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(jié)構(gòu)，作為輻射天線插入激勵波導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，已廣泛用于雷達、導(dǎo)航、通信、工業(yè)加熱、醫(yī)療、食品工業(yè)等多個領(lǐng)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(yīng)用，推動了連續(xù)波磁控管的發(fā)展和應(yīng)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(yīng)用設(shè)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(shè)計

　　互作用空間和諧振系統(tǒng)的設(shè)計可以根據(jù)磁控管設(shè)計手冊進行計算，從而得到所需的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行冷態(tài)和熱態(tài)仿真，從而最終驗證管子結(jié)構(gòu)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(shè)計方法的可行性。下面列出設(shè)計過程中管子主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(zhì)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(yán)，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(guān)系計算得到，計算公式如下：

　　式中，Ua為峰值陽極電壓，可參考同類管子設(shè)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(fù)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(jié)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(yīng)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(shè)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

2、實際制管測試結(jié)果

　　通過不斷的進行實驗和改進，最終確定管子的結(jié)構(gòu)參數(shù)。包裝后整管如圖9所示，最終研制的樣管工作參數(shù)如表1所示。

表1　工作參數(shù)

圖9　包裝后整管

　　從表1可以看出，該樣管設(shè)計基本達到設(shè)計參數(shù)要求，研制結(jié)果達到預(yù)期。該連續(xù)波磁控管的研制成功為我所民用連續(xù)波磁控管的開發(fā)與研制打下了堅實的基礎(chǔ)，并將極大地促進我所微波能應(yīng)用的開展和研制工作，對推進我國微波能應(yīng)用具有重要意義。