（物理电子学专业论文）微波炉磁控管磁路系统仿真分析.pdf

摘要 摘要 磁控管自从被发明以来，在前人的积极探索研究中逐渐完善，并积累了一整 套较为成熟的生产工艺，最终实现了大规模批量生产，这也促成了它从军用逐渐 扩展到民用及工业用，特别是其中的连续波磁控管早已广泛应用于家用微波炉和 工业微波加热设备。 目前，每年大约有几千万微波炉磁控管被生产出来，需求促进了产品的革新、 技术的发展，竞争促进了成本及价格的降低。因此，在磁控管的研发过程中，既 要保证产品的低成本，又要实现管子的高可靠性，长寿命及低噪声等良好性能， 这本身不能不说是一种挑战。 磁控管中的磁场是一个极其重要的参数，它的作用不同于线性注微波管中的 磁场，它直接影响管内电子的互作用和能量转换，从而直接影响输出功率、效率 和频谱噪声。一直以来，在分析和讨论磁控管的工作原理和性能参数时，一般都 假设工作磁场为均匀磁场，很多结论是在均匀磁场作用下得出的，目前，在研究 和改善加热用磁控管的频率特性中，人们开始关注磁场对磁控管的输出特性的影 响，特别是对管子工作稳定性和输出频谱的作用，并尝试通过改变工作磁场的分 布，来改善磁控管的输出频谱，以便减小磁控管对一些无线通讯设备的电磁干扰， 因此本文对磁控管的磁路系统进行实验测量和软件仿真研究，以便通过磁路设计 优化磁控管的工作性能。 本文主要利用m a f i a 程序的静磁场仿真模块对磁控管磁场进行模拟，通过实 际测量和仿真比较验证模拟程序的可靠性，在此基础上，改变磁路结构，比如极 靴锥形部分倾角、极靴高度，分析磁场变化趋势，从而在加工样管的过程中进一 步优化部件尺寸，改善性能。出于节约成本考虑，主要对改短极靴的磁路系统磁 场进行分析，观察极靴改短后的磁场变化及对磁控管性能参数的影响，通过优化 设计使其能达到未改前的性能水平。针对国际上提出的周期性变化的磁场可以改 善e m c 性能的观点，作了仿真建模分析，定性的分析了其中磁场的变化规律。 关键词：磁控管，m a f i a ，极靴，磁路，e m c a b s t r a c 玎 a bs t r a c t s i n c em a g n e t r o nw a si n v e n t e d ，i th a sb e i n gg r a d u a l l yi m p r o v e db yp e o p l e sa c t i v e e x p l o r a t i o n a n dr e s e a r c hw i t h d e v e l o p m e n t o f r e l a t i v e l y a d v a n c e d p r o d u c t i o n t e c h n o l o g ya n du l t i m a t ea c h i e v e m e n to fm a s sp r o d u c t i o n t h i sp u t sf o r w a r dt h ep r o c e s s f r o mm i l i t a r yt oc i v i la n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n e s p e c i a l l y , c o n t i n u o u sw a v em a g n e t r o n h a sb e e ne a r l ya n dw i d e l ya p p l i e di nh o u s e h o l dm i c r o w a v eo v e na n di n d u s t r i a l m i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t a tp r e s e n ta l m o s ts e v e r a lm i l l i o n so fm i c r o w a v eo v e nm a g n e t r o n sa r ep r o d u c e d e v e r yy e a r d e m a n da d v a n c e si n n o v a t i o no fp r o d u c t sa n dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ； c o m p e t i t i o nb o o s t sr e d u c t i o n so fc o s ta n dp r i c e t h e r e f o r e ，i ti su n