磁控管原理---入门及动画演示电子版本

1、第一页，共38页。 摘要一、概述(i sh)二、磁控管工作原理三、磁控管结构四、磁控管性能参数及测试五、磁控管使用要注意的问题 第二页，共38页。 一、概述 磁控管是微波电子管的一种，是一种重入式谐振型正交场振荡器，通常作为高功率微波能发生器。它最主要的特点是高效率和低工作电压，其次是由于结构简单而带来的体积小、重量轻、使用方便、工作可靠和成本低等特点。主要用于雷达、通讯、电子对抗、微波加热等方面。 随着微波理疗、微波辐射武器、微波等离子推进、微波促进化学反应(huxu fnyng)等方面的发展，磁控管行业也得到了较大发展。第三页，共38页。一、概述 磁 控 管 由 于 工 作 状 态 不 同

2、 ， 可 分 为 脉 冲(michng)磁控管和连续波磁控管二类，前者主要用于雷达、通讯、电子对抗等，后者主要用于微波加热及医疗等微波设备，主要有三种：300W以下的供理疗用400-1000W供微波炉加热用1000W以上供工、农业使用 工作频率有915MHz和2450MHz两种第四页，共38页。二、工作(gngzu)原理一、总论 磁控管从原理上来讲是一种特殊的二极管，它有一个圆筒状的阴极以及一个与之同轴的阳极。在工作过程中阴极发射出的电子流在外部直流电场中获得动能，并将动能的一部分转换成振荡(zhndng)体系的交变电场，就使振荡(zhndng)体系维持稳定的振荡(zhndng)过程，振荡(z

3、hndng)体系通过天线耦合发射出微波。 重点：能量的来源；能量的交换。二、静态磁控管的基本特征 为了使问题简单，我们先来研究一下在平板电极系统中存在正交的直流电磁场时电子的运动特征，这样的磁控管称为“静态磁控管”。第五页，共38页。 静态磁控管系统如下图所示： 假设两个无限大的相互平行的平板电极（近似(jn s)磁控管的阴极与阳极）间的距离为d，两个极板之间的直流电压为V，这时两极之间的直流电场为E=V/d；两极板之间还同时存在一个与图面垂直的均匀直流磁场，其磁感应强度为B。二、工作(gngzu)原理第六页，共38页。1、静态磁控管中电子的运动（电场+磁场） 如无磁场，则电子逸出阴极之后，就

4、会在电场力的作用下直接向阳极运动，此电场力 若除电场之外，在阴极阳极空间还有一个磁场，那么电子运动的轨迹就不再是直线(zhxin)。假设磁场强度是B，磁场方向与图面垂直，这时，电子就受到电场和磁场两种外力的作用。 磁场对电子的作用力是：在电子运动(yndng)的全过程中，电场力F始终保持不变。但磁场力不但大小要变，而且方向也变第七页，共38页。 当磁通密度B=0时为直线(zhxin)1；BBKP时为曲线2；B=BKP时为曲线3；BBKP时为曲线4。1、静态磁控管中电子(dinz)的运动第八页，共38页。2、磁控管中的谐振系统 多腔磁控管中的高频系统是一个有许多小的谐振腔组成的谐振系统，这些小的

5、谐振腔的数目在厘米波段(bdun)上的管子中，一般可有832个，毫米波段(bdun)会更多些。这些谐振腔均匀的分布在阳极圆周上，而且每一腔的缝隙口均与相互作用空间相通，每个小腔不是孤立的，他们通过相互作用空间和管子的顶部空间相互耦合在一起，从而形成一个复杂的多腔谐振系统。第九页，共38页。 现在我们设想一种“展开”式的磁控管，组成阳极块的谐振腔不象平常一样排列在圆周上，而是排列成一条直线（图 12）。阳极与阴极之间有外加电源Ua构成足够大的电位差，并有一均匀磁场方向垂直(chuzh)图面向里。电子流在恒定磁场与电场作用下，“吹过”电谐振器，此时，电子流就按摆线的轨迹运动电子流的速度达到固定值V

6、e时，在谐振器中建立起振荡。3、磁控管的自激第十页，共38页。4、磁控管谐振系统的谐振模式多腔磁控管的谐振系统是一个由N个谐振腔组成的复杂系统，我们假定各个谐振腔都是完全相同的。如果振荡已经产生，则在各个谐振腔中都有高频振荡。在不同的腔中，振荡的相位可以是不同的。但每两个相邻腔的振荡相位差应该是一样的。由于(yuy)整个谐振系统是封闭的，环绕一整周时总的相位差应为零或2的整数倍。于是可得： N=2*n n=0、1、2、3、- (1) 其中N为阳极谐振腔的数目，为相邻谐振腔中电磁振荡的相位差。 由（1）式得： =2n/N (2) 也就是说，当磁控管的腔数N确定后，可以有许多不同的相位差同时满足这

