1.2　真空電子學(xué)的發(fā)展歷程

真空電子學(xué)屬于電子學(xué)，是研究電子在真空或廣義真空環(huán)境中運動時與場和物質(zhì)相互作用的學(xué)科，研究內(nèi)容涉及相關(guān)的原理、材料和技術(shù)，以及相應(yīng)的器件和設(shè)備等。真空電子學(xué)的開端可以追溯到19世紀(jì)末20世紀(jì)初，當(dāng)時科學(xué)家們開始研究真空中電子的行為，電磁波和電子的發(fā)現(xiàn)為真空電子學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。1858年，普呂克根據(jù)真空放電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了陰極射線；1864—1865年，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，并提出了電磁波輻射理論和光的電磁波學(xué)說；1883年，愛迪生發(fā)現(xiàn)了灼熱燈絲發(fā)射帶負(fù)電粒子的現(xiàn)象，即愛迪生效應(yīng)；1887年，赫茲用火花隙振蕩器產(chǎn)生電磁輻射，證實了電磁波的存在；1897年，約瑟夫·約翰·湯姆孫研究認(rèn)定陰極射線為帶負(fù)電的粒子（電子）組成的流，標(biāo)志著自由電子的發(fā)現(xiàn)。

有線通信和無線電通信的發(fā)展促進了真空電子學(xué)的誕生。1837年，莫爾斯發(fā)明了電報機；1876年貝爾發(fā)明了電話機，開創(chuàng)了人類電通信的歷史；1895年，英國的馬可尼和俄羅斯的波波夫分別進行了無線電波傳播實驗；1901年，馬可尼的橫貫大西洋的無線電報實驗獲得成功；1906年，費森登用調(diào)制無線電波發(fā)送音樂和講話，完成了歷史上最早的無線電廣播實驗。通信技術(shù)的日益發(fā)展迫切需要性能優(yōu)良的信號源、檢波器，這催生了電子管的發(fā)明。

1904年，英國的弗萊明發(fā)明了二極電子管（后文簡稱二極管），用作檢波器，這是最早的電子管。1906年，美國的德福雷斯特發(fā)明三極電子管，它是能夠產(chǎn)生和放大電磁波的有源器件，后來成為無線電裝備的核心器件。電子管的發(fā)明拉開了電子科學(xué)技術(shù)新時代的序幕。

由于受到電子慣性、電極本身及其導(dǎo)線的分布阻抗的影響，基于靜電控制原理的電子管工作頻率的提高受到極大限制。20世紀(jì)20年代起，科研人員相繼發(fā)明了磁控管、速調(diào)管和行波管等動態(tài)控制微波電子管。它們利用渡越時間效應(yīng)使電子注群聚，利用諧振腔等分布參數(shù)電路代替集總參數(shù)電路，大大提高了器件的工作頻率和功率。這些動態(tài)控制微波真空電子器件的發(fā)明和發(fā)展，大大推動了雷達、通信系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)和加速器等微波電子系統(tǒng)的發(fā)展。

由于受到器件尺寸、材料和工藝技術(shù)的限制，磁控管、速調(diào)管和行波管等微波真空電子器件在產(chǎn)生毫米波和更短波長電磁波方面遇到了很大困難。為了克服上述技術(shù)困難，1958—1959年，澳大利亞的特威斯、美國的施奈德和蘇聯(lián)的伽波諾夫分別獨立地預(yù)測與提出了以電子在靜磁場中做回旋運動的相對論效應(yīng)為基礎(chǔ)的電子回旋諧振受激輻射的機理。1965年，這一機理得到了實驗證實。隨后，蘇聯(lián)科學(xué)家利用電子回旋諧振受激輻射這一機理做出了回旋管，這也是第一個重點發(fā)展的電子回旋脈塞器件。由于在毫米波段及亞毫米波段表現(xiàn)出來的卓越性能，回旋管為毫米波、亞毫米波在雷達系統(tǒng)、毫米波通信、高功率微波系統(tǒng)、受控?zé)岷司圩兊阮I(lǐng)域的應(yīng)用起到了很大的推動作用，因此得到了世界各國的重視，并先后開展了回旋管的理論和應(yīng)用研究。

