運用流體分析軟件對大功率磁控管模型進行風冷流場和溫度模擬，完成了輸出功率為1.5kW 和2kW 的大功率磁控管散熱系統(tǒng)設計。分別對磁控管內(nèi)部葉片結構、散熱片數(shù)量、厚度、材質(zhì)及應用風壓等級等參數(shù)進行計算，得到磁控管溫升對以上各參數(shù)變化的敏感程度，結果顯示磁控管溫度在考察功率范圍內(nèi)與耗散功率呈線性關系，而散熱系統(tǒng)設計參數(shù)的提高受到各種因素的限制。因此，在允許空載的情況下，對于輸出功率超過2kW 的大功率磁控管，風冷方式已經(jīng)難以滿足磁控管的冷卻需求。

　　計算機輔助工程(CAE)技術在磁控管的研發(fā)過程中有舉足輕重的作用。事實上在上個世紀七八十年代，國外的磁控管研究人員便開始在電磁場計算領域應用CAE技術。近年CAE軟件在流體分析和PIC模擬方面更是有了較大的改進，計算精度更高，用戶界面更加友好。磁控管雖然零部件不多，但其工作原理復雜，要深入研究其工作機理，要借助計算機就結構力學、流場熱分析、電磁場、磁場、粒子等多個領域進行計算分析———涉及CAE技術的大部分分支。

1、概述

　　1.1、大功率磁控管

　　本文所涉及的大功率磁控管是面向商用微波爐和工業(yè)應用而開發(fā)的輸出功率在1.5～2.0kW 的連續(xù)波磁控管，頻率為2450MHz，其架構與普通家用微波爐磁控管相似。由于互作用空間功率容量提高的需要，管芯部分的尺寸相應增大，同時管外件圍繞散熱和磁路設計也相對普通家用微波爐磁控管大。

　　1.2、大功率磁控管散熱系統(tǒng)設計原則

　　基于磁控管最壞的工況--空載考慮其散熱系統(tǒng)。對于功率越大的磁控管，其要求的陽極溫度更低，因為其管內(nèi)溫升比小功率管高。參考小功率磁控管溫升要求，結合葉片熱傳導能力分析，2kW 磁控管的陽極溫升以280℃甚至更低為設計目標。設計需綜合考慮可制造性、性能、成本。磁控管空載耗散由反射功率決定，反射功率由駐波系數(shù)求得：

　　式中，Pd、Pi、Po、S 分別代表代表耗散功率、輸入功率、輸出功率和駐波系數(shù)(VSWR)。圖1顯示了在不同駐波系數(shù)下的耗散功率與標準輸出功率之間的關系。本文首先在的散熱系統(tǒng)設計基于Pd/Po=1的情況開展，用戶在應用磁控管時可根據(jù)圖1結合自身的駐波情況調(diào)整功率適用范圍。

圖1　駐波系數(shù)決定了耗散功率與標準輸出功率的關系

　　1.3、仿真模型

　　對管內(nèi)熱分析中本著留有余量的目的，將耗散加于葉片端面。耗散功率是指整管的耗散功率。管外件仿真模型中包含陽極筒、熱源、散熱片、磁鐵，支架對傳導影響不大，對氣流影響重大，以薄壁代替。磁鐵對氣流的影響也不能忽略，設為低熱導率材料以模擬實際中磁鐵的弱導熱特性。陽極筒內(nèi)部結構對管外件溫度和流場仿真沒有影響，可以簡化成陽極筒，壁厚是嚴格參數(shù)不作調(diào)整。

　　基于風扇的實際工作曲線，模型采用風壓變量，而沒有采用部分研究者的風速變量———這樣更能反映風速在散熱片結構變化下的變化。圖2為用于計算的模型網(wǎng)格，單元數(shù)85萬。

圖2　模型結構及其計算網(wǎng)格

　　圖3顯示計算的流場溫度情況，計算收斂情況理想，用4核至強工作站上并行運算完成一個狀態(tài)點的計算約需要10min———本文進行計算的狀態(tài)點超過100個，分開計算用時將超過1000min。如以接近條件的前一個狀態(tài)的仿真結果作為后一個狀態(tài)的初始條件，可以加速收斂，仿真時間縮短10%至50%，具體縮短程度視兩狀態(tài)差異情況而定。

圖3　x 方向和y 方向的模型溫度

4、設計方案

　　4.1、功率及風壓限制

　　由以上的仿真分析可知，在磁控管工作于2kW輸出的大功率下，只能使用能提供近200Pa風壓的風機進行冷卻，才能滿足磁控管冷卻要求，一般工業(yè)應用可以提供此類風機。

　　對于商用微波爐等應用，對風機功率、風噪等有較高要求的場合，風機風壓有限，磁控管功率由于溫升受限，不能運行在2kW 輸出的狀態(tài)。在30～80Pa風壓下，功率回退到1500～1700W 能保證安全運行。

　　4.2、磁控管型號設計

　　磁控管型號設計如表1所示。

表1　兩種功率等級的磁控管

5、總結

　　通過CAE技術設計出大功率磁控管的散熱系統(tǒng)，得到了基于同一種管芯的2種不同功率和應用場合的磁控管型號。通過對現(xiàn)有產(chǎn)品的分析和實驗對比，基于CAE的磁控管熱分析精度較高，在加載條件判斷準確的情況下，誤差將低于10%。在仿真結果的指導下，有望可以一次完成合格樣品的制備，免去多次試錯的高昂成本。