磁控管原理 - 入門及動畫演示

1、 摘要摘要一、概述一、概述二、磁控管工作原理二、磁控管工作原理三、磁控管結(jié)構(gòu)三、磁控管結(jié)構(gòu)四、磁控管性能參數(shù)及測試四、磁控管性能參數(shù)及測試五、磁控管使用要注意的問題五、磁控管使用要注意的問題 一、概述一、概述 磁控管是微波電子管的一種，是一種重入式諧磁控管是微波電子管的一種，是一種重入式諧振型正交場振蕩器，通常作為高功率微波能發(fā)生器。振型正交場振蕩器，通常作為高功率微波能發(fā)生器。它最主要的特點(diǎn)是高效率和低工作電壓，其次是由它最主要的特點(diǎn)是高效率和低工作電壓，其次是由于結(jié)構(gòu)簡單而帶來的體積小、重量輕、使用方便、于結(jié)構(gòu)簡單而帶來的體積小、重量輕、使用方便、工作可靠和成本低等特點(diǎn)。主要用于雷達(dá)、通訊

2、、工作可靠和成本低等特點(diǎn)。主要用于雷達(dá)、通訊、電子對抗、微波加熱等方面。電子對抗、微波加熱等方面。 隨著微波理療、微波輻射武器、微波等離子推隨著微波理療、微波輻射武器、微波等離子推進(jìn)、微波促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等方面的發(fā)展，磁控管行業(yè)進(jìn)、微波促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等方面的發(fā)展，磁控管行業(yè)也得到了較大發(fā)展。也得到了較大發(fā)展。一、概述一、概述 磁控管由于工作狀態(tài)不同，可分為脈沖磁控管磁控管由于工作狀態(tài)不同，可分為脈沖磁控管和連續(xù)波磁控管二類，前者主要用于雷達(dá)、通訊、和連續(xù)波磁控管二類，前者主要用于雷達(dá)、通訊、電子對抗等，后者主要用于微波加熱及醫(yī)療等微波電子對抗等，后者主要用于微波加熱及醫(yī)療等微波設(shè)備，主要有三種：設(shè)備

3、，主要有三種：300300W W以下的供理療用以下的供理療用400-1000400-1000W W供微波爐加熱用供微波爐加熱用10001000W W以上供工、農(nóng)業(yè)使用以上供工、農(nóng)業(yè)使用 工作頻率有工作頻率有915915MHzMHz和和24502450MHzMHz兩種兩種二、工作原理二、工作原理一、總論 磁控管從原理上來講是一種特殊的二極管，它有一個(gè)圓筒狀的陰極以及一個(gè)與之同軸的陽極。在工作過程中陰極發(fā)射出的電子流在外部直流電場中獲得動能，并將動能的一部分轉(zhuǎn)換成振蕩體系的交變電場，就使振蕩體系維持穩(wěn)定的振蕩過程，振蕩體系通過天線耦合發(fā)射出微波。 重點(diǎn)：能量的來源；能量的交換。二、靜態(tài)磁控管的基本

4、特征 為了使問題簡單，我們先來研究一下在平板電極系統(tǒng)中存在正交的直流電磁場時(shí)電子的運(yùn)動特征，這樣的磁控管稱為“靜態(tài)磁控管”。 靜態(tài)磁控管系統(tǒng)如下圖所示： 假設(shè)兩個(gè)無限大的相互平行的平板電極（近似磁控管的陰極與陽極）間的距離為d，兩個(gè)極板之間的直流電壓為V，這時(shí)兩極之間的直流電場為E=V/d；兩極板之間還同時(shí)存在一個(gè)與圖面垂直的均勻直流磁場，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。二、工作原理二、工作原理1、靜態(tài)磁控管中電子的運(yùn)動（電場+磁場） 如無磁場，則電子逸出陰極之后，就會在電場力的作用下直接向陽極運(yùn)動，此電場力 若除電場之外，在陰極陽極空間還有一個(gè)磁場，那么電子運(yùn)動的軌跡就不再是直線。假設(shè)磁場強(qiáng)度是B，磁場方

