磁控管（电真空器件）

磁控管

电真空器件

磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件。磁控管由一密封真空管(铜柱段腔体要合适，不能太大，太大自由电子则不会外喷)组成，管内有一柱形中心阴极(电子源)，置于一铜质环柱形阳极里，电子被静电场吸引流至阳极(铜质环柱形)。沿真空管轴的一稳定磁场(铜质环柱形内部的槽柱间因LC振荡形成交换磁场，这个磁场1可约束自由电子进入铜导体（有一一部分无法阻止），2产生旋转磁场使阴极线圈通过电磁感应大量施放自由电子)使电子偏离其径向路程(使自由电子不接触到铜导体)，绕阴极旋转(因铜环内槽正负极性旋转变化使阴极大量施放自由电子周围自由电子旋转)，产生微波频率的振荡(旋转的电子沿枪囗喷射)。广泛用于雷达发生器。

发展

早期的磁控管（负阻磁控管和回旋磁控管）由于效率极低，没有实用意义。1935年A.L.Samuel最早研制出多腔磁控管的模型。同年法国Camille Gutton用磁控管产生16厘米波长，11月29日德国人H.E.Hollmann注册了一项更为出色的多腔磁控管专利。而苏联却声称第一只多腔磁控管是苏联工程师Н.Ф.阿列克谢也夫和Д.Е.马辽逻夫于1936～1937年间制成的。1939年，英国物理学家H.A.H.布特和J.T.兰道尔制成了完全实用化的多腔磁控管。在第二次世界大战中，多腔磁控管广泛用于军用雷达发射机，发挥了很大的作用。到1945年，其工作频率已达30吉赫。一般所称的磁控管，即指多腔磁控管。

特点

磁控管的特点是功率大、效率高、工作电压低、尺寸小、重量轻、成本低。磁控管主要由阴极、阳极、能量耦合装置、磁路和调谐装置等五个部件构成。固定频率的磁控管中不设调谐装置。

工作原理

磁控管通常工作在π模，相邻两个谐振腔腔口处微波电场相位正好相差180°，即微波电场方向正好相反(图2)。虽然这种微波场为驻波场，但在π模的情况下，相当于两个相同的微波场在圆周上沿相反的方向运动，两个场的相速值相等。从阴极发射出的电子在正交电磁场作用下作轮摆线运动。调节直流电压和恒定磁场，使电子在圆周方向的平均漂移速度v=E/B正好等于在其方向上运动的一个微波场的相速v（式中E是直流电压在互作用空间产生的直流电场平均值，B为轴向恒定磁感应强度），电子就可以与微波场作同步运动。在同步运动过程中，处在微波减速场中的那部分电子将自己的直流位能逐渐交给微波场，并向阳极靠拢，最后为阳极所收集。这部分电子向微波场转移能量，有利于在磁控管中建立稳定的微波振荡，故称为有利电子。处在微波加速场的那部分电子从微波场获得能量并向阴极运动，最后打在阴极上。这部分电子称为不利电子。不利电子在回轰阴极时打出大量的次级电子，使互作用空间电子的数量因之增加。最大减速场区是电子的群聚中心。在它两旁的电子都受到向这个群聚中心靠拢的力而向群聚中心运动。最大加速场区是电子的散聚中心，附近的电子都受到背离散聚中心的力，分别向左右两边运动，转化为有利电子。这样，在振荡建立过程中不利电子越来越少，有利电子越来越多，并向群聚中心集中，逐步在互作用空间形成轮辐状电子云。这种处于不同相位下的电子在互作用空间自动群聚成轮辐状电子云的现象，称为自动相位聚焦。在互作用空间的微波场，随着远离阳极表面而指数衰减。因此，在阴极表面的微波场极弱，对电子的群聚作用极小，在阴极附近不会形成明显的电子轮辐，而是形成几乎均匀分布的电子轮毂。磁控管在互作用空间的电子中有利电子占绝大多数，而且均在向阳极运动过程中，有利电子回旋的时间又较长，它们能够充分地将直流位能轮换成微波能量；回轰阴极的电子比较少，而且它们从阴极发射后不久就打在阴极上，因而从微波场吸收能量也较少。这样，互作用空间全部电子与微波场相互作用的总的效果是，电子将直流位能交给微波场，在磁控管中建立起稳定的微波振荡。

