從衝浪原理聊聊微波放大器 – i創科技

從衝浪原理聊聊微波放大器


微波是一種電磁波,電磁波很難懂,各位比較容易懂的是海浪的波。我們在台灣都看過海浪的波,也看過人衝浪。我有一些寶貝學生,到了暑假就去衝浪,當然他們是週末去的,週一回來和我見面就很難為情,因為全身曬得漆黑。我一開始還會唸幾聲,後來就放棄了。可是我就問他們,到底如何可以衝浪的,我後來懂了,要衝浪必須人趴在衝浪板上,划到遠處等浪來,可是浪來的時候又要用力地划,使衝浪板往海岸前進的速度和海浪的速度差不多,這樣你的衝浪板就會隨著浪前進了。所以,我們必須要體力還不錯,否則你的衝浪板前進的速度比不上海浪的速度,就談不上什麼衝浪了。

photo credit: Rafael Gonzalez

 

電磁波顧名思義也是一個波,像圖一所示。

圖一

 

值得注意的是,電磁波是在前進的,但是我們完全看不見這個波。電磁波有不同的頻率,所謂頻率,就是一秒鐘震動多少次。我們現在所講的微波頻率是相當高的,如果又需要產生高功率的話,我們不能用普通的線路來放大它,而必須用一個微波真空管來將它放大。這個微波真空管有四大特性:

  1. 高頻率
  2. 高電壓
  3. 高功率
  4. 高真空

一個電磁波對我們而言,當然沒有什麼影響,我們聽不見又看不見它,可是對電子就不一樣了。電磁波造成了一個電場,這個電場可以看成一個力,這個力是專門對電子特別有作用的。現在我們假設有一個電子束,如圖二所示。

圖二

 

這個電子束通常是很細的一根,而且也不會四散。如果我們在這個電子束上面又讓電磁波通過,電子就會有群聚效應,也就是說,它們會擠成一團,如圖三所示。

圖三

 

電子真空管當然是一個很複雜的東西,可是它大致的原理,我可以用圖四來解釋。

圖四

 

這個管子的輸入是電磁波和電子束,我們的目的是要將電磁波放大,電子束裡面有很多的電子,因為電磁波的影響,電子就有所謂的群聚現象,因此我們可以看到一堆一堆的群聚電子。這個管子的前端叫做群聚段,電磁波到了管子的中間就被吸走了,但是電子堆繼續前進,到達真空管的作用段。每一個電子堆有很大的能量,這個能量一方面來自原來的高電壓,一方面來自電磁波。這個電子堆其實是一聚一散的,聚散也有一個頻率,有趣的是,這個聚散的頻率就是當初電磁波的頻率。由於電子堆有一聚一散的功能,它影響了它周圍的電場,也就產生了一個電磁波。這個電磁波的頻率和原來的頻率是完全一樣的,可是強度增加了很多。最後這個電磁波是輸出了,而輸出的是一個放大的電磁波。

問題來了,電磁波並不是固定不動的,它是在往前走的,可是它走得非常之快,物理學家告訴我們,電磁波移動的速度是光速,所以電子其實是趕不上它的,這有點像一個體力不夠好的人要想衝浪,一定衝不成,因為他划衝浪板所造成的速度是比不上海浪的速度的。因此,電磁波內其實有一個慢波結構,慢波結構可以使電磁波移動得比較慢。慢波結構其實是一種螺旋狀的結構,如圖五所示。因為這個波被引導沿著螺旋前進,當然速度就慢了下來,電子才趕得上。

圖五

 

慢波結構是相當不容易的事,要做得非常好,需要很高的技術。值得我們驕傲的是,我們的螺旋是國人自己設計、自己製造的。

電子束也當然不容易,因為我們不能讓電子束擴散,所以需要一個磁場來控制它。磁場當然就需要一個磁鐵,這個磁鐵必須絕對地均勻,只要有一點不均勻就不行。也值得我們感到驕傲的是,我們國家已經可以製造這種非常精密的磁鐵。

既然是真空管,當然就要真空。除了抽真空很難以外,還有一個問題就是焊接。能夠製造這種真空管的公司,必須對焊接非常了解,否則絕對做不出真空管來。

還有一點希望大家知道,這個真空管裡面需要很多非常特殊的材料,這些材料也都需要特殊規格。以美國為例,他們經常將這些材料列入不可輸出的物品,因為這對國家安全是有很大關係的。

微波真空管有很多用途,對我們國家的安全也有很密切的關係。我們國家能夠設計而且製造這種元件,是一件不容易的事。工程師必須對於電磁學有非常深入的了解,而且不能忽略很多的製造細節以及材料科學。只要有一個細節出了問題,這個真空管就做不出來了。幸好我們國家有這些非常優秀的工程師,他們的貢獻是相當重要的。他們所克服的困難幾乎是很難想像的,從開始研究到最後做出來,他們所花的時間有五年之久。

 

 

(本文經李家同教授同意授權轉載「從衝浪原理聊聊微波放大器」)

 

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關於作者


李家同
研究領域為符號邏輯、演算法設計分析、平行計算方法、生物資訊等相關研究,並在這些領域發表超過一百篇以上之國際論文。近年則從事時事評論和英文學習書籍寫作。

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