磁控管基础知识介绍 微波炉硏究开发 2006年 04月 19日

1. 磁控管基础知识介绍 微波炉硏究开发 2006年 04月 19日

2. 摘要 一、概述 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

3. 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、微波促进化学反应等方面的发展，磁控管行业也得到了较大发展。

4. 一、概述 磁控管由于工作状态不同，可分为脉冲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

5. 二、工作原理 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体系的交变电场，就使振荡体系维持稳定的振荡过程，振荡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”。

6. 二、工作原理 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。

7. 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。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

8. 1、静态磁控管中电子的运动 当磁通密度B=0时为直线1； B﹤BKP时为曲线2； B=BKP时为曲线3； B﹥BKP时为曲线4。

9. 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，这些小的谐振腔的数目在厘米波段上的管子中，一般可有8~32个，毫米波段会更多些。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。

10. 3、磁控管的自激 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Ve时，在谐振器中建立起振荡。

11. 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2π的整数倍。于是可得： N∆φ=2π*n n=0、1、2、3、------ (1) 其中N为阳极谐振腔的数目，∆φ为相邻谐振腔中电磁振荡的相位差。 由（1）式得： ∆φ=2nπ/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∆φ同时满足这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。 • 现在用一个八腔磁控管来研究这一问题。N=10

13. 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高频场而完成能量转换的任务

14. 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“电子轮辐”。

15. 输出 天线 阳极板 + － － + + K － － + + －

16. 三、磁控管结构 ①管外结构 黑球 安装底板 密封垫片 射频密封垫圈 屏蔽盒 支架组件 磁铁 支架 散热片 滤波组件 穿心电容 螺丝 标签 屏蔽盒盖 扼流线圈

17. ②管内结构 黑球 白球 天线帽 输出组件 阳极组件 阴极组件 A侧磁极 A侧磁极

18. 管芯构造 天线帽 天线 绝缘环 磁极A侧 均压环 阳极筒 阳极板 灯丝 磁极K侧

19. 阳极回路 天线 均压环(大) A侧磁极 均压环(小) 天线安装位置 均压环(大) 均压环(小) 阳极板 阳极板 阳极筒 阳极筒 K侧磁极 阳极平面 阳极断面

20. 阴极回路 灯丝线圈的横截面 阴极构造 端帽 W2C 钛帽 (碳化钨) 支持体 灯丝线圈 易碎的 W+ThO2 (钍钨) K侧管 引出线 支持体本体 端子

21. ②组装过程 步骤： ① 散热片压入 ② 密封垫片压入 ③ 螺钉紧固 ④ 滤波组件铆接 ⑤ 屏蔽盒盖铆接

22. 四、主要性能参数及测试 磁控管的几个常规电参数值如下： 1、Ebm ——阳极电压(KV) 2、Po —— 平均功率(W) 3、η％ —— 效率 4、fo —— 频率(MHz) 5、If —— 灯丝电流 (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： ① 2M219系列磁控管的性能参数： Ebm：4.2±0.2KV Po：945±40W fo：2458±10MHz If：10±2A Ib： 最大值360mA（标准测试条件300mA）Ef：2.8～3.75V（标准测试条件3.3V） 耐压：Et=10kVDC或Et=7.1kVAC t=60sec 绝缘：最小200MΩ ②2M217系列磁控管的性能参数： Ebm：3.9±0.2KV Po：580±30W fo：2456±10MHz If：10±2A Ib： 最大值250mA（标准测试条件200mA）Ef：2.8～3.75V（标准测试条件3.3V） 耐压：Et=10kVDC或Et=7.1kVAC t=60sec 绝缘：最小200MΩ

23. 1、磁控管测试项目 常规项目 1、导波管实验 2、匹配性能测试 3、输入输出性能测试 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

24. 1、导波管实验

25. 2、磁空管特性参数测量 一、试验方法 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、示波器、高压探头。 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V1显示的灯丝电压、表A1显示的灯丝电流、示波器CH1通道显示的阳极峰值电流、阳极平均电流和示波CH2通道显示的阳极峰值电压、阳极平均电压、电参数测量仪显示的输入功率、其值应满足技术要求，CH1通道显示阳极电流波形符合相应的技术规定。

26. 3、磁控管工作特性测试 磁控管工作特性图 磁控管负载特性图

27. 4、匹配实验 技术要求 空载阻抗测试：微波炉按规定的方法试验时，微波炉的电压驻波比（VSWR）≤20，相位在非下陷区（0.25λ）,其图如右图所示。 负载阻抗测试：微波炉按规定的方法试验时，微波炉的电压驻波比（VSWR）≤4，相位在0.25λ-0.29λ,其图如图所示

28. 5、EMI实验 检测项目： 150KHz—30MHz传导骚扰测试 150KHz—30MHz磁场骚扰测试 30MHz—1GHz电场辐射骚扰测试 1GHz—18GHz电磁场辐射骚扰测试

29. 标准3M法电波暗室 反射箱 屏蔽室

30. 前 后 微波炉辐射干扰的设计 屏蔽门结构 基本频率(2455MHz) 辐射干扰 门锁 炉门 导波管 炉盖 炉腔 磁控管 or 冷却风 电源变压器 窗口 铁氧体门

31. 阴极温度 阳极温度 阳极电流 真空管内多余气体放出 阳极温度上升 均压环变形 真空漏气 阴极变形 阴极温度上升 阴极变形 均压环变形 电子发射劣化 散热损失 磁控管寿命依赖性 阳极热应力 热应力 漏气/屏蔽网烧焦 异常电场发生 阳极阴极 散热损失 的热应力 慢周期 电子发射劣化 磁性线圈烧焦 阳极温度上升 冷启动 阳极温度上升 阴极变形 阴极温度上升 ON-OFF断续周期 电源回路 负荷条件 高负荷 6、寿命实验 实验方式：1、连续 2、2分通1分断 3、5秒通5秒断

32. 五、使用磁控管要注意的几个问题 1.负载要匹配 磁控管负载特性图（雷基图） 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微波炉的输出功率低、效率低及温升高、打火、聚焦等不良现象

33. 1.负载要匹配 微波炉与磁控管匹配特性测试图 空载效果较好的匹配图 空载效果差的匹配图

34. 1.负载要匹配 微波炉与磁控管匹配特性测试图 负载效果较好的匹配图 负载效果差的匹配图

35. 2.对供电电源的要求 磁控管电源接线图 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： ① 浪涌电压将升高0.5KV。 ② 阳极温升将升高10℃左右。 ③ 微波炉效率将下降1～2％

36. 2.对供电电源的要求 变压器与高压电容性能匹配图 电容与变压器匹配较差 电容与变压器匹配较好

37. 3.微波炉设计和组装中要注意的问题 • 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，其风量设计一定要保证磁控管的使用要求。冷却不良将使管子过热而不能正常工作，严重时将烧坏管子。应严禁在冷却不足的条件下工作。 • 磁控管的灯丝为φ0.5mm的钍钨丝碳化而成的，因此这就决定了磁 • 控管灯丝易断的特点，所以在磁控管装配工艺上要避免磁控管遭受 • 过大的冲击、跌落致使灯丝断裂。 • 微波炉安装磁控管时要注意磁控管底板上的四个螺钉要松紧均匀，并且要对中，避免微波泄漏及匹配不良。 • 磁控管的穿心电容（接灯丝引线的带端子的电容）铆接强度有拔插 力要求，所以在安装灯丝引线时要控制力度。

38. THE END 谢谢！