在各種類型微波真空電子器件發(fā)展的同時，包括微波電子學(xué)、陰極電子學(xué)、電子光學(xué)、微波理論和技術(shù)、真空材料和工藝等學(xué)科和技術(shù)在內(nèi)的真空電子學(xué)獲得了快速發(fā)展，為解決電子注與高頻電路相互作用、電子發(fā)射、電子注的形成和聚焦、高頻互作用電路、器件的材料和焊接工藝等科學(xué)技術(shù)問題奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2.1　真空電子器件的出現(xiàn)

電子管是一種最早出現(xiàn)的電信號放大器件。1904年，英國物理學(xué)家弗萊明在愛迪生效應(yīng)的基礎(chǔ)上制成了第一個電子管——靈敏檢波二極管（見圖1-1），標(biāo)志著世界開始進入電子時代。這個二極管包括一個發(fā)射電子的燈絲和一個陽極。燈絲被加熱到一定溫度后，可以發(fā)射電子。陽極被放置在離燈絲不遠處。燈絲和陽極都被置于真空中。當(dāng)燈絲處于負(fù)電位，陽極處于正電位時，燈絲發(fā)射的電子將被陽極所吸引并收集，使連接此二極管的外電路導(dǎo)通。當(dāng)燈絲處于正電位，而陽極處于負(fù)電位時，燈絲發(fā)射的電子將不能到達陽極，二極管不導(dǎo)通，因而外電路也不導(dǎo)通。此二極管被用于無線電通信系統(tǒng)作為檢波器，極大地提高了系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。

圖1-1　弗萊明發(fā)明的二極管

1906年，美國發(fā)明家德福雷斯特在弗萊明二極管的燈絲和陽極之間放入了一個柵極，從而發(fā)明了三極電子管（見圖1-2）。當(dāng)柵極上存在小的電壓變化時，陽極上可得到相應(yīng)的大的電壓變化，也就是說柵極上的電壓信號被放大了。這是人類獲得的第一個電子信號放大器。因此，許多人將三極電子管的發(fā)明看作電子工業(yè)真正的起點。三極電子管為人們打開了信號放大與調(diào)制的大門，成為20世紀(jì)初最偉大的發(fā)明之一。三極電子管的問世推動了無線電電子學(xué)的蓬勃發(fā)展。到1960年前后，國外的無線電工業(yè)年產(chǎn)約10億個無線電電子管。電子管除了被應(yīng)用于電話放大器、海上和空中通信，還廣泛滲入家庭娛樂領(lǐng)域，將新聞、教育節(jié)目、文藝和音樂等播送到千家萬戶。就連飛機、雷達、火箭的發(fā)明和進一步發(fā)展，也有電子管的一臂之力。

圖1-2　三極電子管

三極電子管的發(fā)明和改進使其能在射頻波段提供幾千瓦到幾十千瓦的功率輸出，為廣播電臺的建立提供了核心器件。1920年，西屋電氣公司（Westinghouse Electric Corporation）在匹茲堡建立了第一個廣播電視臺，到1924年就有約500家廣播電視臺在美國建立。

陰極射線管（CRT）是另一類電子管，它利用電子在真空中的運動受電場和磁場控制，以及電子轟擊熒光屏發(fā)光的原理，在熒光屏上再現(xiàn)被傳輸?shù)膱D像。1930年，美國開始研究黑白電視，到20世紀(jì)40年代黑白電視開始試播，第二次世界大戰(zhàn)以后得到了普及。

隨著科技的發(fā)展，人們對生產(chǎn)機械的要求向體積越來越小的方向發(fā)展，而電子管的體積大，且在移動過程中容易損壞，于是人們開始尋找和開發(fā)可替代電子管的產(chǎn)品。后來，晶體管的出現(xiàn)使越來越多的機械不再使用電子管。晶體管的出現(xiàn)是人類在電子學(xué)方面一個大的飛躍。