5、向與圖面垂直，這時(shí)，電子就受到電場和磁場兩種外力的作用。 磁場對電子的作用力是：在電子運(yùn)動的全過程中，電場力F始終保持不變。但磁場力不但大小要變，而且方向也變 當(dāng)磁通密度B=0時(shí)為直線1；BBKP時(shí)為曲線2；B=BKP時(shí)為曲線3；BBKP時(shí)為曲線4。1、靜態(tài)磁控管中電子的運(yùn)動2、磁控管中的諧振系統(tǒng) 多腔磁控管中的高頻系統(tǒng)是一個(gè)有許多小的諧振腔組成的諧振系統(tǒng)，這些小的諧振腔的數(shù)目在厘米波段上的管子中，一般可有832個(gè)，毫米波段會更多些。這些諧振腔均勻的分布在陽極圓周上，而且每一腔的縫隙口均與相互作用空間相通，每個(gè)小腔不是孤立的，他們通過相互作用空間和管子的頂部空間相互耦合在一起，從而形成一個(gè)復(fù)雜

6、的多腔諧振系統(tǒng)。 現(xiàn)在我們設(shè)想一種“展開”式的磁控管，組成陽極塊的諧振腔不象平常一樣排列在圓周上，而是排列成一條直線（圖 12）。陽極與陰極之間有外加電源Ua構(gòu)成足夠大的電位差，并有一均勻磁場方向垂直圖面向里。電子流在恒定磁場與電場作用下，“吹過”電諧振器，此時(shí)，電子流就按擺線的軌跡運(yùn)動電子流的速度達(dá)到固定值Ve時(shí)，在諧振器中建立起振蕩。3、磁控管的自激4、磁控管諧振系統(tǒng)的諧振模式n多腔磁控管的諧振系統(tǒng)是一個(gè)由N個(gè)諧振腔組成的復(fù)雜系統(tǒng)，我們假定各個(gè)諧振腔都是完全相同的。如果振蕩已經(jīng)產(chǎn)生，則在各個(gè)諧振腔中都有高頻振蕩。在不同的腔中，振蕩的相位可以是不同的。但每兩個(gè)相鄰腔的振蕩相位差應(yīng)該是一樣的。

7、由于整個(gè)諧振系統(tǒng)是封閉的，環(huán)繞一整周時(shí)總的相位差應(yīng)為零或2的整數(shù)倍。于是可得： N=2*n n=0、1、2、3、- (1) 其中N為陽極諧振腔的數(shù)目，為相鄰諧振腔中電磁振蕩的相位差。 由（1）式得： =2n/N (2) 也就是說，當(dāng)磁控管的腔數(shù)N確定后，可以有許多不同的相位差同時(shí)滿足這一閉合回路的諧振條件。相應(yīng)于不同的n就有不同的諧振模式，他們有不同的諧振頻率和場結(jié)構(gòu)。n現(xiàn)在用一個(gè)八腔磁控管來研究這一問題。N=10模式編號01234567891011相位差0/52/5 3/5 4/56/5 7/5 8/5 9/52 /5+2不同的模式對應(yīng)的相位差5、磁控管中電子與高頻電磁場的相互作用 （能量轉(zhuǎn)

8、換） 當(dāng)振蕩已經(jīng)產(chǎn)生時(shí)，在相互作用空間就同時(shí)存在有四個(gè)場：恒定電場Eo、恒定磁場B0、高頻電場E、高頻磁場B。 如同所有其他振蕩器自激的條件一樣,電子沿陰極運(yùn)動的平均速度與陰極諧振腔口高頻場相位變化的速度同步，使電子運(yùn)動經(jīng)過各個(gè)腔口時(shí)始終都碰到是高頻推斥場。 從物理意義上說，這一條件就意味著電子始終處于高頻場的減速場中，這樣電子就最有效的把自己從直流電場中獲得的能量交給高頻場而完成能量轉(zhuǎn)換的任務(wù)6、電子輪輻 由于受高頻電場徑向分量的作用，第一類電子在運(yùn)動過程中落后和第三類電子在運(yùn)動過程中超前，而都逐漸接近于第四類電子。也就是逐漸地改善了相對于高頻場的相位，并落于推斥的切向場中，因而轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣?/p>

