工作在微波波段的真空電子器件。電磁波譜中的微波波段是指頻率從300兆赫到3 000吉赫，對應波長從1米到0.1毫米之間的電磁波。由於科學技術的發展，微波電子管工作頻率的上限已擴展到3 000吉赫，對應波長為0.1毫米。由於固態微波器件的迅速發展，低頻率、小功率微波管的生產，已呈下降趨勢。但高頻率、大功率領域，仍然是微波電子管牢固的應用範圍。在對惡劣環境的承受能力方面，許多微波管型都顯示出優良性能，如有的通信衛星上轉發器用的行波管壽壽命可達10年以上。
圖1 一種微波三極管的結構(a)及其與外電路的連接情況(b)
微波三、四極管 普通靜電控制的電子管不能在微波波段工作，主要是受電子渡越時間效應和極間電容、引線電感的限制。通過減小極間距離和增大等效工作電壓以縮短電子渡越時間，采用圓柱狀電極引出和盤封結構以減小引線電感和極間電容，以及采用提高電極散熱提高陰極發射和用精密而無柵發射的控制柵極等方法，終於研發出瞭能夠工作在微波頻率的三、四極管。微波三、四極管有多種類型，通常的工作頻率范圍為300兆赫至16吉赫。在分米波段連續波功率可達數十千瓦，脈沖功率可達兆瓦量級。圖1給出典型的微波三極管的結構及其與外電路的連接情況。為滿足高清晰度電視DTV和HDTV的要求，研發出瞭效率高、相位和幅度線性好、穩定度高的速調四極管（又稱感應輸出管IOT）和雙端四極管。在IOT中，輸入諧振腔接在柵極和陰極之間，射頻信號進入加到柵極上，對電子註進行速度調制。電子註穿過漂移區，形成密度調制，經諧振腔耦和輸出放大射頻功率。電子註由收集極收集。管子加聚焦磁場線圈，以保證電子註的質量。為數字電視發射機生產的IOT，峰值功率可達到40～100千瓦，平均功率為10～30千瓦。雙端四極管是由兩個四極管組成。燈絲電壓提高瞭一倍，脈沖輸出功率幾乎可達原四極管的一倍。
磁控管和正交場放大管 這類器件中，電子運動方向、直流電場和恒定磁場三者相互垂直，因而又統稱為正交場器件（M型器件）。圖2給出瞭一種磁控管的結構和電子運動情況的示意圖。直流電壓Ua和恒定磁場B的大小，恰好使電子在圓周方向的平均漂移速度正好等於該方向上微波場的相速。在電子與微波場同步運動的過程中，處在微波減速場中的那部分有利電子將自己的直流位能逐漸交給微波場，有利電子向陽極靠攏，最後為陽極收集。處在微波加速場的那部分電子從微波場獲得能量，稱為不利電子，向陰極運動，最後打在陰極上，打出大量的次極電子，使互作用空間的電子數量增加。管子的設計應使最大減速場區成為電子的群聚中心，最大加速場區成為電子的散聚中心。這樣在建立振蕩的過程中，有利於電子越來越多，形成輪輻狀電子雲，從而在磁控管中建立穩定的微波振蕩。磁控管有多種結構。脈沖磁控管管型系列的脈沖寬度0.004～60微秒；通常工作頻率250～120吉赫，最短工作波長可達2毫米（峰值功率1千瓦）；脈沖功率幾十瓦至幾十兆瓦；效率可達70％～80％；壽命可達幾萬小時。為瞭不幹擾雷達和通信設備的正常工作，國際規定醫用和工業用磁控管的工作頻率為915±25兆赫及2 450±50兆赫。數百瓦至千瓦量級的廉價的連續波磁控管用於傢用微波爐。頻率可調磁控管特別是頻率捷變磁控管，能提高雷達的抗幹擾能力。電壓調諧磁控管，調諧速度快、調諧線性好，可提供幾百瓦的連續波功率，常用於電子對抗設備的微波功率源。同軸磁控管頻率穩定性高，常用於動目標顯示、精密跟蹤和測距雷達。由於磁控管采用諧振結構，因此頻帶窄。
圖2 一種磁控管的結構和電子運動情況
