磁控管結(jié)構(gòu)與工作原理

一、概述

    微波能量是由微波發(fā)生器產(chǎn)生的，微波發(fā)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(chuàng)造條件。微波管是微波發(fā)生器的核心，它將直流電能轉(zhuǎn)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(lǐng)域。微波電子管種類很多，常用的有磁控管、速調(diào)管、行波管等。它們的工作原理不同、結(jié)構(gòu)不同、性能各異，在雷達(dá)、導(dǎo)航、通訊、電子對抗和加熱，科學(xué)研究等方面都得到廣泛的應(yīng)用。由于磁控管的結(jié)構(gòu)簡單、效率高、工作電壓低、電源簡單和適應(yīng)負(fù)載變化的能力強(qiáng)，因而特別適用于微波加熱和微波能的其他應(yīng)用。磁控管由于工作狀態(tài)的不同可分為脈沖磁控管和連續(xù)波磁控管兩類。微波加熱設(shè)備主要工作于連續(xù)波狀態(tài)，所以多用連續(xù)波磁控管。

    磁控管是一種用來產(chǎn)生微波能的電真空器件。實(shí)質(zhì)上是一個置于恒定磁場中的二極管。管內(nèi)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(fā)生相互作用，把從恒定電場中獲得能量轉(zhuǎn)變成微波能量，從而達(dá)到產(chǎn)生微波能的目的。磁控管種類很多，這里主要介紹多腔連續(xù)波磁控管。

磁控管由管芯和磁鋼（或電磁鐵）組成。管芯的結(jié)構(gòu)包括陽極、陰極、能量輸出器和磁路系統(tǒng)等四部分。管子內(nèi)部保持高真空狀態(tài)。下面分別介紹各部分的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(nèi)完成能量轉(zhuǎn)換的任務(wù)。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(dǎo)電良好的金屬材料（如無氧銅）制成，并設(shè)有多個諧振腔，諧振腔的數(shù)目必須是偶數(shù)，管子的工作頻率越高腔數(shù)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(dāng)于一個并聯(lián)的2C振蕩回路。以槽扇型腔為例，可以認(rèn)為腔的槽部分主要構(gòu)成振蕩回路的電容，而其扇形部分主要構(gòu)成振蕩回路的電感。由微波技術(shù)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(jù)腔體的尺寸來估計(jì)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(fù)雜的諧振系統(tǒng)。這個系統(tǒng)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(jù)小諧振腔的大小來估計(jì)磁控管的工作頻段。

    磁控管的陽極諧振系統(tǒng)除能產(chǎn)生所需要的電磁振蕩外，還能產(chǎn)生不同特性的多種電磁振蕩。為使磁控管穩(wěn)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(jīng)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(zhuǎn)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(qiáng)迫風(fēng)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(fā)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(xù)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(guī)定溫度后就具有發(fā)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在連續(xù)波磁控管中得到廣泛的應(yīng)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(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。磁控管工作時陰極接負(fù)高壓，因此引線部分應(yīng)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(wěn)定后應(yīng)按規(guī)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(chǎn)生的微波能輸送到負(fù)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(tǒng)相連接。小功率連續(xù)波磁控管大多采用同軸輸出在陽極諧振腔高頻磁場最強(qiáng)的地方。放置一個耦合環(huán)，當(dāng)穿過環(huán)面的磁通量變化時，將在環(huán)上產(chǎn)生高頻感應(yīng)電流，從而將高頻功率引到環(huán)外。耦合環(huán)面積越大耦合越強(qiáng)。

    大功率連續(xù)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(qiáng)迫風(fēng)冷來降低由于介質(zhì)損耗所產(chǎn)生的熱量。

    4、磁路系統(tǒng)

    磁控管正常工作時要求有很強(qiáng)的恒定磁場，其磁場感應(yīng)強(qiáng)度一般為數(shù)千高斯。工作頻率越高，所加磁場越強(qiáng)。磁控管的磁路系統(tǒng)就是產(chǎn)生恒定磁場的裝置。磁路系統(tǒng)分永磁和電磁兩大類。永磁系統(tǒng)一般用于小功率管，磁鋼與管芯牢固合為一體構(gòu)成所謂包裝式。大功率管多用電磁鐵產(chǎn)生磁場，管芯和電磁鐵配合使用，管芯內(nèi)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(qiáng)度的大小，來調(diào)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(wěn)定性。

    5、磁控管的正確使用

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

二、負(fù)載要匹配

    無論什么設(shè)備都要求磁控管的輸出負(fù)載盡可能做到匹配，也就是它的電壓駐波比應(yīng)盡可能的小。駐波大不僅反射功率大，使被處理物料實(shí)際得到的功率減少，而且會引起磁控管跳模和陰極過熱，嚴(yán)重時會損壞管子。跳模時，陽極電流忽然出現(xiàn)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(nèi)阻太大，空載高而激起非π模式。

（2）負(fù)載嚴(yán)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(fā)射不足，或因管內(nèi)放氣使陰極中毒引起發(fā)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(fā)生，要求電源內(nèi)阻不能過大，負(fù)載應(yīng)匹配，燈絲加熱電流應(yīng)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(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，有些電磁鐵也用風(fēng)冷或水冷。冷卻不良將使管子過熱而不能正常工作，嚴(yán)重時將燒壞管子。應(yīng)嚴(yán)禁在冷卻不足的條件下工作。

四、合理調(diào)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(tài)，陰極過熱將使材料蒸發(fā)加劇，壽命縮短，嚴(yán)重時將燒壞陰極。防止陰極過熱的辦法是按規(guī)定調(diào)整降低陰極加熱功率。

五、安裝調(diào)試

    目前常用的微波加熱設(shè)備中磁控管放在激勵腔上直接激勵傳輸系統(tǒng)。激勵腔即是能量激勵裝置，又是傳輸系統(tǒng)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(yīng)能將管內(nèi)產(chǎn)生的微波能量有效的傳輸給負(fù)載。為達(dá)此目的，除激勵腔本身的設(shè)計(jì)外，管子在激勵腔上的裝配情況對工作的穩(wěn)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(tài)，應(yīng)按說明書規(guī)定精心裝配。

六、保存和運(yùn)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(yīng)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(yīng)防止磁鋼的磁性變化，存在時應(yīng)在管子周圍10厘米內(nèi)不得有鐵磁物質(zhì)存在。管子運(yùn)輸過程中應(yīng)放入專用防振包裝箱內(nèi)，以防止受振動撞擊而受損壞。