7、一闭合回路的谐振条件。相应于不同的n就有不同的谐振模式，他们有不同的谐振频率和场结构。n现在(xinzi)用一个八腔磁控管来研究这一问题。N=10模式编号01234567891011相位差0/52/5 3/5 4/56/5 7/5 8/5 9/52 /5+2不同的模式对应的相位差第十一页，共38页。第十二页，共38页。5、磁控管中电子与高频电磁场的相互作用 （能量转换） 当振荡已经产生时，在相互作用空间就同时存在有四个场：恒定电场Eo、恒定磁场B0、高频电场E、高频磁场B。 如同所有其他振荡器自激的条件一样,电子沿阴极运动的平均速度与阴极谐振腔口高频场相位变化的速度同步，使电子运动经过各个腔口

8、时始终都碰到是高频推斥场。 从物理意义上说，这一条件就意味着电子始终处于高频场的减速场中，这样电子就最有效的把自己从直流电场中获得的能量交给(jio i)高频场而完成能量转换的任务第十三页，共38页。6、电子轮辐 由于受高频电场径向分量的作用，第一类电子在运动过程中落后和第三类电子在运动过程中超前，而都逐渐接近于第四类电子。也就是逐渐地改善了相对(xingdu)于高频场的相位，并落于推斥的切向场中，因而转变为有利电子，使得磁控管的效率提高了。这种群聚的结果就使从阴极出发的电子不再是均匀地绕着阴极运动，而是相对(xingdu)于第四类电子形成电子群。这些电子群从阴极伸向阳极形成轮辐状，我们称之为

9、“电子轮辐”。 第十四页，共38页。阳极板天线(tinxin)输出(shch)K+第十五页，共38页。三、磁控管结构(jigu)黑球(hi qi)射频密封(mfng)垫圈密封垫片安装底板磁铁散热片屏蔽盒盖螺丝标签屏蔽盒支架滤波组件穿心电容支架组件扼流线圈第十六页，共38页。黑球(hi qi)白球天线(tinxin)帽输出(shch)组件阳极组件阴极组件A侧磁极A侧磁极第十七页，共38页。管芯构造(guzo)天线(tinxin)帽绝缘(juyun)环均压环阳极筒灯丝天线磁极A侧阳极板磁极K侧第十八页，共38页。阳极(yngj)回路天线安装(nzhung)位置均压环(大)均压环(小)阳极板阳极(y

10、ngj)筒均压环(大)均压环(小)A侧磁极天线阳极板阳极筒K侧磁极阳极平面阳极断面第十九页，共38页。灯丝(dn s)线圈的横截面阴极(ynj)构造W2CW+ThO2(钍钨)(碳化钨)易碎的阴极(ynj)回路端帽引出线钛帽灯丝线圈K侧管支持体本体端子支持体第二十页，共38页。步骤(bzhu)： 散热片压入 密封垫片压入 螺钉(ludng)紧固 滤波组件(z jin)铆接 屏蔽盒盖铆接第二十一页，共38页。四、主要(zhyo)性能参数及测试磁控管的几个常规(chnggu)电参数值如下：1、Ebm 阳极电压(KV) 2、Po 平均功率(W) 3、 效率 4、fo 频率(MHz)5、If 灯丝电流

11、(A) 6、Ib 阳极电流（mA） 7、Ef 灯丝电压（V） 8、绝缘耐压 9、微波泄漏例如： 2M219系列磁控管的性能参数： Ebm：4.20.2KV Po：94540W fo：245810MHz If：102A Ib： 最大值360mA（标准测试条件300mA）Ef：2.83.75V（标准测试条件3.3V） 耐压：Et=10kVDC或Et=7.1kVAC t=60sec 绝缘：最小200M2M217系列磁控管的性能参数： Ebm：3.90.2KV Po：58030W fo：245610MHz If：102A Ib： 最大值250mA（标准测试条件200mA）Ef：2.83.75V（标准测

12、试条件3.3V） 耐压：Et=10kVDC或Et=7.1kVAC t=60sec 绝缘：最小200M第二十二页，共38页。1、磁控管测试项目 常规项目1、导波管实验2、匹配性能(xngnng)测试 3、输入输出性能(xngnng)测试 4、温升试验 5、均匀性测试 6、EMI测试 7、寿命试验8、磁控管动作特性测试第二十三页，共38页。1、导波管实验(shyn)第二十四页，共38页。一、试验方法一、试验方法试验准备物：微波炉、调压器、电参数测量仪试验准备物：微波炉、调压器、电参数测量仪、交流电流表（或钳流表）、交流电压表、交流电流表（或钳流表）、交流电压表、示波器、高压探头。、示波器、高压探头