d o u b t e d l yac h a l l e n g e t h a ta d v a n t a g e so fl o wc o s t ，h i 曲r e l i a b i l i t y , l o n gl i f e t i m ea n dl o wn o i s ea r eg u a r a n t e e d a tt h es a m et i m ei nt h er e s e a r c hc o u r s e t h em a g n e t i cf i e l do fm a g n e t r o n ，a l li m p o r t a n tp a r a m e t e r , b e i n gd i f f e r e n tf r o mt h a t o fl i n e a rb e a mm i c r o w a v et u b e ，d i r e c t l yh a se f f e c t so ni n t e r a c t i o na n de n e r g y c o n v e r s i o no fe l e c t r o n so ft u b e ，t h e no no u t p u tp o w e r , e f f i c i e n c ya n dn o i s e w h e n a n a l y z i n ga n dd i s c u s s i n go p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fm a g n e t r o n ， p e o p l ea l w a y sh y p o t h e s i z eo p e r a t i o n a lm a g n e t i cf i e l da su n i f o r mo n ea n dd r a wm a n y c o n c l u s i o n su n d e ru n i f o r mm a g n e t i cf i e l d n o w a d a y s ，p e o p l eb e g a nt op a ya t t e n t i o nt o t h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l do no u t p u tc h a r a c t e r i s t i co fm a g n e t r o n ，e s p e c i a l l yo n o p e r a t i o ns t a b i l i t yo f t u b ea n do u t p u ts p e c t r u mi nt h er e s e a r c ho fi m p r o v i n gs p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i co fh e a t i n gm a g u e t r o n m e a n w h i l e ，p e o p l et r yt oi m p r o v eo u t p u ts p e c t r u m o fm a g n e t r o nt h r o u g hc h a n g i n gd i s t r i b u t i o no fo p e r a t i o n a lm a g n e t i cf i e l dt or e d u c e e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ee m io fm a g n e t r o no ns o m ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t s a b o v ea l l ，i nt h i sp a p e re x p e r i m e n t a lm e a s u r ea n ds o f t w a r es i m u l a t i o n r e s e a r c ho nm a g n e t i cs y s t e mo fm a g n e t r o na r em a d e ，i nt h ep u r p o s eo fo p t i m i z i n g o p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c