磁控管結構與磁控管工作原理

磁控管結構與工作原理

一、概述

    微波能量是由微波發生器產生的，微波發生器包括微波管和微波管電源兩個部分。其中微波管電源（簡稱電源或微波源）的作用是把常用的交流電能變成直流電能，為微波管的工作創造條件。微波管是微波發生器的核心，它將直流電能轉變成微波能。

    微波管有微波晶體管和微波電子管兩大類。微波晶體管輸出功率較小，一般用于測量和通訊等領域。微波電子管種類很多，常用的有磁控管、速調管、行波管等。它們的工作原理不同、結構不同、性能各異，在雷達、導航、通訊、電子對抗和加熱，科學研究等方面都得到廣泛的應用。由于磁控管的結構簡單、效率高、工作電壓低、電源簡單和適應負載變化的能力強，因而特別適用于微波加熱和微波能的其他應用。磁控管由于工作狀態的不同可分為脈沖磁控管和連續波磁控管兩類。微波加熱設備主要工作于連續波狀態，所以多用連續波磁控管。

    磁控管是一種用來產生微波能的電真空器件。實質上是一個置于恒定磁場中的二極管。管內電子在相互垂直的恒定磁場和恒定電場的控制下，與高頻電磁場發生相互作用，把從恒定電場中獲得能量轉變成微波能量，從而達到產生微波能的目的。磁控管種類很多，這里主要介紹多腔連續波磁控管。

磁控管由管芯和磁鋼（或電磁鐵）組成。管芯的結構包括陽極、陰極、能量輸出器和磁路系統等四部分。管子內部保持高真空狀態。下面分別介紹各部分的結構及其作用。

    1、陽極

    陽極是磁控管的主要組成之一，它與陰極一起構成電子與高頻電磁場相互作用的空間。在恒定磁場和恒定電場的作用下，電子在此空間內完成能量轉換的任務。磁控管的陽極除與普通的二極管的陽極一樣收集電子外，還對高頻電磁場的振蕩頻率起著決定性的作用。

    陽極由導電良好的金屬材料（如無氧銅）制成，并設有多個諧振腔，諧振腔的數目必須是偶數，管子的工作頻率越高腔數越多。陽極諧振腔的型式常為孔槽形、扇形和槽扇型，陽極上的每一個小諧振腔相當于一個并聯的2C振蕩回路。以槽扇型腔為例，可以認為腔的槽部分主要構成振蕩回路的電容，而其扇形部分主要構成振蕩回路的電感。由微波技術理論可知，諧振腔的諧振頻率與腔體的幾何尺寸成反比。腔體越大其工作頻率越低。于是，我們可以根據腔體的尺寸來估計它的工作頻段。磁控管的陽極由許多諧振腔耦合在一起，形成一個復雜的諧振系統。這個系統的諧振腔頻率主要決定于每個小諧振腔的諧振頻率，我們也可以根據小諧振腔的大小來估計磁控管的工作頻段。

    磁控管的陽極諧振系統除能產生所需要的電磁振蕩外，還能產生不同特性的多種電磁振蕩。為使磁控管穩定的工作在所需的模式上，常用“隔型帶”來隔離干擾模式。隔型帶把陽極翼片一個間隔一個地連接起來，以增加工作模式與相鄰干擾模式之間的頻率間隔。另外，由于經能量交換后的電子還具有一定的能量，這些電子打上陽極使陽極溫度升高，陽極收集的電子越多（即電流越大），或電子的能量越大（能量轉換率越低），陽極溫度越高，因此，陽極需有良好的散熱能力。一般情況下功率管采用強迫風冷，陽極帶有散熱片。大功率管則多用水冷，陽極上有冷卻水套。

    2、陰極及其引線

    磁控管的陰極即電子的發射體，又是相互作用空間的一個組成部分。陰極的性能對管子的工作特性和壽命影響極大，被視為整個管子的心臟。

    陰極的種類很多，性能各異。連續波磁控管中常用直熱式陰極，它由鎢絲或純鎢絲繞成螺旋形狀，通電流加熱到規定溫度后就具有發射電子的能力。這種陰極具有加熱時間短和抗電子轟擊能力強等優點，在連續波磁控管中得到廣泛的應用。

    此種陰極加熱電流大，要求陰極引線要短而粗，連接部分要接觸良好。大功率管的陰極引線工作時溫度很高，常用強迫風冷散熱。磁控管工作時陰極接負高壓，因此引線部分應有良好的絕緣性能并能滿足真空密封的要求。為防止因電子回轟而使陽極過熱，磁控管工作穩定后應按規定降低陰極電流以延長使用壽命。

