝功率 10 千瓦級別的雷達系統終於縮小並減輕至 100 公斤以下，比德國的同功率級 FuMG 39“維爾茨堡 / Würzburg”-A 雷達輕了 1 個數量級，不過因波長過於接近水分子的諧振頻率 2.45 GHz 會受雨、雪、霧的影響；2 年後改良後開始大批次製造，又作為援助物資提供給盟軍各國包括英國。

同期曾在德國獲得博士學位的日本人 “伊藤庸二” 在地球另一端進行對磁控管和雷達的研究，1941 年 10 月製成了日本的第一支實用磁控管，水冷，頻率 3GHz，最初脈衝功率 500 瓦，後逐步穩定在 2 千瓦。但 1941 年日本從德國獲得了機載調速管雷達，少量裝在九六式陸上攻擊機上用於太平洋反潛；日本海、陸軍的雷達根據各種途徑獲得的資料參照英國短波雷達開發，起步更晚，頻率 40MHz 至 100MHz，以致 1944 年 10 月的萊特灣海戰中還主要依賴探照燈夜戰；由此伊藤的磁控管也未實用化。

而 McLaughlin 聲稱 “蘇聯卻於 40 年代出版的刊物上聲稱兩名蘇聯學者先於 1936 年製成了多腔磁控管，以將它的發明歸功於自己名下（其類似的主張在飛機，無線電等多項榮譽中屢見不鮮），卻無法掩蓋大戰中蘇聯雷達與無線電技術落後，成為各交戰國中唯一在二戰時往夜間戰鬥機上裝米波雷達國家以及其戰列艦還要裝英國的艦載雷達的事實。”

原理

藉由相互垂直的磁場和電場形成的高頻電磁場，電子與高頻電磁場發生相互作用，產生微波能。

電子從位於中心的陰極射出，被勞倫茲力誘導呈現螺旋運動，在其運動路徑被施加電場做震盪，產生高頻輻射。

應用

3.1 雷達

在一個雷達裝置中，磁控管的波導被連線到天線。磁控管被施加電壓的極短脈衝操作，導致高功率微波能量的短脈衝被輻射。如在所有主雷達系統中，輻射反射離開一個目標被分析以產生一個螢幕上的雷達影像 yo。

3.2 加熱

在微波爐中，波導引出的射頻透明埠到烹飪室中。

3.3 照明

在微波激發照明系統，比如微波硫燈，一個磁控管提供一個微波場透過波導傳遞到包含有發光物質（例如，硫，金屬鹵化物等）的照明腔。這些燈比照明的其它方法要複雜得多，雖然高效但不常用。