磁控管原理入門及動(dòng)畫演示

關(guān)于磁控管原理入門及動(dòng)畫演示

摘要一、概述二、磁控管工作原理三、磁控管結(jié)構(gòu)四、磁控管性能參數(shù)及測(cè)試五、磁控管使用要注意的問題

第2頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(chǎng)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，其次是由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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、電子對(duì)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(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。第3頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、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(dá)、通訊、電子對(duì)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：300W以下的供理療用400-1000W供微波爐加熱用1000W以上供工、農(nóng)業(yè)使用工作頻率有915MHz和2450MHz兩種第4頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、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(yáng)極。在工作過程中陰極發(fā)射出的電子流在外部直流電場(chǎng)中獲得動(dòng)能，并將動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)換成振蕩體系的交變電場(chǎng)，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)磁控管的基本特征為了使問題簡(jiǎn)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(chǎng)時(shí)電子的運(yùn)動(dòng)特征，這樣的磁控管稱為“靜態(tài)磁控管”。第5頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天靜態(tài)磁控管系統(tǒng)如下圖所示：假設(shè)兩個(gè)無(wú)限大的相互平行的平板電極（近似磁控管的陰極與陽(yáng)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(chǎng)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(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。二、工作原理第6頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、靜態(tài)磁控管中電子的運(yùn)動(dòng)（電場(chǎng)+磁場(chǎng)）如無(wú)磁場(chǎng)，則電子逸出陰極之后，就會(huì)在電場(chǎng)力的作用下直接向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，此電場(chǎng)力

若除電場(chǎng)之外，在陰極—陽(yáng)極空間還有一個(gè)磁場(chǎng)，那么電子運(yùn)動(dòng)的軌跡就不再是直線。假設(shè)磁場(chǎng)強(qiáng)度是B，磁場(chǎng)方向與圖面垂直，這時(shí)，電子就受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩種外力的作用。磁場(chǎng)對(duì)電子的作用力是：在電子運(yùn)動(dòng)的全過程中，電場(chǎng)力F始終保持不變。但磁場(chǎng)力不但大小要變，而且方向也變第7頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)磁通密度B=0時(shí)為直線1；B﹤BKP時(shí)為曲線2；B=BKP時(shí)為曲線3；B﹥BKP時(shí)為曲線4。1、靜態(tài)磁控管中電子的運(yùn)動(dòng)第8頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天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8~32個(gè)，毫米波段會(huì)更多些。這些諧振腔均勻的分布在陽(yáng)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)雜的多腔諧振系統(tǒng)。第9頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天現(xiàn)在我們?cè)O(shè)想一種“展開”式的磁控管，組成陽(yáng)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(yáng)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(chǎng)方向垂直圖面向里。電子流在恒定磁場(chǎng)與電場(chǎng)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(dòng)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、磁控管的自激第10頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(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?jī)蓚€(gè)相鄰腔的振蕩相位差應(yīng)該是一樣的。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2π的整數(shù)倍。于是可得：

N?φ=2π*nn=0、1、2、3、------(1)

其中N為陽(yáng)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(dāng)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(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(chǎng)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在用一個(gè)八腔磁控管來研究這一問題。N=10第11頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天第12頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天5、磁控管中電子與高頻電磁場(chǎng)的相互作用（能量轉(zhuǎn)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(chǎng)：恒定電場(chǎng)Eo、恒定磁場(chǎng)B0、高頻電場(chǎng)E’、高頻磁場(chǎng)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(dòng)的平均速度與陰極諧振腔口高頻場(chǎng)相位變化的速度同步，使電子運(yùn)動(dòng)經(jīng)過各個(gè)腔口時(shí)始終都碰到是高頻推斥場(chǎng)。

從物理意義上說，這一條件就意味著電子始終處于高頻場(chǎng)的減速場(chǎng)中，這樣電子就最有效的把自己從直流電場(chǎng)中獲得的能量交給高頻場(chǎng)而完成能量轉(zhuǎn)換的任務(wù)第13頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天6、電子輪輻由于受高頻電場(chǎng)徑向分量的作用，第一類電子在運(yùn)動(dòng)過程中落后和第三類電子在運(yùn)動(dòng)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(duì)于高頻場(chǎng)的相位，并落于推斥的切向場(chǎng)中，因而轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣娮?，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(dòng)，而是相對(duì)于第四類電子形成電子群。這些電子群從陰極伸向陽(yáng)極形成輪輻狀，我們稱之為“電子輪輻”。