1.2.2　微波管

微波管是一種用于產(chǎn)生、放大和調(diào)制微波信號的電子器件，它經(jīng)歷了4個關(guān)鍵階段。

1．早期探索（20世紀(jì)初期）

微波管的概念起源于20世紀(jì)初期的無線電技術(shù)研究。在這個階段，人們開始意識到電子管可以用來生成和調(diào)制無線電頻率信號。1904年，英國物理學(xué)家約翰·弗萊明發(fā)明了真空二極管（又稱弗萊明管）。這是最早的電子管，能夠?qū)崿F(xiàn)電流的單向?qū)?，為電子管技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1906年，美國發(fā)明家李·德福雷斯特在真空二極管的基礎(chǔ)上增加了柵極，發(fā)明了真空三極管，實現(xiàn)了信號的放大功能。真空三極管的發(fā)明標(biāo)志著電子管技術(shù)的重大突破，為后續(xù)微波管的發(fā)展提供了理論和技術(shù)支持。

2．微波管的誕生（20世紀(jì)30～40年代）

隨著理論研究的深入與雷達技術(shù)應(yīng)用需求的增長，微波管的研究進入快速發(fā)展階段，人們研制出了多種基于電子注與高頻結(jié)構(gòu)互作用的微波管。1921年，美國科學(xué)家阿爾伯特·赫爾發(fā)明了磁控管。這種器件能夠高效產(chǎn)生微波信號，極大地提升了雷達的性能。1937年，美國發(fā)明家拉塞爾·瓦里安和西格德·瓦里安兄弟發(fā)明了速調(diào)管，早期應(yīng)用于雷達和通信系統(tǒng)的微波信號放大。1943年，魯?shù)婪颉た捣蚣{發(fā)明了行波管，實現(xiàn)了寬頻帶微波信號的放大。1946年，美國貝爾實驗室改進了速調(diào)管結(jié)構(gòu)，開發(fā)出反射速調(diào)管，應(yīng)用于早期微波振蕩器。1949年，返波管理論初步形成，后續(xù)由貝爾實驗室等團隊完善并通過實驗驗證，最終返波管成為毫米波和太赫茲信號源的核心器件。

3．技術(shù)成熟與廣泛應(yīng)用（20世紀(jì)50～60年代）

20世紀(jì)50年代起，微波管技術(shù)進入成熟階段，應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴展：磁控管逐漸被廣泛應(yīng)用于微波爐、雷達和通信系統(tǒng)，速調(diào)管和行波管開始成為衛(wèi)星通信、電視廣播和科學(xué)研究中的重要器件，返波管則開始被應(yīng)用于毫米波輻射源及其頻譜分析系統(tǒng)。1957年，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克1號”，它的通信系統(tǒng)中采用了行波管，標(biāo)志著微波管在空間通信中的首次應(yīng)用。到了20世紀(jì)60年代，微波管技術(shù)進一步發(fā)展，特別是在高功率和寬頻帶領(lǐng)域；行波管成為衛(wèi)星通信的核心器件，支持了全球通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)；速調(diào)管在粒子加速器和高能物理實驗中得到廣泛應(yīng)用。隨著核聚變研究的推進，需要頻率更高（毫米波、太赫茲）和功率更高的微波源，而傳統(tǒng)微波管無法滿足需求，在此背景下，蘇聯(lián)科學(xué)家基于電子回旋脈塞機理發(fā)明了回旋管。

4．與固態(tài)器件的競爭（20世紀(jì)70～80年代）

20世紀(jì)70年代，固態(tài)器件（如雙極型晶體管、場效應(yīng)晶體管和集成電路）的快速發(fā)展對微波管構(gòu)成了挑戰(zhàn)。在低功率領(lǐng)域，固態(tài)器件因體積小、功耗低、造價低、可集成的優(yōu)勢在諸多領(lǐng)域逐漸取代了微波管。盡管如此，微波管在高功率和高頻率領(lǐng)域仍保持優(yōu)勢，特別是在雷達、衛(wèi)星通信和科學(xué)研究中。20世紀(jì)80年代，微波管技術(shù)繼續(xù)改進，應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴展。行波管和速調(diào)管在電子裝備和空間通信中仍不可替代。磁控管在工業(yè)加熱、醫(yī)療設(shè)備及家用微波爐中得到廣泛應(yīng)用。回旋管則開始應(yīng)用于核聚變實驗裝置（如托卡馬克）中的電子回旋共振加熱。