正交場放大管采用傳輸型互作用電路（慢波電路），因而頻帶較寬。管子一般由電子槍、慢波電路（陽極）、底極、能量耦合器、收集極、磁路等部件組成，結構示意圖見圖3。分佈發射式器件不采用專門的電子槍，底極即發射電子的陰極；重入式器件不設收集極，電子由陽極收集。待放大的微波信號由輸入能量耦合器輸入慢波電路，調節陽極電壓和磁場量值，使電子平均漂移速度與慢波電路中傳播的波的相速相等，在與微波場互作用的過程中電子註形成群聚。電子在向陽極運動的過程中把直流位能交給微波電磁場，在輸出端得到放大瞭的微波能量。正交場放大管可分為前向波放大管和返波放大管兩大類。前者波的相速方向（電子運動方向）與群速方向（微波能量傳輸方向）一致；後者相速方向與群速方向相反。前向波放大管有註入式（電子註是不重入的）和分佈發射式（有電子註重入和不重入兩類）兩種。返波正交場放大管隻有分佈發射式的，其中的增幅管電子漂移區很短。正交場放大管的脈沖功率從幾百瓦到幾兆瓦，連續波功率可達千瓦量級。效率通常為40%，增幅管可達60%～70%。頻帶寬度一般為10%～15%。正交場放大管一般用於放大鏈式雷達發射機的末級。
圖3 幾種主要的正交場放大管
速調管 速調管是超大功率微波放大器的優選管種。管子由電子槍、諧振腔、調諧系統、各腔之間的漂移管、能量耦合器、收集極和聚焦系統組成。具有兩個以上諧振腔的速調管稱為多腔速調管。圖4給出瞭雙腔速調管和多腔速調管結構示意圖。經由能量耦合器進入輸入腔的微波信號，在諧振腔隙縫處形成微波信號電壓。電子槍發射出的電子註進入輸入腔隙縫時，受到微波場的速度調制（電子之間產生速度差異），然後進入無微波場的漂移管。在漂移過程中發生電子群聚，電子註內形成密度調制。設計使得輸出腔隙縫處群聚電子處於微波減速場中，電子把動能交給輸出腔的微波場，完成放大的功能。放大瞭的微波功率經能量耦合器送出。為瞭提高增益，可在輸入腔與輸出腔之間設置一個或多個中間腔，構成級聯放大器。多腔速調管的增益可達80分貝，效率最高可達75％。頻帶一般為1％～2％，大功率速調管可達10％～12％。連續波速調管的工作頻率分佈在220兆赫至36吉赫范圍內，輸出功率可達1.2兆瓦（1.25吉赫）和1.5千瓦（35吉赫）。脈沖放大速調管工作頻率在220兆赫至95吉赫范圍內，脈沖功率可達8千瓦（95吉赫）和60兆瓦（3吉赫）。多（電子）註速調管，在大大降低工作電壓的情況下，保持瞭大功率速調管功率高、效率高、瞬時帶寬寬等優點，工作在P–X波段，峰值功率由數十千瓦到數百千瓦至兆瓦，平均功率由數千瓦至數十千瓦，帶寬可達10％。毫米波反射速調管的工作波長可至1.5毫米，輸出功率超過10毫瓦。
圖4 雙腔速調管和多腔速調管結構示意圖
行波管 行波管由電子槍、慢波電路、集中衰減器、輸入、輸出能量耦合器、聚焦系統和收集極等部分組成，結構示意圖見圖5。電子槍產生電子註，磁聚焦系統約束電子註，使之順利穿過慢波電路。微波信號經輸入能量耦合器進入慢波電路，並沿慢波電路行進。電子受行進中的微波場作用，發生速度調制，再變成密度調制形成群聚。設計電子註速度，使群聚電子長時間處於微波場的減速場中。電子交出動能（速度變慢），微波場能量增加，微波信號得到放大。放大瞭的微波信號經輸出能量耦合器輸出。集中衰減器放在慢波電路中段偏近電子槍的位置上，吸收由輸出能量耦合器反射而傳向輸入能量耦合器端的微波能量，從而切斷內部反饋，防止自激振蕩。收集極收集相互作用後的電子。降低收集極電壓可提高行波管總效率。在電子槍中陰極近旁設置網狀柵極，可構成脈沖行波管。單個柵網有電子截獲，柵網承受電子轟擊的能力有限，平均功率受到限制。研制成功的無截獲柵由陰影柵和控制柵組成，兩個柵網的每根網絲都嚴格對準，陰影柵與陰極同電位，沒有電子轟擊，並且防止瞭電子轟擊控制柵，因而無截獲柵脈沖行波管的微波平均功率可達到較高水平。慢波電路有螺旋線型、環桿或環圈型、各種結構的耦合腔型。