微波炉磁控管基础知识介绍

微 波 炉 硏 究 开 发2006年 04月 19日 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 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 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 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 ” 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 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 模 式 编 号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 相 位 差 0 /5 2 /5 3 /5 4 /5 6 /5 7 /5 8 /5 9 /5 2 /5+2 不 同 的 模 式 对 应 的 相 位 差 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 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 ” 。 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 W2CW+ThO 2(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 （ m A） 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 ： 4.2 0.2KV Po： 945 40W fo： 2458 10MHz If： 10 2A Ib： 最 大 值 360m A（ 标 准 测 试 条 件 300m A） 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 200M 2M217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 250m A（ 标 准 测 试 条 件 200m A） 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 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、 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 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 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 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 1 2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 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 0.5m m 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 THE END 谢 谢 ！