5．現(xiàn)代發(fā)展（20世紀(jì)90年代至今）

20世紀(jì)90年代，微波管技術(shù)在高功率和特殊應(yīng)用中繼續(xù)發(fā)展。行波管和速調(diào)管在衛(wèi)星通信、雷達等應(yīng)用中占據(jù)重要地位。微波管在醫(yī)療設(shè)備（如癌癥治療中的微波熱療）和工業(yè)加熱領(lǐng)域得到應(yīng)用。進入21世紀(jì)，微波管技術(shù)進一步優(yōu)化，應(yīng)用領(lǐng)域更加多樣化。例如，在粒子加速器[如歐洲核子研究中心（European Centre for Nuclear Research）的大型強子對撞機]中，速調(diào)管被用于提供高功率微波信號。在空間通信中，行波管放大器是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心部件。返波管在太赫茲通信、成像及光譜分析研究中發(fā)揮著重要作用。隨著新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的發(fā)展，微波管在高頻率、大功率、小型化的太赫茲源技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域正展現(xiàn)出新的潛力。

下面從速調(diào)管的發(fā)明來看微波管的崛起。起初，人們想要利用普通的柵控電子管來產(chǎn)生波長更短的振蕩，或者在微波頻率下進行放大。但是，一些原來沒有料到的現(xiàn)象出現(xiàn)了：普通柵控電子管在頻率提高時，輸出功率迅速減小。進一步研究表明：電路和電子運動兩個方面的問題導(dǎo)致柵控電子管在頻率提高時性能變差。

（1）電路方面。柵控電子管通過金屬電極和導(dǎo)線與外電路連接。任何一根金屬導(dǎo)線都有一定的電感，并且電感與導(dǎo)線的長度和直徑有關(guān)：導(dǎo)線越長，電感越大；導(dǎo)線越細(xì)，電感也越大。一根直徑為1mm、長為3cm的導(dǎo)線，電感約為0.025μH。在頻率低時，它的影響的確是微乎其微的。在1GHz頻率下，這根導(dǎo)線的感抗則會高達157Ω。所以，柵控電子管里的導(dǎo)線在微波頻率下會使電子管的輸入電壓和輸出電壓下降。此外，相隔一定距離的兩塊通電金屬板之間具有一定的電容，柵控電子管工作時，各個電極之間也有一定的電容，叫作極間電容。柵控電子管的導(dǎo)線電感與極間電容一起決定了電子管的固有振蕩頻率。在這個頻率下，柵控電子管的輸入端等效于短路。如果向電子管輸送的信號頻率等于電子管固有振蕩頻率，信號就無法輸入。

（2）電子運動方面。電子從一個電極到達另一個電極所需要的時間，叫作電子的渡越時間。在柵控電子管中，電子從陰極發(fā)出，經(jīng)過柵極到達板極。在工作頻率比較低時，信號的振蕩周期比電子的渡越時間長得多，電子在飛越電極之間這段距離時，電極上的電壓可以認(rèn)為是恒定不變的。這時，可完全不必考慮電子渡越時間。當(dāng)電子渡越時間與信號周期相等時，電子飛行途中電極上的電壓已經(jīng)改變了極性，所以電子并不是總向前飛。即使渡越時間縮短到信號周期的一半，如果在電子飛到中途時信號改變極性，那么電子的能量變化也會很小。只有當(dāng)渡越時間小于信號周期的1/4時，才有大量的電子在信號場的作用下有效地輸出它們的能量。顯然，為了使柵控電子管能夠在更高頻率下工作，應(yīng)該設(shè)法縮短電子渡越時間?？s短電子渡越時間有兩種方法，一種方法是縮短電極之間的距離；另一種方法是讓電子飛得更快些，這就要增大電極間的電壓。這兩種方法都存在一些限制，所以縮短渡越時間不能從根本上解決柵控電子管所遇到的困難。