9、子，使得磁控管的效率提高了。這種群聚的結(jié)果就使從陰極出發(fā)的電子不再是均勻地繞著陰極運(yùn)動，而是相對于第四類電子形成電子群。這些電子群從陰極伸向陽極形成輪輻狀，我們稱之為“電子輪輻”。 陽極板天線輸出K+三、磁控管結(jié)構(gòu)三、磁控管結(jié)構(gòu)黑球黑球射頻密封墊射頻密封墊圈圈密封墊片密封墊片安裝底板安裝底板磁鐵磁鐵散熱片散熱片屏蔽盒蓋屏蔽盒蓋螺絲螺絲標(biāo)簽標(biāo)簽屏蔽盒屏蔽盒支架支架濾波組件濾波組件穿心電容穿心電容支架組件支架組件扼流線圈扼流線圈黑球黑球白球白球天線帽天線帽輸出組件輸出組件陽極組件陽極組件陰極組件陰極組件A側(cè)磁極側(cè)磁極A側(cè)磁極側(cè)磁極管芯構(gòu)造天線帽絕緣環(huán)均壓環(huán)陽極筒燈絲天線磁極A側(cè)陽極板磁極K側(cè)陽極回

10、路天線安裝位置均壓環(huán)(大)均壓環(huán)(小)陽極板陽極筒均壓環(huán)(大)均壓環(huán)(小)A側(cè)磁極天線陽極板陽極筒K側(cè)磁極陽極平面陽極斷面燈絲線圈的橫截面陰極構(gòu)造W2CW+ThO2(釷鎢)(碳化鎢)易碎的易碎的陰極回路端帽引出線鈦帽燈絲線圈K側(cè)管支持體本體端子支持體步驟：步驟： 散熱片壓散熱片壓入入 密封墊片壓入密封墊片壓入 螺釘緊固螺釘緊固 濾波組件鉚接濾波組件鉚接 屏蔽盒蓋鉚接屏蔽盒蓋鉚接四、主要性能參數(shù)及測試四、主要性能參數(shù)及測試磁控管的幾個(gè)常規(guī)電參數(shù)值如下：磁控管的幾個(gè)常規(guī)電參數(shù)值如下：1、Ebm 陽極電壓(KV) 2、Po 平均功率(W) 3、 效率 4、fo 頻率(MHz)5、If 燈絲電流 (A

11、) 6、Ib 陽極電流（mA） 7、Ef 燈絲電壓（V） 8、絕緣耐壓 9、微波泄漏例如： 2M219系列磁控管的性能參數(shù)： Ebm：4.20.2KV Po：94540W fo：245810MHz If：102A Ib： 最大值360mA（標(biāo)準(zhǔn)測試條件300mA）Ef：2.83.75V（標(biāo)準(zhǔn)測試條件3.3V） 耐壓：Et=10kVDC或Et=7.1kVAC t=60sec 絕緣：最小200M2M217系列磁控管的性能參數(shù)： Ebm：3.90.2KV Po：58030W fo：245610MHz If：102A Ib： 最大值250mA（標(biāo)準(zhǔn)測試條件200mA）Ef：2.83.75V（標(biāo)準(zhǔn)測試條

12、件3.3V） 耐壓：Et=10kVDC或Et=7.1kVAC t=60sec 絕緣：最小200M1 1、磁控管測試項(xiàng)目、磁控管測試項(xiàng)目 常規(guī)項(xiàng)目1、導(dǎo)波管實(shí)驗(yàn)2、匹配性能測試 3、輸入輸出性能測試 4、溫升試驗(yàn) 5、均勻性測試 6、EMI測試 7、壽命試驗(yàn)8、磁控管動作特性測試1 1、導(dǎo)波管實(shí)驗(yàn)、導(dǎo)波管實(shí)驗(yàn)一、試驗(yàn)方法一、試驗(yàn)方法試驗(yàn)準(zhǔn)備物：微波爐、調(diào)壓器、電參數(shù)測量儀、交流電流表（或鉗流表）、交流電壓表、示波器、高壓探頭。 將微波爐外罩打開，按右圖所示接線 。微波爐在額定電壓和正常負(fù)載下啟動后，表V1顯示的燈絲電壓、表A1顯示的燈絲電流、示波器CH1通道顯示的陽極峰值電流、陽極平均電流和示波

13、CH2通道顯示的陽極峰值電壓、陽極平均電壓、電參數(shù)測量儀顯示的輸入功率、其值應(yīng)滿足技術(shù)要求，CH1通道顯示陽極電流波形符合相應(yīng)的技術(shù)規(guī)定。2、磁空管特性參數(shù)測量、磁空管特性參數(shù)測量3 3、磁控管工作特性測試、磁控管工作特性測試磁控管負(fù)載特性圖磁控管負(fù)載特性圖磁控管工作特性圖磁控管工作特性圖4 4、匹配實(shí)驗(yàn)、匹配實(shí)驗(yàn) 技術(shù)要求技術(shù)要求空載阻抗測試：空載阻抗測試：微波爐按規(guī)定的方法試驗(yàn)時(shí)，微波爐的電壓駐波比（VSWR）20，相位在非下陷區(qū)（0.25）,其圖如右圖所示。負(fù)載阻抗測試：負(fù)載阻抗測試：微波爐按規(guī)定的方法試驗(yàn)時(shí)，微波爐的電壓駐波比（VSWR）4，相位在0.25-0.29,其圖如圖所示 5

