2kW连续波磁控管设计与仿真
本文介绍了一种用于工、农业加热的连续波磁控管的研制过程，该磁控管工作频率2450MHz，输出功率2kW。该磁控管采用轴向能量输出结构，作为辐射天线插入激励波导中进行能量输出，阴极采用直热式螺旋形碳化钍钨阴极，整管体积小、重量轻、结构紧凑，便于安装和使用。
磁控管由于具有体积小、重量轻、工作电压低、效率高、输出功率大和结构简单等优点，已广泛用于雷达、导航、通信、工业加热、医疗、食品工业等多个领域。60年代以来，微波加热在工农业生产、医疗以及日常生活中的应用，推动了连续波磁控管的发展和应用。目前工业加热用915MHz连续波磁控管可提供100kW 输出功率，效率可达80%以上;2450MHz连续波磁控管可提供30kW 输出功率效率可达70%左右。连续波磁控管也在不断向更高频率发展，国外已成功研制出5800MHz/750W连续波磁控管。本文介绍了一种2450MHz/2kW连续波磁控管的研制过程，该磁控管可以用于工业微波能应用设备。
1、研制过程
1.1、特点和参数
整管采用水冷、包装式永久磁铁和全金属陶瓷结构，具有工作效率高、体积小、重量轻和便于安装使用等特点。主要设计参数：工作频率2450±15MHz，输出功率大于2kW，最高工作效率大于67%。
1.2、互作用空间及谐振系统的设计
互作用空间和谐振系统的设计可以根据磁控管设计手册进行计算，从而得到所需的结构尺寸参数，然后利用CST 微波工作室和粒子模拟计算软件MAGIC对得到的管子结构进行冷态和热态仿真，从而最终验证管子结构尺寸的正确性。最后通过制作出实际的连续波磁控管，对其进行实际测试从而验证设计方法的可行性。下面列出设计过程中管子主要结构参数的选取和计算方法。
1.2.1、谐振腔类型和谐振腔数目N 的选择
连续波磁控管振荡波长较长，阳极采用具有隔膜带的同腔谐振系统。该管谐振腔选用扇槽型结构，该种谐振腔的优点是在提高阳极块的散热能力前提下，可以保证较高的固有品质因数。目前市面上的915MHz连续波磁控管谐振数目N 一般为10，2450MHz连续波磁控管谐振腔数目N 一般为12，因此选取该管谐振腔数目N=12。
1.2.2、阴阳极直径比σ和阳极直径da的确定
为了提高电子效率，减少电子对阴极的回轰，加上连续波磁控管对频率稳定性等要求不严，σ的选择比脉冲磁控管小些。根据经验公式，σ可按式(1)计算：
阳极直径可根据工作线表示的电压、磁场关系计算得到，计算公式如下：
式中，Ua为峰值阳极电压，可参考同类管子设计参数选取。
1.5.2、MAGIC热态仿真
MAGIC软件主要用于模拟电真空器件中电磁场与电子的互作用过程，计算和分析有空间电荷存在的复杂电磁问题。热态仿真中采用实际管子热测时所使用的电压和磁场值，阴极采用电子束发射模型，仿真结果如图6-图8所示。
从图6中可以看到，电子已经形成清晰轮辐，群聚效果明显。电子轮辐的数目与振荡模式的编号n相等，图中轮辐的数目为6个，对应于π模所产生的轮辐数，说明该磁控管工作在π模。图7为管子的输出功率图，可以看出磁控管能得到稳定的输出功率，功率大于2kW。图8为磁控管0～12GHz输出频谱曲线，从图中可以看出：磁控管输出π模频率为2.455GHz，N2-1模频率为3.55GHz，其主模与杂模分隔较大，满足设计要求。
图6 互作用空间电子轨迹图
图7 输出功率
图8 0～12GHz输出频谱曲线
2、实际制管测试结果
通过不断的进行实验和改进，最终确定管子的结构参数。包装后整管如图9所示，最终研制的样管工作参数如表1所示。
表1 工作参数
图9 包装后整管
从表1可以看出，该样管设计基本达到设计参数要求，研制结果达到预期。该连续波磁控管的研制成功为我所民用连续波磁控管的开发与研制打下了坚实的基础，并将极大地促进我所微波能应用的开展和研制工作，对推进我国微波能应用具有重要意义。