    3、能量輸出器

    能量輸出器是把相互作用空間中所產生的微波能輸送到負載去的裝置。能量輸出裝置的作用是無損耗，無擊穿地通過微波，保證管子的真空密封，同時還要做到便于與外部系統相連接。小功率連續波磁控管大多采用同軸輸出在陽極諧振腔高頻磁場最強的地方。放置一個耦合環，當穿過環面的磁通量變化時，將在環上產生高頻感應電流，從而將高頻功率引到環外。耦合環面積越大耦合越強。

    大功率連續波磁控管常用軸向能量輸出器，輸出天線通過極靴孔洞連接到陽極翼片上。天線一般做成條狀或圓棒也可為錐體。整個天線被輸出窗密封。

    輸出窗常用低損耗特性的玻璃或陶瓷制成。它不須保證微波能量無損耗的通過和具有良好的真空氣密性。大功率管的輸出窗常用強迫風冷來降低由于介質損耗所產生的熱量。

    4、磁路系統

    磁控管正常工作時要求有很強的恒定磁場，其磁場感應強度一般為數千高斯。工作頻率越高，所加磁場越強。磁控管的磁路系統就是產生恒定磁場的裝置。磁路系統分永磁和電磁兩大類。永磁系統一般用于小功率管，磁鋼與管芯牢固合為一體構成所謂包裝式。大功率管多用電磁鐵產生磁場，管芯和電磁鐵配合使用，管芯內有上、下極靴，以固定磁隙的距離。磁控管工作時，可以很方便的靠改變磁場強度的大小，來調整輸出功率和工作頻率。另外，還可以將陽極電流饋入電磁線包以提高管子工作的穩定性。

    5、磁控管的正確使用

    磁控管是微波應用設備的心臟，因此，磁控管的正確使用是維護微波設備正常工作的必要條件。磁控管在使用時應注意以下幾個問題：

二、負載要匹配

    無論什么設備都要求磁控管的輸出負載盡可能做到匹配，也就是它的電壓駐波比應盡可能的小。駐波大不僅反射功率大，使被處理物料實際得到的功率減少，而且會引起磁控管跳模和陰極過熱，嚴重時會損壞管子。跳模時，陽極電流忽然出現跌落。引起跳模的原因除管子本身模式分隔度小外，主要有以下幾個方面：

（1）電源內阻太大，空載高而激起非π模式。

（2）負載嚴重失配，不利相位的反射減弱了高頻場與電子流的相互作用，而不能維持正常的π模振蕩。

（3）燈絲加熱不足，引起發射不足，或因管內放氣使陰極中毒引起發射不足，不能提供π模振蕩所需的管子電流。

    為避免跳模的發生，要求電源內阻不能過大，負載應匹配，燈絲加熱電流應符合說明書要求。

三、冷卻

    冷卻是保證磁控管正常管工作的條件之一，大功率磁控管的陽極常用水冷，其陰極燈絲引出部分及輸出陶瓷窗同時進行強迫風冷，有些電磁鐵也用風冷或水冷。冷卻不良將使管子過熱而不能正常工作，嚴重時將燒壞管子。應嚴禁在冷卻不足的條件下工作。

四、合理調整陰極加熱功率

    磁控管起振后，由于不利電子回轟陰極使陰極溫度升高而處于過熱狀態，陰極過熱將使材料蒸發加劇，壽命縮短，嚴重時將燒壞陰極。防止陰極過熱的辦法是按規定調整降低陰極加熱功率。

五、安裝調試

    目前常用的微波加熱設備中磁控管放在激勵腔上直接激勵傳輸系統。激勵腔即是能量激勵裝置，又是傳輸系統的一部分。因此激勵腔的性能對磁控管的工作影響極大。激勵腔應能將管內產生的微波能量有效的傳輸給負載。為達此目的，除激勵腔本身的設計外，管子在激勵腔上的裝配情況對工作的穩定性影響極大。正常工作時管子的陽極與激勵腔接觸部分有很大的高頻電流通過，二者之間必須有良好的接觸，接觸不良將引起高頻打火。天線插入激勵腔的深度直接影響能量的傳輸和管子的工作狀態，應按說明書規定精心裝配。

六、保存和運輸

    磁控管的電極材料為無氧銅、可伐等，在酸、堿濕氣中易于氧化。因此，磁控管的保存應防潮、避開酸堿氣氛。防止高溫氧化。包裝式磁控管因帶磁鋼，應防止磁鋼的磁性變化，存在時應在管子周圍10厘米內不得有鐵磁物質存在。管子運輸過程中應放入專用防振包裝箱內，以防止受振動撞擊而受損壞。