2kW連續(xù)波磁控管設計與仿真

2013-12-06 李會成北京真空電子技術研究所

　　本文介紹了一種用于工、農(nóng)業(yè)加熱的連續(xù)波磁控管的研制過程，該磁控管工作頻率2450MHz，輸出功率2kW。該磁控管采用軸向能量輸出結構，作為輻射天線插入激勵波導中進行能量輸出，陰極采用直熱式螺旋形碳化釷鎢陰極，整管體積小、重量輕、結構緊湊，便于安裝和使用。

　　磁控管由于具有體積小、重量輕、工作電壓低、效率高、輸出功率大和結構簡單等優(yōu)點，已廣泛用于雷達、導航、通信、工業(yè)加熱、醫(yī)療、食品工業(yè)等多個領域。60年代以來，微波加熱在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療以及日常生活中的應用，推動了連續(xù)波磁控管的發(fā)展和應用。目前工業(yè)加熱用915MHz連續(xù)波磁控管可提供100kW 輸出功率，效率可達80%以上;2450MHz連續(xù)波磁控管可提供30kW 輸出功率效率可達70%左右。連續(xù)波磁控管也在不斷向更高頻率發(fā)展，國外已成功研制出5800MHz/750W連續(xù)波磁控管。本文介紹了一種2450MHz/2kW連續(xù)波磁控管的研制過程，該磁控管可以用于工業(yè)微波能應用設備。

1、研制過程

　　1.1、特點和參數(shù)

　　整管采用水冷、包裝式永久磁鐵和全金屬陶瓷結構，具有工作效率高、體積小、重量輕和便于安裝使用等特點。主要設計參數(shù)：工作頻率2450±15MHz，輸出功率大于2kW，最高工作效率大于67%。

　　1.2、互作用空間及諧振系統(tǒng)的設計

　　互作用空間和諧振系統(tǒng)的設計可以根據(jù)磁控管設計手冊進行計算，從而得到所需的結構尺寸參數(shù)，然后利用CST 微波工作室和粒子模擬計算軟件MAGIC對得到的管子結構進行冷態(tài)和熱態(tài)仿真，從而最終驗證管子結構尺寸的正確性。最后通過制作出實際的連續(xù)波磁控管，對其進行實際測試從而驗證設計方法的可行性。下面列出設計過程中管子主要結構參數(shù)的選取和計算方法。

　　1.2.1、諧振腔類型和諧振腔數(shù)目N 的選擇

　　連續(xù)波磁控管振蕩波長較長，陽極采用具有隔膜帶的同腔諧振系統(tǒng)。該管諧振腔選用扇槽型結構，該種諧振腔的優(yōu)點是在提高陽極塊的散熱能力前提下，可以保證較高的固有品質因數(shù)。目前市面上的915MHz連續(xù)波磁控管諧振數(shù)目N 一般為10，2450MHz連續(xù)波磁控管諧振腔數(shù)目N 一般為12，因此選取該管諧振腔數(shù)目N=12。

　　1.2.2、陰陽極直徑比σ和陽極直徑da的確定

　　為了提高電子效率，減少電子對陰極的回轟，加上連續(xù)波磁控管對頻率穩(wěn)定性等要求不嚴，σ的選擇比脈沖磁控管小些。根據(jù)經(jīng)驗公式，σ可按式(1)計算：

　　陽極直徑可根據(jù)工作線表示的電壓、磁場關系計算得到，計算公式如下：

2kW連續(xù)波磁控管設計與仿真

　　式中，Ua為峰值陽極電壓，可參考同類管子設計參數(shù)選取。

　　1.5.2、MAGIC熱態(tài)仿真

　　MAGIC軟件主要用于模擬電真空器件中電磁場與電子的互作用過程，計算和分析有空間電荷存在的復雜電磁問題。熱態(tài)仿真中采用實際管子熱測時所使用的電壓和磁場值，陰極采用電子束發(fā)射模型，仿真結果如圖6-圖8所示。

　　從圖6中可以看到，電子已經(jīng)形成清晰輪輻，群聚效果明顯。電子輪輻的數(shù)目與振蕩模式的編號n相等，圖中輪輻的數(shù)目為6個，對應于π模所產(chǎn)生的輪輻數(shù)，說明該磁控管工作在π模。圖7為管子的輸出功率圖，可以看出磁控管能得到穩(wěn)定的輸出功率，功率大于2kW。圖8為磁控管0～12GHz輸出頻譜曲線，從圖中可以看出：磁控管輸出π模頻率為2.455GHz，N2-1模頻率為3.55GHz，其主模與雜模分隔較大，滿足設計要求。

2kW連續(xù)波磁控管設計與仿真