eo fm a g n e t r o nt h r o u g hm a g n e t i cc i r c u i td e s i g n t h ep a p e rs i m u l a t e sm a g n e t i cf i e l do fm a g n e t r o nb yu s i n gm a f i as i m u l a t i o n p r o g r a mm o d u l eo fm a g n e t o s t a t i cf i e l d ，a n dv a l i d a t e sr e l i a b i l i t yo fs i m u l a t i o np r o g r a m i i t h r o u g hp r a c t i c a lm e a s u r e ，s i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o n o nt h i s b a s i s m a g n e t i cc i r c u i t s t m c t u r e1 sc h a n g e di n c l u d i n gi n c l i n a t i o na n g l ei nt h ec o n ep a r to f p o l ea n dh e i g h to f p o l e ，a n dc h a n g i n gt r e n do fm a g n e t i cf i e l di sa n a l y z e dt of u r t h e r o p t i m i z ep a r t ss i z ea n d l r e p r o v ep e r f o r m a n c ei nt h ec o u r s eo fp r o c e s s i n gs a m p l et u b e i nc o n s i d e r a t i o no f r e d u c i n gc o s t ，m a g n e t i cf i e l di nm a g n e t i cc i r c u i ts y s t e mo fs h o r t e n e dp 0 1 ei sm a i n l y a n a l y z e d t h ec h a n g eo fm a g n e t i cf i e l da n dt h ee f f e c to np e r f o n n a n c ep a r a m e t e ro f m a g l l e t r o na r eo b s e r v e d ，a f t e rp o l ei s s h o r t e n e d m o r e o v e r , t h ep e r f b 肌a n c el e v e l e q u a l i n gt h a tw h e np o l ei sn o ts h o r t e n e dc a nb er e a c h e dt h r o u g ht h eo p t i m i z e dd e s i g n i nt h i s p a p e r , b a s e do nt h ev i e wt h a tm a g n e t i cf i e l di np e r i o d i cc h a n g e sc a n i m p r o v e e m cp e r f o r m a n c eb r o u g h tb yi n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t y , s i m u l a t i o na n d m o d e l i n ga r e m a d et oq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e c h a n g i n gl a wo ft h em a g n e t i cf i e l d k e y w o r d ：m a g n e t r o n ，m a f i a ，p o l e ，m a g n e t i cc i r c u i t ，e m c i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：壶丝妄： 日期：叼年7 , j 9 啪 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：缸导师签名：丝 日期：m 7 年罗月d 日 第一章连续波磁控管的基本理论及现状 第一章连续波磁控管的基本理论及现状 1 1 磁控管的工作原理 1 1 1 磁控管中的电子运动与能量交换 在磁控管中，先研究没有高频状态的情况，也就是“静态”的情况。