14、5、EMIEMI實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)檢測項(xiàng)目：150KHz30MHz傳導(dǎo)騷擾測試150KHz30MHz磁場騷擾測試30MHz1GHz電場輻射騷擾測試1GHz18GHz電磁場輻射騷擾測試 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)3 3M M法電波暗室法電波暗室屏蔽室屏蔽室反射箱反射箱基本頻率基本頻率(2455(2455MHz)MHz) 輻射干擾輻射干擾屏蔽門結(jié)構(gòu)屏蔽門結(jié)構(gòu)門鎖門鎖鐵氧體門鐵氧體門or磁控管磁控管電源變壓器電源變壓器爐門爐門窗口窗口爐腔爐腔爐蓋爐蓋前前后后導(dǎo)波管導(dǎo)波管冷卻風(fēng)冷卻風(fēng)微波爐輻射干擾的設(shè)計(jì)6 6、壽命實(shí)驗(yàn)、壽命實(shí)驗(yàn)磁控管壽磁控管壽命依賴性命依賴性陽極電流陽極電流陽極溫度陽極溫度陰極溫度陰極溫度電源回路電源回路ON-

15、OFF斷續(xù)周期斷續(xù)周期負(fù)荷條件負(fù)荷條件高負(fù)荷均壓環(huán)變形陰極變形陽極溫度上升陰極溫度上升真空漏氣真空管內(nèi)多余氣體放出均壓環(huán)變形散熱損失陰極變形電子發(fā)射劣化冷啟動陽極陰極的熱應(yīng)力散熱損失陽極熱應(yīng)力陰極變形電子發(fā)射劣化慢周期熱應(yīng)力漏氣/屏蔽網(wǎng)燒焦磁性線圈燒焦陽極溫度上升異常電場發(fā)生陽極溫度上升陰極溫度上升實(shí)驗(yàn)方式：實(shí)驗(yàn)方式：1 1、連續(xù)、連續(xù) 2 2、2 2分通分通1 1分?jǐn)喾謹(jǐn)?3 3、5 5秒通秒通5 5秒斷秒斷五、使用磁控管要注意的幾個(gè)問題五、使用磁控管要注意的幾個(gè)問題1.1.負(fù)載要匹配負(fù)載要匹配 此區(qū)域?yàn)榇趴毓艿呢?fù)載工作最佳區(qū)域，如微波爐的工作區(qū)域偏離此區(qū)域?qū)⒃斐晌⒉t的輸出功率低、效率低及

16、溫升高、打火、聚焦等不良現(xiàn)象磁控管負(fù)載特性圖（雷基圖）磁控管負(fù)載特性圖（雷基圖）空載效果較好的匹配圖空載效果較好的匹配圖空載效果差的匹配圖空載效果差的匹配圖1.1.負(fù)載要匹配負(fù)載要匹配微波爐與磁控管匹配特性測試圖微波爐與磁控管匹配特性測試圖負(fù)載效果較好的匹配圖負(fù)載效果較好的匹配圖負(fù)載效果差的匹配圖負(fù)載效果差的匹配圖微波爐與磁控管匹配特性測試圖微波爐與磁控管匹配特性測試圖1.1.負(fù)載要匹配負(fù)載要匹配2.2.對供電電源的要求對供電電源的要求注意：如右圖所示（已標(biāo)出同名端）就應(yīng)為A、C連接，接反了會有影響： 浪涌電壓將升高0.5KV。 陽極溫升將升高10左右。 微波爐效率將下降12磁控管電源接線圖磁控管電源接線圖2.2.對供電電源的要求對供電電源的要求電容與變壓器匹配較差電容與變壓器匹配較好變壓器與高壓電容性能匹配圖變壓器與高壓電容性能匹配圖冷卻是保證磁控管正常工作的條件之一，大功率磁控管的陽極常用 水冷，微波爐是采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，其風(fēng)量設(shè)計(jì)一定要保證磁控管的使用要求。冷卻不良將使管子過熱而不