第14頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天陽(yáng)極板天線輸出K－－－－－+++++第15頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、磁控管結(jié)構(gòu)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(biāo)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(jié)構(gòu)第16頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天黑球白球天線帽輸出組件陽(yáng)極組件陰極組件A側(cè)磁極A側(cè)磁極②管內(nèi)結(jié)構(gòu)第17頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天管芯構(gòu)造天線帽絕緣環(huán)均壓環(huán)陽(yáng)極筒燈絲天線磁極A側(cè)陽(yáng)極板磁極K側(cè)第18頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天陽(yáng)極回路天線安裝位置均壓環(huán)(大)均壓環(huán)(小)陽(yáng)極板陽(yáng)極筒均壓環(huán)(大)均壓環(huán)(小)A側(cè)磁極天線陽(yáng)極板陽(yáng)極筒K側(cè)磁極陽(yáng)極平面陽(yáng)極斷面第19頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天燈絲線圈的橫截面陰極構(gòu)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(cè)管支持體本體端子支持體第20頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天步驟：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(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、主要性能參數(shù)及測(cè)試磁控管的幾個(gè)常規(guī)電參數(shù)值如下：1、Ebm——陽(yáng)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(yáng)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件300mA）Ef：2.8～3.75V（標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件200mA）Ef：2.8～3.75V（標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件3.3V）

耐壓：Et=10kVDC或Et=7.1kVACt=60sec絕緣：最小200MΩ第22頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、磁控管測(cè)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(cè)試

3、輸入輸出性能測(cè)試

4、溫升試驗(yàn)

5、均勻性測(cè)試

6、EMI測(cè)試

7、壽命試驗(yàn)8、磁控管動(dòng)作特性測(cè)試第23頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、導(dǎo)波管實(shí)驗(yàn)第24頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、試驗(yàn)方法試驗(yàn)準(zhǔn)備物：微波爐、調(diào)壓器、電參數(shù)測(cè)量?jī)x、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(dòng)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(yáng)極峰值電流、陽(yáng)極平均電流和示波CH2通道顯示的陽(yáng)極峰值電壓、陽(yáng)極平均電壓、電參數(shù)測(cè)量?jī)x顯示的輸入功率、其值應(yīng)滿足技術(shù)要求，CH1通道顯示陽(yáng)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(cè)量第25頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、磁控管工作特性測(cè)試磁控管負(fù)載特性圖磁控管工作特性圖第26頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天4、匹配實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求空載阻抗測(cè)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)（0.25λ）,其圖如右圖所示。負(fù)載阻抗測(cè)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0.25λ-0.29λ,其圖如圖所示第27頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天5、EMI實(shí)驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目：150KHz—30MHz傳導(dǎo)騷擾測(cè)試150KHz—30MHz磁場(chǎng)騷擾測(cè)試30MHz—1GHz電場(chǎng)輻射騷擾測(cè)試1GHz—18GHz電磁場(chǎng)輻射騷擾測(cè)試

第28頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天標(biāo)準(zhǔn)3M法電波暗室屏蔽室反射箱第29頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天基本頻率(2455MHz)

輻射干擾屏蔽門結(jié)構(gòu)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(dǎo)波管冷卻風(fēng)微波爐輻射干擾的設(shè)計(jì)第30頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天6、壽命實(shí)驗(yàn)磁控管壽命依賴性陽(yáng)極電流陽(yáng)極溫度陰極溫度電源回路ON-OFF斷續(xù)周期負(fù)荷條件高負(fù)荷均壓環(huán)變形陰極變形陽(yáng)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(dòng)陽(yáng)極陰極的熱應(yīng)力散熱損失陽(yáng)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(yáng)極溫度上升異常電場(chǎng)發(fā)生陽(yáng)極溫度上升陰極溫度上升實(shí)驗(yàn)方式：1、連續(xù)2、2分通1分?jǐn)?、5秒通5秒斷第31頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天五、使用磁控管要注意的幾個(gè)問題1.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）第32頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天空載效果較好的匹配圖空載效果差的匹配圖1.負(fù)載要匹配微波爐與磁控管匹配特性測(cè)試圖第33頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天負(fù)載效果較好的匹配圖負(fù)載效果差的匹配圖微波爐與磁控管匹配特性測(cè)試圖1.負(fù)載要匹配