磁控管原理入門及動畫演示

關于磁控管原理入門及動畫演示第1頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三

摘要一、概述二、磁控管工作原理三、磁控管結構四、磁控管性能參數(shù)及測試五、磁控管使用要注意的問題

第2頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三

一、概述

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。它最主要的特點是高效率和低工作電壓，其次是由于結構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。主要用于雷達、通訊、電子對抗、微波加熱等方面。隨著微波理療、微波輻射武器、微波等離子推進、微波促進化學反應等方面的發(fā)展，磁控管行業(yè)也得到了較大發(fā)展。第3頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三一、概述

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、通訊、電子對抗等，后者主要用于微波加熱及醫(yī)療等微波設備，主要有三種：300W以下的供理療用400-1000W供微波爐加熱用1000W以上供工、農業(yè)使用工作頻率有915MHz和2450MHz兩種第4頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三二、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，它有一個圓筒狀的陰極以及一個與之同軸的陽極。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：能量的來源；能量的交換。二、靜態(tài)磁控管的基本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電子的運動特征，這樣的磁控管稱為“靜態(tài)磁控管”。第5頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三靜態(tài)磁控管系統(tǒng)如下圖所示：假設兩個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，兩個極板之間的直流電壓為V，這時兩極之間的直流電場為E=V/d；兩極板之間還同時存在一個與圖面垂直的均勻直流磁場，其磁感應強度為B。二、工作原理第6頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三1、靜態(tài)磁控管中電子的運動（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動，此電場力

若除電場之外，在陰極—陽極空間還有一個磁場，那么電子運動的軌跡就不再是直線。假設磁場強度是B，磁場方向與圖面垂直，這時，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，而且方向也變第7頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三當磁通密度B=0時為直線1；B﹤BKP時為曲線2；B=BKP時為曲線3；B﹥BKP時為曲線4。1、靜態(tài)磁控管中電子的運動第8頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三2、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8~32個，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，從而形成一個復雜的多腔諧振系統(tǒng)。第9頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三現(xiàn)在我們設想一種“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，電子流就按擺線的軌跡運動電子流的速度達到固定值Ve時，在諧振器中建立起振蕩。3、磁控管的自激第10頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三4、磁控管諧振系統(tǒng)的諧振模式多腔磁控管的諧振系統(tǒng)是一個由N個諧振腔組成的復雜系統(tǒng)，我們假定各個諧振腔都是完全相同的。如果振蕩已經產生，則在各個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。但每兩個相鄰腔的振蕩相位差應該是一樣的。由于整個諧振系統(tǒng)是封閉的，環(huán)繞一整周時總的相位差應為零或2π的整數(shù)倍。于是可得：

N?φ=2π*nn=0、1、2、3、------(1)

其中N為陽極諧振腔的數(shù)目，?φ為相鄰諧振腔中電磁振蕩的相位差。由（1）式得：?φ=2nπ/N(2)

也就是說，當磁控管的腔數(shù)N確定后，可以有許多不同的相位差?φ同時滿足這一閉合回路的諧振條件。相應于不同的n就有不同的諧振模式，他們有不同的諧振頻率和場結構?，F(xiàn)在用一個八腔磁控管來研究這一問題。N=10第11頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三第12頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三5、磁控管中電子與高頻電磁場的相互作用（能量轉換）當振蕩已經產生時，在相互作用空間就同時存在有四個場：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，使電子運動經過各個腔口時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換的任務第13頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三6、電子輪輻由于受高頻電場徑向分量的作用，第一類電子在運動過程中落后和第三類電子在運動過程中超前，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，因而轉變?yōu)橛欣娮?，使得磁控管的效率提高了。這種群聚的結果就使從陰極出發(fā)的電子不再是均勻地繞著陰極運動，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”。

第14頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三陽極板天線輸出K－－－－－+++++第15頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三三、磁控管結構黑球射頻密封墊圈密封墊片安裝底板磁鐵散熱片屏蔽盒蓋螺絲標簽屏蔽盒支架濾波組件穿心電容支架組件扼流線圈