为简化 模型，我们先研究平板系统中电子运动的轨迹。如图1 1 ，在互相垂直的直流电、 磁场的联合作用下，不记空间电荷的影响。 + 场 图1 1 磁控管平板系统中电子的运动轨迹 电子从o 点向a 点运动，电场对电子加速，速度增加。磁场力总是与速度垂 直，其大小与速度成正比，但它不影响电子速度大小，而只决定轨迹曲率。通过a 点后，电子就开始反向向阴极运动，电场力为推斥力，到达阴极速度为零。然后 重复上述过程。其中 1 - 厂 e o = 孚 ( 1 1 ) “o 电子受力 f = e + 已= 一e 陋+ 舌b ) ( 1 2 ) 电子运动方程 m 窘采叫m 旧 ( 1 3 ) 电子位矢 尹= f 工+ 办+ 舷 ( 1 - 4 ) 电子科技大学硕士学位论文 在上述系统中，有 b y = 巨b z ：= 巨0 ，- 。b 。, , = b b ：一凰：害 c 1 _ 5 ， 黼斛“卸m ： 幕：。 巨y=rc(1-cosc幽oco力 ( 1 - 6 ) ( 1 7 ) x = 0其中，回旋角频率c o = 二b( 1 8 ) m 回旋半径 r c ：竺笃：兰l ( 1 - 9 ) 式( 卜7 ) 在数学上是一个摆线方程，表示半径为r f 的圆以角速度0 9 。作没有 滑动的滚动时，圆周上某一点所描绘出来的轨迹。电子的z 向漂移速度v 。与形成 摆线的圆的圆心速度相等 v e 划c 国c2 詈 n - 1 0 ) 每个电子的瞬时速度 v y = 警- r c c o c s i n ( o c t = v es i n 咄 ( 1 - v ：= 瓦d z = r c c o c - r c c o c c o s c o c t = v , ( 1 - c o s o c t ) ( 1 - 1 2 ) 由( 1 9 ) 式看出，电场一定时，磁场愈大，轮摆圆的半径就愈小。b 为零时， 电子的回旋半径趋于无穷。当磁场由零逐渐增大时，回旋半径由无穷大逐渐减少， 直到某一磁场的回旋直径2 r c 刚好等于极间距离d 0 时，电子檫阳极板而过，显然 这种临界状态时，阳、阴极的外电流回路将没有电流通过( i a _ 0 ) ，我们称这种状 态为截i e 状态。这时 2 第一章连续波磁控管的基本理论及现状 因为 驴詈参 所以当 2 r c = d 。时，有： 懈磁窃耻、一2 m e oi e d o = 去虿 ( 1 1 3 ) 圪= d 0 2 廿c 2 ( 1 1 4 ) 厶h t 实际的磁控管是个圆柱系统，“静态隋况下，电子运动轨迹是轮摆线当 一个圆沿另一个圆滚动时，圆周上任一点所描绘的轨迹。在截止状态下，由于阴 极连续发射电子，围绕阴极就出现一个旋转电子云，其旋转速度正比于e b ，愈到 外层，旋转速度愈大。在实际的磁控管中，我们必须考虑空间电荷效应和高频场 的作用。如图1 2 。 3 电子科技大学硕士学位论文 5 鼬 阴设 ( c ) 阳极 滚动圆 图1 2 磁控管中电子运动不意图 ( a )互作用空间的行波电场与1 、2 、3 、4 类典型电子的位置 ( b )作用于1 、2 、3 、4 类电子上的合成电场e 7 ( c ) 4 类电子运动轨迹 ( d ) 2 类电子运动轨迹 ( e )模振荡时，8 腔磁控管中的空间电荷轮辐 图( a ) 中1 、2 、3 、4 为位于互作用空间空间内不同位置的一些典型电子。 图( b ) 示出了这些电子所在位置直流电场e 和高频场e r 、e t 的矢量和e 。作用 于1 类电子的合成电场，其方向不变，仅改变了绝对值，比没有高频场时小了些。 结果1 类电子就落后于行波，并逐渐地朝4 类电子的方向偏移。对3 类电子，合 成电场比静态时稍有增加，所以3 类电子运动得稍快，并逐渐地靠近4 类电子。 而4 类电子在合成电场e 的作用下运动。合成电场e7 与直流电场在绝对值上差 别很小，但方向却稍有偏斜，因而决定轮摆线轨迹的圆不再平行于阴极表面滚动， 4 二g 一2 岛二眦狮鲣。岛如监。 矗 o q枷 第一章连续波磁控管的基本理论及现状 而沿着与矢量e7 相垂直的面行进，即趋向于阳极。这些以4 类为中心的群聚电子 块，在打上阳极之前，一直处于最大切向减速电场的区域，每经过一个轮摆线振 荡，电子都要失去部分位能而靠近阳极，最后到达阳极。因为这些电子失去位能 并转交给高频场，故称为“有利”电子。 