13、。 将微波炉外罩打开，按右图所示接线将微波炉外罩打开，按右图所示接线 。微波炉在额定电压和正常负载下启动后，表微波炉在额定电压和正常负载下启动后，表V1显示的灯丝电压、表显示的灯丝电压、表A1显示的灯丝电流、显示的灯丝电流、示波器示波器CH1通道显示的阳极峰值电流、阳通道显示的阳极峰值电流、阳极平均电流和示波极平均电流和示波CH2通道显示的阳极峰通道显示的阳极峰值电压、阳极平均电压、电参数测量仪显值电压、阳极平均电压、电参数测量仪显示的输入功率、其值应满足技术示的输入功率、其值应满足技术(jsh)要要求，求，CH1通道显示阳极电流波形符合相应通道显示阳极电流波形符合相应的技术的技术(jsh)规

14、定。规定。2、磁空管特性参数(cnsh)测量第二十五页，共38页。3、磁控管工作(gngzu)特性测试磁控管负载(fzi)特性图磁控管工作(gngzu)特性图第二十六页，共38页。4、匹配(ppi)实验 技术要求技术要求空载阻抗测试：微波炉按规空载阻抗测试：微波炉按规定的方法试验时，微波炉定的方法试验时，微波炉的电压驻波比（的电压驻波比（VSWR）20，相位在非下陷，相位在非下陷(xi xin)区（区（0.25）,其图如其图如右图所示。右图所示。负载阻抗测试：微波炉按规负载阻抗测试：微波炉按规定的方法试验时，微波炉定的方法试验时，微波炉的电压驻波比（的电压驻波比（VSWR）4，相位在，相位在0

15、.25-0.29,其图如图所示其图如图所示 第二十七页，共38页。5、EMI实验(shyn)检测项目：150KHz30MHz传导(chundo)骚扰测试150KHz30MHz磁场骚扰测试30MHz1GHz电场辐射骚扰测试1GHz18GHz电磁场辐射骚扰测试 第二十八页，共38页。标准3M法电波(din b)暗室屏蔽(pngb)室反射(fnsh)箱第二十九页，共38页。基本(jbn)频率(2455MHz) 辐射(fsh)干扰屏蔽门结构(jigu)门锁铁氧体门or磁控管电源变压器炉门窗口炉腔炉盖前后导波管冷却风微波炉辐射干扰的设计第三十页，共38页。6、寿命(shumng)实验磁控管寿命依赖性阳极

16、电流阳极温度阴极温度电源回路ON-OFF断续周期负荷条件高负荷均压环变形阴极变形阳极温度上升阴极温度上升真空漏气真空管内多余气体放出均压环变形散热损失阴极变形电子发射劣化冷启动阳极阴极的热应力散热损失阳极热应力阴极变形电子发射劣化慢周期热应力漏气/屏蔽网烧焦磁性线圈烧焦阳极温度上升异常电场发生阳极温度上升阴极温度上升实验(shyn)方式：1、连续 2、2分通1分断 3、5秒通5秒断第三十一页，共38页。五、使用磁控管要注意的几个(j )问题1.负载(fzi)要匹配 此区域为磁控管的负载工作最佳区域，如微波炉的工作区域偏离此区域将造成(zo chn)微波炉的输出功率低、效率低及温升高、打火、聚焦

17、等不良现象磁控管负载特性图（雷基图）第三十二页，共38页。空载(kn zi)效果较好的匹配图空载效果(xiogu)差的匹配图1.负载(fzi)要匹配微波炉与磁控管匹配特性测试图第三十三页，共38页。负载效果(xiogu)较好的匹配图负载(fzi)效果差的匹配图微波炉与磁控管匹配特性(txng)测试图1.负载要匹配第三十四页，共38页。2.对供电(n din)电源的要求注意：如右图所示（已标出同名端）就应为A、C连接，接反了会有影响： 浪涌电压将升高0.5KV。 阳极(yngj)温升将升高10左右。 微波炉效率将下降12磁控管电源(dinyun)接线图第三十五页，共38页。2.对供电(n din)电源的要求电容(dinrng)与变压器匹配较差电容(dinrng)与变压器匹配较好变压器与高压电容性能匹配图第三十六页，共38页。冷却是保证磁控管正常工作的条件之一，大功率磁控管的阳极常用 水冷，微波炉是采用强迫风冷，其风量(fngling)设计一定要保证磁控