螺旋線型行波管的頻帶很寬，有的達到3個倍頻，增益都可達到70分貝；已有脈沖功率10千瓦和4兆瓦的行波管、連續波行波管在10吉赫下輸出功率可達14千瓦，38吉赫下達1兆瓦。耦合腔行波管最短工作波長可達3毫米，管子輸出峰值功率1千瓦，平均功率250瓦。通常行波管的電子效率約在10％～20％范圍，隨工作頻率升高效率下降。采用相速變化的措施讓電子交給微波場更多的直流能量，可提高電子效率；采用多級降壓收集極，總效率可達73%（頻率11.2吉赫，連續波輸出128瓦）。此外，行波管還具有動態范圍大和噪聲低等優點。已研發出多模行波管，既可工作在連續波模式，又可工作在幾種脈沖模式。近年發展的微波功率模塊，把微波（毫米波）單片集成電路(MMIC)放大器、行波管和一個電子功率調制器(EPC)結合在一起，保證瞭各項技術的最佳效用。
O型返波管 是一類微波振蕩器件。在行波管中，沿慢波電路傳輸的微波能量流的方向與直飛的電子運動方向相同，所以行波管是一種前向波放大管。在O型返波管中，沿慢波電路傳輸的微波能量流的方向與電子運動的方向相反，電子與前向傳輸的微波能量流所含的負一次空間諧波作用，產生微波振蕩。O型返波管的電壓調諧范圍可達倍頻程以上，最高工作頻率可達1 250吉赫。它是傳統微波管中能達到亞毫米波段的實用器件。O型返波管常用作信號源、小功率振蕩器。
回旋管 當工作波長縮短到幾毫米時，普通結構的微波管在機械加工的公差、結構散熱、陰極負荷等方面都遇到極大的困難。最簡單的回旋管是回旋單腔管，其結構示意圖見圖6。電子槍陰極發射的高能量環狀電子註（電壓一般為數十千伏，電流為數安至數十安），在軸向恒定磁場B0作用下，註中電子繞磁力線作高速回旋運動（回旋頻率正比例於磁場值）。為提高軸向恒定磁場值，可采用超導磁體。互作用腔是由一段兩端敞開的圓截面波導構成，腔的內壁為光滑的金屬面，沒有慢波結構。回旋管可工作在互作用腔的高次模式上，腔的尺寸不受與工作波長共度這一原則的限制，因而尺寸可以較大，利於管子制造。設計互作用腔的諧振頻率為電子回旋頻率的正整數倍(1、2、3、…)，電子就與腔中的角向電場E（|E|為模）相互作用，將回旋能量交給電磁場，從而激勵出微波電磁場。電子由收集極收集。微波能量從輸出窗輸出。正整數倍的數值越小，互作用的效率就越高。除回旋單腔管外，還有回旋速調管、回旋行波管、回旋返波管等管型。由原理限制，回旋管的頻帶很窄。正在研制91.392吉赫、峰值輸出功率10兆瓦、效率40%、增益55分貝的回旋管，用於艦載雷達、醫用和材料研究。此外，還研制出瞭配尼管、奧羅管（又稱繞射輻射振蕩器）等毫米波、亞毫米波器件。另一類真空電子器件——自由電子激光器正在探索之中。
圖5 行波管結構圖
圖6 回旋單腔管
天線開關管 雷達發射微波脈沖功率與接收目標回波信號共用一副天線，用來完成收發轉換功能的器件，稱作天線開關。高品質因數諧振放電器是一種天線開關，示意圖見圖7。在密封圓柱形諧振腔內微波電場最強的位置，設置一對空心電極，其中一個電極內插入塗有放射性元素的輔助電極。諧振腔的輸入、輸出端用真空密封窗與饋線耦合。管內充低壓強混合氣體。當接通輔助電極回路時，在輔助電極頂端形成輝光放電，為高頻電極空間提供初始電子。當諧振腔輸入幾十毫瓦以上微波功率時，錐形電極間形成高頻放電，導致諧振腔失諧，使輸入端與輸出端之間產生幾十分貝的電離。微波脈沖一旦結束，在捕獲性氣體作用下迅速消電離，在微秒級時間內，諧振腔恢復傳輸特性。這種放電器可進行電容性和電感性調諧。工作波長大於30毫米時，通常將放電管與諧振腔分為兩部分，構成外腔式。工作波長較短時，將放電管與諧振腔合為一體，構成內腔式。常用的天線開關還有寬頻帶諧振放電器、無源天線開關、多次電子倍增限幅器等，它們具有不同的性能，滿足不同的需要。
圖7 高品質因數諧振放電器