2 类电子，它受到切向加速电场的作用，如图( d ) 所示，滚动圆平面朝阴极 运动，电子从高频场中得到能量，很快打回阴极，使阴极发热，并产生二次电子 发射。因为这类电子从高频场中得到能量，称为“不利 电子。 在整个运动过程中，电子以4 类电子为中心群聚，2 类电子比例少，加上高频 场愈离开阳极愈弱，而电子云的厚度一般比阴、阳极间距离小。所以净的结果是 电子块给高频场的能量得到增加。如图( e ) ，某一瞬时，交变空间电荷的运动如 图。电子块并不改变自己的相对位置，而环绕着阴极旋转，好象旋转的车轮，由 阴极向阳极运动的电子块象轮辐，而向阴极返回的电子层就象轮轭【l 】- 【3 1 。 根据电子和场相互作用的一般原理，在加速电场中运动的电子，其动能增加， 电场交出能量。相反，在减速电场中运动的电子，其动能减少，电场得到能量。 因此，如果要使磁控管中从直流电源获得能量的运动电子有效地把它的动能交给 高频场，就要使得互作用空间内多数电子在打上阳极前有较长时间处于高频减速 电场中。因此要求运动电子流群聚，并使群聚的电子块处在高频减速电场中和高 频场同步运动。 1 1 2 十腔磁控管的等效电路及谐振模式 电容 电 图1 3 磁控管阳极腔的横截面图 5 个矩形叶片 阴极 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 4 十腔磁控管的等效电路图 磁控管中的振荡现象也可以用等效电路来分析。一个由十个相同谐振腔组成 的磁控管谐振系统的等效电路如图1 4 所示，每个单腔之间存在着复杂的电耦合和 磁耦合，电耦合主要由每个阳极片与阴极之间的电容引起，这个电容在等效电路 中用c 表示，每个单腔的磁场通过顶部空间穿入相邻或不相邻的谐振腔，这样就 引起了腔与腔之间的磁耦合，在等效电路中用谐振回路之间的互感m 来表示。 当磁控管正常工作时，各个小腔一般都被激励在它的最低谐振模式上，于是， 在各单腔最低模式的谐振频率附近，就可以用一个并联的谐振回路来等效。因此， 各小腔的谐振角频率为c o o = 1 l , z - 石。由于十个腔体沿圆周对称分布，相邻腔体的 相位差应相同，设为矽。如有n 个谐振腔，则每个谐振腔隙缝口的高频振荡电压 可以写成下列形式【4 】 k = 圪s i n ( c o o t ) ( 1 1 5 ) 圪= 圪s i n ( c o o t 一) ( 1 - 1 6 ) 圪= 圪s i n ( c o o t - 2 # ) ( 1 1 7 ) 6 第一章连续波磁控管的基本理论及现状 = 圪s i n c o o t - ( n - 1 ) 5 b ( 1 1 8 ) + i = 圪s i n ( c o o t - n b ) ( 1 1 9 ) 因为磁控管是一个闭合系统，故产生谐振时“= 。于是可得谐振时必要的 相位条件为 删= 2 r c n ( n 彳o ，l ，2 ，) ( 1 - 2 0 ) 因此有 西：2 7 # n( 1 2 1 )口= ll n 现以一个十腔( n = 1 0 ) 磁控管为例，列出不同谐振模式上相位差的关系，见 表1 1 表l 一1 十腔磁控管不同模式对应的相位值 模式 编号 01 2345 6 7 891 0 相位 差值 0 冗| s 2 r c 5 37 r 5 4 r c 5 石 6 r c 5 7 , r 58 , r 59 冗| s 2 x 矽 由此可见，在十个腔之中，n = l 和n = 1 0 两个模式的相位分别为矽= o 和矽= 2 z c 。 在这两种情况下，所有谐振腔内的高频振荡都相同。因此，激励起来的电磁谐振 状态相同，这实际上就是一个谐振模式。同样，可以理解n = l 和n = l l 也是相应于 同一个谐振状态和谐振模式，依次类推，即在十腔磁控管中，谐振模式从n = 0 到 n = 9 ，共有十个模式。在一般情况下，由个腔组成的磁控管阳极块就应有个谐 振模式，从n = 0 到n = n - 1 。 n = 0 的谐振模式称为零模，其场结构的特征是相互作用空间各个谐振腔隙缝口 的高频电场都相同。而1 1 = n 2 的谐振模式中，相邻谐振腔中的振荡的相位差为 = 石，即当某个隙缝i s l 的切向电场为最大值时，与其相邻的两个隙缝口的切向电 场也同时达到最大，但其方向正好与前者相反，这种模式称为万模，这是磁控管正 常工作时的模式。 除了n = 0 和n _ 2 两个模式之外，其他所有的模式都是简并模式，即r l = 2 1 和n = n 2 + 1 是一对简并模式，n - 2 2 和1 1 - - - - n 2 + 2 ；1 1 - - - - n 2 3 和1 1 = n 2 + 3 等都是如此。