①管外結構第16頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三黑球白球天線帽輸出組件陽極組件陰極組件A側磁極A側磁極②管內結構第17頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三管芯構造天線帽絕緣環(huán)均壓環(huán)陽極筒燈絲天線磁極A側陽極板磁極K側第18頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三陽極回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側磁極天線陽極板陽極筒K側磁極陽極平面陽極斷面第19頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三燈絲線圈的橫截面陰極構造W2CW+ThO2(釷鎢)(碳化鎢)易碎的陰極回路端帽引出線鈦帽燈絲線圈K側管支持體本體端子支持體第20頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三步驟：①散熱片壓入②密封墊片壓入③螺釘緊固④濾波組件鉚接⑤屏蔽盒蓋鉚接

②組裝過程第21頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三四、主要性能參數(shù)及測試磁控管的幾個常規(guī)電參數(shù)值如下：1、Ebm——陽極電壓(KV)2、Po——平均功率(W)3、η％——效率4、fo——頻率(MHz)5、If——燈絲電流(A)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：①2M219系列磁控管的性能參數(shù)：

Ebm：4.2±0.2KVPo：945±40Wfo：2458±10MHzIf：10±2AIb：最大值360mA（標準測試條件300mA）Ef：2.8～3.75V（標準測試條件3.3V）

耐壓：Et=10kVDC或Et=7.1kVACt=60sec絕緣：最小200MΩ②2M217系列磁控管的性能參數(shù)：

Ebm：3.9±0.2KVPo：580±30Wfo：2456±10MHzIf：10±2AIb：最大值250mA（標準測試條件200mA）Ef：2.8～3.75V（標準測試條件3.3V）

耐壓：Et=10kVDC或Et=7.1kVACt=60sec絕緣：最小200MΩ第22頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三1、磁控管測試項目常規(guī)項目1、導波管實驗2、匹配性能測試

3、輸入輸出性能測試

4、溫升試驗

5、均勻性測試

6、EMI測試

7、壽命試驗8、磁控管動作特性測試第23頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三1、導波管實驗第24頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三一、試驗方法試驗準備物：微波爐、調壓器、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、其值應滿足技術要求，CH1通道顯示陽極電流波形符合相應的技術規(guī)定。2、磁空管特性參數(shù)測量第25頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三3、磁控管工作特性測試磁控管負載特性圖磁控管工作特性圖第26頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三4、匹配實驗技術要求空載阻抗測試：微波爐按規(guī)定的方法試驗時，微波爐的電壓駐波比（VSWR）≤20，相位在非下陷區(qū)（0.25λ）,其圖如右圖所示。負載阻抗測試：微波爐按規(guī)定的方法試驗時，微波爐的電壓駐波比（VSWR）≤4，相位在0.25λ-0.29λ,其圖如圖所示第27頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三5、EMI實驗檢測項目：150KHz—30MHz傳導騷擾測試150KHz—30MHz磁場騷擾測試30MHz—1GHz電場輻射騷擾測試1GHz—18GHz電磁場輻射騷擾測試

第28頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三標準3M法電波暗室屏蔽室反射箱第29頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三基本頻率(2455MHz)

輻射干擾屏蔽門結構門鎖鐵氧體門or磁控管電源變壓器爐門窗口爐腔爐蓋前后導波管冷卻風微波爐輻射干擾的設計第30頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三6、壽命實驗磁控管壽命依賴性陽極電流陽極溫度陰極溫度電源回路ON-OFF斷續(xù)周期負荷條件高負荷均壓環(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力散熱損失陽極熱應力陰極變形電子發(fā)射劣化慢周期熱應力漏氣/屏蔽網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驗方式：1、連續(xù)2、2分通1分斷3、5秒通5秒斷第31頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三五、使用磁控管要注意的幾個問題1.負載要匹配此區(qū)域為磁控管的負載工作最佳區(qū)域，如微波爐的工作區(qū)域偏離此區(qū)域將造成微波爐的輸出功率低、效率低及溫升高、打火、聚焦等不良現(xiàn)象磁控管負載特性圖（雷基圖）第32頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三空載效果較好的匹配圖空載效果差的匹配圖1.負載要匹配微波爐與磁控管匹配特性測試圖第33頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三負載效果較好的匹配圖負載效果差的匹配圖微波爐與磁控