2kW連續波磁控管設計與仿真
本文介紹了一種用于工、農業(yè)加熱的連續波磁控管的研制過(guò)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(xiàn)插入激勵波導中進(jìn)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于雷達、導航、通信、工業(yè)加熱、醫療、食品工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。60年代以來(lái)，微波加熱在工農業(yè)生產(chǎn)、醫療以及日常生活中的應用，推動(dòng)了連續波磁控管的發(fā)展和應用。目前工業(yè)加熱用915MHz連續波磁控管可提供100kW 輸出功率，效率可達80%以上;2450MHz連續波磁控管可提供30kW 輸出功率效率可達70%左右。連續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連續波磁控管。本文介紹了一種2450MHz/2kW連續波磁控管的研制過(guò)程，該磁控管可以用于工業(yè)微波能應用設備。
1、研制過(guò)程
1.1、特點(diǎn)和參數
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(diǎn)。主要設計參數：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的設計
互作用空間和諧振系統的設計可以根據磁控管設計手冊進(jìn)行計算，從而得到所需的結構尺寸參數，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(jìn)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(guò)制作出實(shí)際的連續波磁控管，對其進(jìn)行實(shí)際測試從而驗證設計方法的可行性。下面列出設計過(guò)程中管子主要結構參數的選取和計算方法。
1.2.1、諧振腔類(lèi)型和諧振腔數目N 的選擇
連續波磁控管振蕩波長(cháng)較長(cháng)，陽(yáng)極采用具有隔膜帶的同腔諧振系統。該管諧振腔選用扇槽型結構，該種諧振腔的優(yōu)點(diǎn)是在提高陽(yáng)極塊的散熱能力前提下，可以保證較高的固有品質(zhì)因數。目前市面上的915MHz連續波磁控管諧振數目N 一般為10，2450MHz連續波磁控管諧振腔數目N 一般為12，因此選取該管諧振腔數目N=12。
1.2.2、陰陽(yáng)極直徑比σ和陽(yáng)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，加上連續波磁控管對頻率穩定性等要求不嚴，σ的選擇比脈沖磁控管小些。根據經(jīng)驗公式，σ可按式(1)計算：
陽(yáng)極直徑可根據工作線(xiàn)表示的電壓、磁場(chǎng)關(guān)系計算得到，計算公式如下：
式中，Ua為峰值陽(yáng)極電壓，可參考同類(lèi)管子設計參數選取。
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(chǎng)與電子的互作用過(guò)程，計算和分析有空間電荷存在的復雜電磁問(wèn)題。熱態(tài)仿真中采用實(shí)際管子熱測時(shí)所使用的電壓和磁場(chǎng)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。電子輪輻的數目與振蕩模式的編號n相等，圖中輪輻的數目為6個(gè)，對應于π模所產(chǎn)生的輪輻數，說(shuō)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(xiàn)，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(mǎn)足設計要求。
圖6 互作用空間電子軌跡圖
圖7 輸出功率
圖8 0～12GHz輸出頻譜曲線(xiàn)
2、實(shí)際制管測試結果
通過(guò)不斷的進(jìn)行實(shí)驗和改進(jìn)，最終確定管子的結構參數。包裝后整管如圖9所示，最終研制的樣管工作參數如表1所示。
表1 工作參數
圖9 包裝后整管
從表1可以看出，該樣管設計基本達到設計參數要求，研制結果達到預期。該連續波磁控管的研制成功為我所民用連續波磁控管的開(kāi)發(fā)與研制打下了堅實(shí)的基礎，并將極大地促進(jìn)我所微波能應用的開(kāi)展和研制工作，對推進(jìn)我國微波能應用具有重要意義。