它们分别具有相同的谐振频率和场结构。 在图1 5 中画出了十腔磁控管相互作用空间内n = l ，2 ，3 ，4 ，5 的高频电场的 7 电子科技大学硕士学位论文 瞬时分布。从这里可以看到，n 表征了沿整个阳极圆周高频场变化的周期数。 ( a ) n = l ( b ) n = 2 ( e ) n = 5 图1 5 模式n = l ，2 ，3 ，4 ，5 时，高频电场的瞬时分布 8 第一章连续波磁控管的基本理论及现状 如果0 3 是模式n 的角频率，则在该模式下的行波沿阳极块绕行一周所需要的 时间为n t ，t = 2 n c o ，因此其回旋频率为 q ：丝：竺( 1 2 2 ) n tn 即该模式下的行波沿阳极的回旋速率比该模式本身的角频率慢了n 倍，于是 使得电子的运动速度与高频场的传播速度同步，从而使电子在与场互作用过程中， 能够将其能量交给高频场。 1 2 磁控管的发展、现状及应用 1 2 1 磁控管的发展历史 磁控管是一种重入式谐振型正交场振荡器，是微波技术中的一种高功率源。 它的主要特点是高效率和低工作电压( 相对于线形注微波管来说) ，其次是由于结 构简单而带来的体积小、重量轻、使用方便、工作可靠和成本低等特点。因此 磁控管是微波电子管中应用十分广泛的一种大功率器件。在速调管、行波管和其 他微波源出现之前，它是发明最早的微波源。目前，它仍然是效率最高的微波电子 管。 磁控管的发明，与电话、留声机的发明一样，是一重大技术进步，其主要标志 就是在第二次世界大战期间雷达上的成功应用。同时，磁控管的研究和发展导致了 多种正交场微波电子器件的出现，如电压调谐磁控管、泊管、同轴磁控管、m 型前 向波和后向波磁控管放大器等磁控型微波电子器件，构成了微波电子器件的一大领 域。 磁控管的雏型早在2 0 年代初期就已产生，但是直到3 0 年代末和4 0 年代初才得 到发展。尤其是在第二次世界大战期间，由于雷达技术的需求，磁控管的实验和理论 研究工作得到蓬勃开展。为提高频率稳定度，在普通磁控管的基础上设计出同轴磁 控管，在更短的波长又发展了反同轴磁控管。电压调谐磁控管( v t m ) ，可实现在很 宽的电子调谐范围，且功率输出的平稳度和效率都超过了0 型返波管。 6 0 年代，微波半导体器件出现并快速发展，人们进行大量的研究和努力，试图制 造出大功率的微波半导体器件来取代传统的微波电真空器件，但频率和功率性能一 直未能达到预期的目标。实践证明，从输出功率、效率和可靠性的观点考虑，当前的 微波半导体器件是难以胜任的。在今后相当长的一段时期内，磁控管仍将在大功率 和高频率应用中继续充当主要角色。 9 电子科技大学硕士学位论文 7 0 年代，磁控管向着更高功率的方向发展。“相对论腔磁控管( r e l a t i v i s t i cc a v i t y m a g n e t r o n ) ”问世，并获得了9 0 0 m w 的脉冲输出功率。美国和俄罗斯在此领域处于 国际领先水平。 目前，磁控管的应用范围已从雷达、导弹、导航、电子干扰系统等军用领域扩 展至通信、制导、计量学、防撞雷达、高能粒子加速器、气象雷达、工业加热、 医疗、食品工业乃至家庭炉灶等民用领域【5 】。磁控管在民用领域的最为人们所熟知 的应用是在家用微波炉上。世界上微波炉磁控管每年的产量在一亿只左右，以日本 为例，微波炉磁控管年产值就达1 3 亿日元( 约$ 1 1 1 0 8 ) 。激烈的竞争使得微波炉磁 控管技术得到不断发展，寿命大大提高而成本大大降低。用于工业加热的连续波磁 控管单管的输出功率不断提高，最大输出功率已达到1 0 0 k w 。 1 2 2 磁控管的研究现状 近十年来，大功率磁控管以及其他微波管技术的发展，在现代军事电子装备中 日益显示出不可取代的作用。早在1 9 9 0 年，美国国防部电子器件领导小组的研究报 告中提出要从“国家安全的忧虑 考虑发展真空电子器件，因为半导体材料已接近 它的极限，而微波真空电子器件在频率和功率方面的增长潜力是显而易见的。当时， 美国国防部主持召开的微波管会议的主题就是：面向2 1 世纪的器件微波真空 电子器件是重要的军事电子器件。1 9 9 1 年，美国国防部就投资$ 3 6 1 0 8 用于发展 微波管的5 年计划，而后，还投资$ 1 0 1 0 8 给美国海军实验室发展新型微波电真空 器件。海湾战争后，美国加速这一计划的实施。斯坦福研究所( s r i ) 、m i t 林肯实验 室、雷锡恩公司、乔治亚理工学院( g i t ) 等7 家公司和研究机构开始重点研究。这 些都说明了微波器件在当今军事部门应用得到高度重视。 目前，有关磁控管的理论研究及应用研究引起了许多学者的广泛兴趣。