阳极谐振系统

阳极谐振系统由沿着圆周排列的一组闭合谐振腔构成。磁控管作为振荡器需有一定的储能，以维持微波振荡，因而要求阳极谐振系统有较高的品质因数。同时，在磁控管中，振荡的能量又需要通过输出装置输出才能使用。因此，阳极谐振系统上的能量耦合元件的设计十分重要。它既要耦合出一定能量保证使用，又要使阳极谐振系统具有较高的品质因数，保持足够高的储能，维持磁控管稳定工作。磁控管工作于π模。为保证π模工作稳定，邻模与π模之间应有良好的模式分割，因此，常常采用带有隔膜带的或旭日异腔型的阳极谐振系统。图3为常用的磁控管阳极谐振系统的结构。

分类和应用

分类

磁控管，按工作状态可分为脉冲磁控管和连续波磁控管；按结构特点可分为普通磁控管、同轴磁控管和反同轴磁控管；按频率可调与否，可分为固定频率磁控管和频率可调磁控管。频率可调磁控管又可分为机械调谐磁控管和频率捷变磁控管。另外还有一类借助改变阳极电压实现频率调谐的电压调谐磁控管。

磁控管

磁控管是一种效率最高的大功率微波源，不仅在军事领域得到了广泛的应用，在民用领域也得到了广泛的应用。实践证明，从输出功率、效率和可靠性的观点考虑，当前的微波半导体器件是难以胜任的。在今后的相当长的一段时期内，磁控管仍将在大功率和高频率应用中继续充当主要角色。

脉冲磁控管的工作脉冲宽度可在0.004～60微秒范围内变化，工作频率范围在250兆赫至120吉赫之间，脉冲功率从几十瓦到几十兆瓦，效率可达70%，寿命可达几万小时。脉冲磁控管广泛用于引导、火控、测高、机载、舰载、气象等各种雷达中。

连续波磁控管用于电子对抗、工业加热和微波理疗。功率在400～1000瓦之间的廉价的连续波磁控管还广泛用于家用微波灶。为了不干扰雷达和通信设备的正常工作，医用、工业加热和烹调用磁控管的工作频率通常为915±25兆赫及2450±50兆赫。

连续波磁控管

频率可调磁控管，特别是频率捷变磁控管能提高雷达的抗干扰能力。

电压调谐磁控管通常作为电子对抗设备的功率源，可提供几瓦到几百瓦的连续波功率。它具有调谐速度快、调谐线性好等优点。小功率电压调谐磁控管调谐范围可达2:1，4:1，甚至20:1，能大大提高各种雷达的电子对抗能力。它的主要缺点是输出功率不够大，不能用于雷达的电子反对抗措施。

同轴磁控管

同轴磁控管是在普通磁控管翼片腔体（称为内腔）外面加一只具有高品质因数的同轴腔（称为外腔）而构成，靠内腔背壁上的相间耦合隙缝将内外腔的场耦合起来。

对研制的磁控管进行注入锁定实验研究，输出微波功率1.047kW，效率约为58%。磁控管锁频锁相后输出的频率和相位稳定。

同轴磁控管具有模式分割好、工作效率高和频率稳定性好的优点，常用于动目标显示、精密跟踪和测距雷达中。反同轴磁控管由内阳极和与之同轴的外阴极组成，因而可增大阴极面积。同轴磁控管的工作波长可短至毫米波段。这种磁控管的特点是功率高、效率高、频率稳定性好。

结构

阳极

阳极是磁控管的主要组成之一，它与阴极一起构成电子与高频电磁场相互作用的空间。在恒定磁场和恒定电场的作用下，电子在此空间内完成能量转换的任务。磁控管的阳极除与普通的极管的阳极一样收集电子外，还对高频电磁场的振荡频率起着决定性的作用。

阳极由导电良好的金属材料（如无氧铜）制成，并设有多个谐振腔，谐振腔的数目必须是偶数，管子的工作频率越高腔数越多。

阳极谐振腔的型式常为孔槽形、扇形和槽扇型，阳极上的每一个小谐振腔相当于一个并联的2C振荡回路。以槽扇型腔为例，可以认为腔的槽部分主要构成振荡回路的电容，而其扇形部分主要构成振荡回路的电感。