為了克服上面出現(xiàn)的困難，眾多研究人員做了大量嘗試。1937年美國的瓦里安兄弟制出了世界上第一個雙腔速調(diào)管。圖1-3所示為他們在1944年發(fā)表的雙腔速調(diào)管振蕩器。他們首先讓電子注穿過一個加載高頻信號的金屬間隙，使之獲得速度調(diào)制，然后讓電子注漂移一段時間，在這期間，后出發(fā)的高速電子追上先出發(fā)的低速電子，形成電子群聚，這樣就在電子注中產(chǎn)生了密度調(diào)制。受到密度調(diào)制的電子注具有顯著的高頻電流分量，當(dāng)它通過第二個金屬間隙時，高頻電流會在間隙上激勵起新的高頻信號，這樣電子注就將能量交給了高頻場，完成放大或振蕩的任務(wù)。其實最早提出電子注速度調(diào)制原理的是德國的奧斯卡和海爾。他們在1933年就提出了這種原理，可惜沒有進行應(yīng)用研究。

（a）雙腔速調(diào)管的結(jié)構(gòu)

（b）1944年的雙腔速調(diào)管振蕩器實物

圖1-3　雙腔速調(diào)管的結(jié)構(gòu)和雙腔速調(diào)管振蕩器

圖1-3（b）是1944年的雙腔速調(diào)管振蕩器實物，左邊是電子槍，右邊是收集極，兩個空腔諧振器位于中心，通過同軸電纜連接以提供正反饋。連續(xù)波速調(diào)管的功率從幾百瓦到幾百千瓦的都有，脈沖速調(diào)管可以達到20MW峰值功率。多腔速調(diào)管的增益最高可達70dB（1000萬倍）。多腔速調(diào)管被廣泛用于雷達發(fā)射機和微波通信，還用于激勵粒子加速器和介質(zhì)加熱。

多腔速調(diào)管由電子槍、聚焦線圈、高頻輸入諧振腔、中間諧振腔、高頻輸出諧振腔、各諧振腔之間的漂移管、收集極等部分組成（見圖1-4）。

圖1-4　多腔速調(diào)管的結(jié)構(gòu)

高頻信號由同軸線傳送到輸入諧振腔，在漂移管端部的隙縫上建立起高頻場。當(dāng)電子槍發(fā)射的電子注飛經(jīng)隙縫時，如果這一瞬間隙縫上的是加速場，電子就被加速，反之，電子被減速。因此，在輸入諧振腔隙縫，電子受到高頻場的速度調(diào)制。飛過輸入諧振腔隙縫以后，電子進入漂移管，在漂移過程中，被加速的電子趕上了被減速的電子，在電子注中形成密度調(diào)制。這個已經(jīng)群聚的電子注在通過第二個諧振腔時，在諧振腔隙縫上建立起感應(yīng)電壓，使電子注進一步受到速度調(diào)制。為了提高速調(diào)管的增益，可以采用多個中間諧振腔。輸出諧振腔與傳輸線（如波導(dǎo)或同軸線）耦合，經(jīng)傳輸線把產(chǎn)生的功率送到需要的地方。

1.2.3　諧振腔磁控管

1939年，英國沿海建立了許多雷達站。采用定向發(fā)射的電磁波照射100多千米以外的空中目標(biāo)，從反射的回波中獲得敵機位置、方向和速度等有用信息。這就是最早建立的雷達探測系統(tǒng)。如何獲得高功率微波源是制造雷達探測系統(tǒng)必須首先解決的問題。這些雷達站采用的是柵控電子管，工作波長大約為10m，能夠產(chǎn)生相當(dāng)大的脈沖功率。但是，雷達天線體積太大，探測精度不高。

英國物理學(xué)家布特和蘭道爾看著這些雷達站，產(chǎn)生了創(chuàng)造一種微波管的念頭。他們回到英國伯明翰大學(xué)以后，在1939年10月成立了微波管課題組，目標(biāo)是產(chǎn)生波長為10cm或更短的電磁波。