1 9 9 5 年 8 月，在美国主办了首届国际交叉场器件的专业研讨会。会议论文内容涉及磁控管 与超低噪声交叉场放大器，还报道了磁控管用于注入锁相磁控管阵列，无线电定位， 固态油的溶化，微波c v d 钻石沉积、化学合成、废料销毁以及磁控管在食品工业、 橡胶和铸造业的应用研究。磁控管还被应用于放射医疗设备的线性加速器( 作为r f 功率源。美国利用磁控管制作成放大器阵列，进行试验用空间太阳能卫星( s p s ) 向 地面传输电能研究，并建立了专门的科研机构从事这项研究。 磁控管在工业、科学和医学( i m s ) 研究中的应用日益广泛，应用领域不断扩大。 研究的重点为应用计算机模拟技术和数值计算方法，进一步实现高效率，低成本和 1 0 第一章连续波磁控管的基本理论及现状 长寿命的最佳设计。通过计算机模拟，不断改进理论预测，使得磁控管的理论更加完 善，从而更好地深入了解磁控管的工作原理而进行最佳化可靠设计。磁控管历经多 年的不断研究和改进，在提高功率、效率、频率稳定性和工作寿命等方面都取得了 重大发展。随着火箭、导弹、人造卫星和航天飞行器的快速发展，一些不仅体积小， 还能适应高温、高速、强震动环境的小型特殊磁控管被研制成功。 我国磁控管的试制工作开始于1 9 5 6 年，发展到至今已成为我国微波电子管生 产中，品种最多，数量较大，应用较为普遍的管型之一。目前，我国在磁控管r i e k e 图( 负载特性曲线图) 的测试方面，已开发出应用计算机进行自动钡i 土试的系统，使测试 的精度和速度得到很大提高。在利用m a f i a 程序对长阳极磁控管的计算机模拟 研究，采用新材料来改进大功率磁控管的耦合窗设计方面也取得了一定的进展。计 算机模拟为磁控管设计提供了更为准确、快捷、高效、可靠的方法。 1 2 3 磁控管的发展与展望 在分析磁控管电子注与微波电磁场相互作用时，根据电磁场的运动规律遵循 m a x w e l l 方程，并满足相应系统中的边界条件进行求解。而电子在电磁场中的运 动遵循罗仑兹方程及其相应的初始条件。这样，电子注与波的互作用问题就是联立 求解一定边界条件和起始条件下的m a x w e l l 方程和罗仑兹方程。这就是分析电 子注与场的互作用问题的理论基础和处理方法。 实际上，多数的微波管的谐振腔都是具有复杂的边界形状，给数学上的严格求 解和解析上的表示造成很大困难。即使是比较简单的几何形状，由场论求解所得到 的参量仍存在着计算误差，这就迫使人们在发展理论的同时，寻求更为准确的解决 问题的途径，利用计算机手段来实现。国外在5 0 年代开始关注电子注器件的粒子计 算机模拟。到6 0 年代，随着计算机的发展，计算软件得到快速发展，人们利用数值 计算和计算机模拟技术研究磁控管的理论问题，并在磁控管的计算机模拟方面获得 成功。在所进行的研究中，能够模拟交叉场中电磁场与电子相互作用依赖于时间有 关参量的分析，与实验结果吻合十分完美，适用于磁控管型器件的自洽场计算。到7 0 年代末和8 0 年代初，计算机模拟软件发展成为多维空间的、考虑电场磁场同时存在 的、具有带电粒子的注入和收集及用实际边界条件代入的分析方式。计算程序可 以处理真实边界条件( 相对于理想边界条件) 下，并且在模拟过程中还考虑了相对论 效应的有关电磁问题，使模拟的结果更趋于合理。 随着计算机技术的飞速发展，许多互作用过程中的非线性问题( 大信号问题) 可 电子科技大学硕士学位论文 利用数值解方法获得满意的结果。l i t t o n 公司和r a y t h o e n 公司都报道过在研制磁 控管中采用三维计算程序模拟和设计复杂结构的应用。目前应用比较成功的典型 程序有m a g i c 、m a f i a 。另外，磁控管设计和生产中的自动测试技术得到快速发 展。目前，有多种计算机模拟软件出现并达实用化，利用计算机进行磁控管理论预测 和最佳化设计，开始对磁控管的非线性问题进行系统地研究，极大地推动了磁控管 的设计和研制工作。磁控管中的许多难题正在逐步地得到解决。因而，计算机模拟 技术被研究人员广泛用来验证线性和非线性理论。同时，计算机模拟技术为磁控管 的最佳设计提供了有效的设计手段。 1 2 第一：章磁路系统建模及极靴优化分析 第二章磁路系统建模及极靴优化分析 2 1 磁路建模及实际磁场的测量 2 1 1m a f i a 静态磁场仿真模块 m a f i a 软件是由德国c s t 公司开发的用f o r t r a n 7 7 语言编写的功能强大的全三 维电磁软件 6 1 ，以有限积分法作为其理论基础生成一系列电、磁场矢量的有限差分 方程而进行计算的，可以用于电子器件的计算机辅助设计。