磁控管的阳极由许多谐振腔耦合在一起，形成一个复杂的谐振系统。这个系统的谐振腔频率主要决定于每个小谐振腔的谐振频率，我们也可以根据小谐振腔的大小来估计磁控管的工作频段。

磁控管的阳极谐振系统除能产生所需要的电磁振荡外，还能产生不同特性的多种电磁振荡。为使磁控管稳定的工作在所需的模式上，常用隔型带来隔离干扰模式.隔型带把阳极翼片一个间隔一个地连接起来，以增加工作模式与相邻干扰模式之间的频率间隔。

另外，由于经能量交换后的电子还具有一定的能量，这些电子打上阳极使阳极温度升高，阳极收集的电子越多(即电流越大)，或电子的能量越大(能量转换率越低)，阳极温度越高，因此，阳极需有良好的散热能力。一般情况下功率管采用强迫风冷，阳极带有散热片.大功率管则多用水冷，阳极上有冷却水套。

阴极及其引线

磁控管的阴极即电子的发射体，又是相互作用空间的一个组成部分。阴极的性能对管子的工作特性和寿命影响极大，被视为整个管子的心脏。

阴极的种类很多，性能各异。连续波磁控管中常用直热式阴极，它由钨丝或纯钨丝绕成螺旋形状，通电流加热到规定温度后就具有发射电子的能力。这种阴极具有加热时间短和抗电子轰击能力强等优点，在连续波磁控管中得到广泛的应用。

此种阴极加热电流大，要求阴极引线要短而粗，连接部分要接触良好。大功率管的阴极引线工作时温度很高，常用强迫风冷散热。磁控管工作时阴极接负高压，因此引线部分应有良好的绝缘性能并能满足真空密封的要求。为防止因电子回轰而使阳极过热，磁控管工作稳定后应按规定降低阴极电流以延长使用寿命。

能量输出器

能量输出器是把相互作用空间中所产生的微波能输送到负载去的装置。

能量输出装置的作用是无损耗，无击穿地通过微波，保证管子的真空密封，同时还要做到便于与外部系统相连接。

小功率连续波磁控管大多采用同轴输出在阳极谐振腔高频磁场最强的地方。放置一个耦合环，当穿过环面的磁通量变化时，将在环上产生高频感应电流，从而将高频功率引到环外。耦合环面积越大耦合越强。

大功率连续波磁控管常用轴向能量输出器，输出天线通过极靴孔洞连接到阳极翼片上。天线一般做成条状或圆棒也可为锥体。整个天线被输出窗密封。

输出窗常用低损耗特性的玻璃或陶瓷制成。它必须保证微波能量无损耗的通过和具有良好的真空气密性。大功率管的输出窗常用强迫风冷来降低由于介质损耗所产生的热量。

磁路系统

磁控管正常工作时要求有很强的恒定磁场，其磁场感应强度一般为数千高斯。工作频率越高，所加磁场越强。

磁控管的磁路系统就是产生恒定磁场的装置。磁路系统分永磁和电磁两大类。永磁系统一般用于小功率管，磁钢与管芯牢固合为一体构成所谓包装式。大功率管多用电磁铁产生磁场，管芯和电磁铁配合使用，管芯内有上、下极靴，以固定磁隙的距离。磁控管工作时，可以很方便的靠改变磁场强度的大小，来调整输出功率和工作频率。另外，还可以将阳极电流馈入电磁线包以提高管子工作的稳定性。

仿真研究

应用商业化有限元计算机仿真程序（SUPERFISH和MAXWELL），以2M214型微波炉用磁控管为例，对其谐振系统的模式分隔特性和电场分布特性进行了研究。重点计算和比较了无隔模带、有一环隔模带和有两环隔模带结构磁控管的模式分隔度。仿真结果表明有限元法程序计算结果与场论计算结果能很好地吻合，证实了本方法用于指导磁控管工程设计的可用性，并给出了评估不同磁控管阳极结构的模式分隔特性的模谱分布图.通过有限元求解的后处理技术，给出了磁控管互作用空间电场分布的计算机仿真结果（等位带和矢量图表示），为进一步研究场分布规律提供了一种新的手段。

参考资料

1.磁控管的研究现状与发展趋势·中国知网

2.5.8GHz磁控管的数值模拟和实验研究·中国知网

3.磁控管谐振系统计算机仿真研究·中国知网