1939年11月，一個嶄新的設(shè)想萌發(fā)了：既然速調(diào)管和原始的磁控管都有優(yōu)點，那么，能不能把這兩種管子的優(yōu)點結(jié)合在一起，同時又避免它們各自的缺點，創(chuàng)造一種新型微波管？他們設(shè)想的這種新型微波管，就是采用諧振腔的磁控管。隨之而來的一個問題是：在這種磁控管里，用什么樣的諧振腔？

布特和蘭道爾在創(chuàng)造新型諧振腔時，仍從已有的知識出發(fā)。他們想起了赫茲在1887年所做的實驗，實驗中使用了簡單的、開口的圓環(huán)諧振器。布特和蘭道爾想到，把許多赫茲諧振器并排放在一起，變成一個開槽的圓柱形腔體，它一定也是一個諧振器！把一些這樣的腔體放置在陰極的外圍，能不能做出磁控管？

他們把自己的設(shè)計付諸實踐，首先于1939年11月做出了第一個陽極塊，隨后制成了第一個連續(xù)波磁控管。經(jīng)過反復(fù)的試驗，終于在這種諧振腔磁控管中產(chǎn)生了很大的微波功率，微波功率輻射到實驗室里，把氖泡點亮了！經(jīng)過測量，第一個諧振腔磁控管所產(chǎn)生的微波信號的波長是9.8cm，功率達到400W。后來，經(jīng)過進一步的重大改進。1940年，在裝有波長為10cm的磁控管的實驗雷達被制造出來了。因此，磁控管的發(fā)明是使雷達跨進微波波段的關(guān)鍵一步。如今，人們使用的微波爐中就采用了磁控管。當(dāng)前流行的多腔磁控管如圖1-5所示。

圖1-5　多腔磁控管

1.2.4　行波管

在幾種主要的微波管中，行波管出現(xiàn)得最晚。雖然原始的行波管在1943年就已經(jīng)被制造出來，但是，真正實用的管子到20世紀(jì)50年代初期才投入使用。雖然對第二次世界大戰(zhàn)來說，行波管是姍姍來遲了，但是戰(zhàn)后它在雷達、通信、電視、廣播等方面大顯身手。今天，行波管的產(chǎn)值占了所有微波管總產(chǎn)值的一半以上。

康夫納在1909年生于奧地利維也納。他原在奧地利攻讀建筑學(xué)，1934年到英國倫敦繼續(xù)深造，后來從事建筑師的職業(yè)。1941年，有人為康夫納謀求了一份工作，即在英國伯明翰大學(xué)研究電子管。為了提升速調(diào)管放大器的靈敏度，康夫納開始如饑似渴地涉獵電子管方面的知識。他讀遍了陰極射線管的著作，查閱了當(dāng)時已經(jīng)發(fā)布的速調(diào)管和磁控管的文獻，認(rèn)真地思考這些電子管的工作原理，還研究了電子管中的電子渡越時間效應(yīng)。一年后，他提出了一種新的方案：讓高頻場和電子前進的速度一致，使電子在向前飛行的全部時間內(nèi)都與高頻場發(fā)生作用。

為了達到降低電磁波傳播速度的目的，康夫納提出了原始的螺旋線結(jié)構(gòu)。他花了許多個日夜來研究這種電子與高頻場連續(xù)的相互作用可能產(chǎn)生的結(jié)果，進行了一系列的分析、計算，最終證明用螺旋線結(jié)構(gòu)可以使輸入功率得到放大。1943年，康夫納研究的管子在一次實驗加電后，從螺旋線輸出的功率比輸入功率大了約40%。功率放大約40%，這在今天看來是微不足道的，但對剛剛出世的新原理來說，是一個可喜的苗頭！

