浅析磁控管的工作原理

浅析磁控管的工作原理
发表时间：2019-07-18T09:20:53.103Z 来源：《科技尚品》2019年第2期作者：朱鹏程李彤董鲜锋[导读] 磁控管，英文名称为Magnetron，于1936年至1937年间进行研制，并于1939年在市场上得以应用，是一种可以产生微波能的器件。

"磁控管"中"磁"指的是磁场，"管"指的是二极管，因此"磁控管"实际上就是将二极管置于磁场中，在磁场与产生的电场作用下，管内电子将电场中获取的能量转换为微波能量的过程。

现磁控管的特点是功率大、效率高、工作电压低、尺寸孝重量轻、成本低，已得到广泛应
用。

磁控管主要由阴极
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磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件。

实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。

管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，从而达到产生微波能的目的。

同时，磁控管是一种消耗品，容易老化和消磁。

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、同轴磁控管和反同微波磁控管轴磁控管;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。

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。

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。

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。

这部分电子称为磁控管不利电子。

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,分别向左右两边磁控管运动,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，磁控管以维持微波振荡，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。

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。

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。

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。