磁控管原理 - 入门与动画演示

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1、 磁控管磁控管 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 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。 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

2、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 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

3、时电子的运动特征，这样 的磁控管称为“静态磁控管”。 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。 二、工作原理 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

4、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 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。 1、静态磁控管中电子的运动 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832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。 现在我们设想一种“展开

5、”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。 3、磁控管的自激 4、磁控管谐振系统的谐振模式 n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

6、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现在用一个八腔磁控管来研究这一问题。N=10 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

7、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 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。

8、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”。 阳极板 天线 输出 K + + + + 三、磁控管结构 黑球 射频密封垫 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 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 管芯构造 天线帽 绝缘环 均压环 阳极筒 灯丝 天线 磁极A侧 阳极板 磁极K侧 阳极回路 天线安装位置 均压环(大) 均压环(小) 阳极板 阳极筒 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 灯丝线圈的横截面 阴极构造 W2C W+ThO2

9、(钍钨) (碳化钨) 易碎的 阴极回路 端帽 引出线 钛帽 灯丝线圈 K侧管 支持体本体 端子 支持体 步骤： 散热片压入 密封垫片压入 螺钉紧固 滤波组件铆接 屏蔽盒盖铆接 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、 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： 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

10、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200M 2M217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（标准测试条件3.3V） 耐压：Et=10kVDC或Et=7.1kVAC t=60sec 绝缘：最小200M 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

11、、磁控管动作特性测试 1、导波管实验 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。 2、磁空管特性参数测量 3、磁控管工作特性测试 磁控管负载特性图 磁控管工作特性图 4、匹配实验 技术要求 空载阻抗测

12、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（0.25）,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 0.25-0.29,其图如图所示 5、EMI实验 检测项目： 150KHz30MHz传导骚扰测试 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 标准3M法电波暗室 屏蔽室反射箱 基本频率(2455MHz) 辐射干扰 屏蔽门结构 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

13、的设计 6、寿命实验 磁控管寿 命依赖性 阳极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 实验方式：1、连续 2、2分通1分断 3、5秒通5秒断 五、使用磁控管要注意的几个问题 1.负载要匹配 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

14、 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 磁控管负载特性图（雷基图） 空载效果较好的匹配图空载效果差的匹配图 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 微波炉与磁控管匹配特性测试图 1.负载要匹配 2.对供电电源的要求 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。 阳极温升将升高10左右 。 微波炉效率将下降12 磁控管电源接线图 2.对供电电源的要求 电容与变压器匹配较差电容与变压器匹配较好 变压器与高压电容性能匹配图 冷却是保证磁控管正常工作的条件之一，大

15、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0.5mm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。 3.微波炉设计和组装中要注意的问题 磁控管演示动画地址 更多精彩动画 再见！