后來，康夫納的行波管得到了穩(wěn)定的放大，功率增益達到10倍，已經(jīng)高于他們原來制作的速調(diào)管?？捣蚣{又對管子的頻帶寬度進行了測試，發(fā)現(xiàn)在他所用的信號源的60MHz范圍內(nèi)，行波管都能穩(wěn)定地工作。康夫納意識到，行波管的放大特點是頻帶寬度。至此，一種寬帶的新型微波管——行波管誕生了。

今天，人們已能創(chuàng)造各種波長的行波管，波長從1m到300μm（對應(yīng)的頻率為300MHz到1THz），有的行波管能達到8個倍頻程帶寬，有的增益可以達到60dB（100萬倍），大功率行波管的脈沖功率可達兆瓦級，連續(xù)波功率達幾十千瓦。

行波管由電子槍、慢波結(jié)構(gòu)（Slow Wave Structure，SWS）、輸入和輸出裝置、收集極和聚焦系統(tǒng)等部分組成（見圖1-6）。

圖1-6　行波管的結(jié)構(gòu)

電子槍用來產(chǎn)生一個高直流能量的電子注，電子注進入慢波結(jié)構(gòu)中。同時，高頻信號經(jīng)輸入裝置進入慢波結(jié)構(gòu)。在慢波結(jié)構(gòu)中，高頻信號以與電子注近乎相同的速度前進，兩者的速度一般等于自由空間中電磁波速度（光速）的2%～10%。中、小功率行波管可以采用寬頻帶的螺旋線、環(huán)桿線等慢波結(jié)構(gòu)，大功率行波管通常采用耦合腔慢波線。電子注與慢波結(jié)構(gòu)中的高頻場發(fā)生連續(xù)的相互作用，使電磁波在慢波線里按指數(shù)規(guī)律迅速增長。輸入信號被放大后經(jīng)輸出裝置送到管外微波系統(tǒng)。電子注從慢波線出來以后，被收集極收集。聚焦系統(tǒng)的功能是使電子注在保持所需要的截面形狀和尺寸下順利通過慢波線，完成與高頻場的相互作用。行波管的聚焦磁場可由線圈或永久磁鐵來提供。

行波管具有增益大、頻帶寬、噪聲低等優(yōu)點，在雷達、通信、導(dǎo)航、遙測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1.2.5　其他真空電子器件

除了上述器件，還有很多其他類型的真空電子器件，如電子注管、光電管、X射線管等。

顯像管是電子注管的一種，它通過電子注掃描熒光屏，將電信號轉(zhuǎn)換為可見光圖像，常在電視、顯示器等設(shè)備中使用。

光電管是基于光電子發(fā)射現(xiàn)象，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件，可用于光電探測、太陽能電池等領(lǐng)域，實現(xiàn)光信號的檢測和能量轉(zhuǎn)換。

X射線管是一種能夠產(chǎn)生X射線的真空電子器件。它主要由陰極、陽極和高真空的玻璃管殼或金屬管殼組成。陰極通常是由加熱絲和發(fā)射電子的燈絲構(gòu)成，當(dāng)陰極被加熱時，燈絲會發(fā)射出電子。陽極一般是由高原子序數(shù)的金屬制成的靶面，當(dāng)電子在高電壓的作用下從陰極加速飛向陽極，并撞擊陽極靶面時，由于電子會突然減速，高速電子的部分動能會被轉(zhuǎn)化為X射線輻射出來。在醫(yī)療領(lǐng)域，X射線管是醫(yī)生的得力助手。它能夠發(fā)射出穿透力極強的X射線，幫助醫(yī)生清晰地看到人體內(nèi)部的骨骼、器官等，為準(zhǔn)確診斷疾病提供關(guān)鍵依據(jù)。從骨折的檢測到肺部疾病的篩查，從牙科的診斷到腫瘤的定位，X射線管在醫(yī)療診斷中發(fā)揮著不可替代的作用。在工業(yè)領(lǐng)域，X射線管同樣表現(xiàn)出色。它可以用于檢測材料的內(nèi)部缺陷，如檢測金屬鑄件中的氣孔、裂紋等，確保工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。在航空航天、汽車制造、建筑等行業(yè)，X射線管能夠幫助工程師及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，提高產(chǎn)品的可靠性和耐久性。