m a f i a 具有良好的图形 用户界面，包括十多个功能模块，包括m ( 网格发生器) 、s ( 静态求解器) 、t 2 和t 3 ( 二 维、三维时域求解器) 、t s 2 和t s 3 ( 二维、三维粒子模拟) 、e ( 本征求解器) 、w 3 ( 频 域求解器) 、h 3 ( 三维热力求解器) 、t l 3 ( 三维低频时域求解器) 、p ( 后处理模块) 、 0 0 ( 优化模块) 。另外还有s 参量计算向导和天线计算向导，如图2 一l 所示。在高 频腔本征值求解时只使用了其中的m 模块、e 模块和p 模块。 辩戮熬。| 。雾 巍鍪，参滋麟黪妻一、w 5 蜀章i i 1 。= 鲈 紫一搿辫。封琴 萋j 囊! i 寥蠹糍黪1 薯。：，i 。勰飘，? ? 鬃0 赣毯 一f 托t 每 1 二。 ，彳二涝￥p 。” j ，汐t z 。h | 7 l | ? 錾? 蘩麓嘲n 矿 1 爹：7 j 曩黝 电子科技大学硕士学位论文 模，可以通过程序的交互式窗口输入模型尺寸或者采用直接编写命令程序文件实 现，然后设定计算网格，包括总网格数和计算中采用的坐标系，计算机会自动控 制网格疏密，用户也可以自己调节网格疏密，然后设定求解模型的各部分材料参 数和边界条件，最后根据模型的坐标系统和问题类型选择合适的计算方式进行求 解。在仿真过程中，需要根据m a f i a 初始化时输入的内存预设值来设定网格数， 网格数过多程序会提示内存不足，要求重新初始化，所以预先要考虑到求解问题 所需设定的网格数，然后合理预设内存使用量；当模型局部结构过于复杂时，会 造成此处的网格过密，程序会自动将相邻网格合并，然后弹出对话框提示用户， 此时不会影响计算；每次更改计算网格后都要重新生成网格模型，否则更改的设 置将无法实现，程序将仍按照原来的设置计算；关于材料参数的设定和边界条件 的设定可根据实际情况灵活变通，关键要结合实际测量，使仿真和实际相符合， 这样仿真才有意义，才能更好地指导实验；计算中不要运行其它占有c p u 较多的 程序，这样会使m a f i a 程序等待时间过长，最后造成计算中断。 在磁控管磁路系统仿真中，我们主要设定了永磁体和软磁体的参数，根据实 际需要只设定永磁铁的z 向剩磁为0 4 t ，其它方向设为0 ，对于软磁体参数，查阅 了相关手册中的b h 曲线，以非线性材料参数的方式输入计算机，仿真中根据实际 情况可适当调整【。7 】【8 】【9 】。 2 1 2 磁路系统模型建立 磁控管磁路系统包括永噢久磁铁、极靴( 软磁体) 和支架构成回路，实际中 支架只起到封装作用，对互作用空间的磁场没有影响，仿真结果也证明没有影响， 因此为了节省计算机内存资源不建入模型。由于内部叶片等部件为不导磁的无氧 铜材料，对静态磁场几乎没有影响，因此建模中没有加入叶片、灯丝等部件。其 它细节部分包括极靴的厚度、导角等尺寸均按照实际图纸建模，实际模型及仿真 模型如图2 2 至2 4 所示。 1 4 第二章磁路系统建模及极靴优化分析 支架 极靴 永磁体 图2 - 2 实际磁控管磁路模型 x c m 图2 - 3磁控管内磁系统模型图 图2 4 二维纵向磁场分布图 极靴是软磁体，相当于国产的0 8 a 1 材料，我们参考了中a 3 号钢的b - h 曲线 特性 7 】 8 1 ，并将其作为材料输入计算机，曲线如图2 - 5 所示。磁钢的参数在模拟计 1 5 黪露睡，甄秽， 溪罐鞲一 簟谶 坚王型丝查堂堡! ：兰兰兰笙奎一一 一一 算过程r ，逐步调整，最后设战剩磁为0 3 8 t ，使得在磁系统r f j 心4 , 2 7 i n 9 幺, 柚磁场为 o 18t ，以符合实 坏测试的要求。然后将模拟结果与实i 幼j 测试结果进行对比。 i t g s 图2 - 5 极靴1 3 _ h 曲线 2 1 3 仿真数据和实测数据的对比 为了对模拟计算结果进行评价，我们设计了测量磁控管内部磁场分布的实验 装置，并进行了大量的测量，实验装置如图2 6 所示。实验中采用霍尔传感器采集 数据，用数字显示游标卡辽进行定位和测距，刘磁控管内磁场的纵向和径向分量 进行了测量。 图2 - 6 磁控管内磁场分布测量装置 图2 7 给出了实验结果与模拟计算结果的对比，图分别为中轴线处和中心横截 1 6 第二章磁路系统建模及极靴优化分析 面处测量数据和仿真数据的比较，选取这两个正交的方向可以比较全面看出磁场 的吻合情况。 i 二翁矧 严。 # ， 7 0 蹩 ：j p 一| l l 二裳矧 7 一 1 弋、 。p l | | ： 、 书i ， 、。 图2 7 仿真数据和实测数据比较 从图中我们可以看出实测数据和仿真数据吻合得很好，特别是变化趋势上基 本一致，在此基础上我们就可以做进一步的仿真分析。 2 2 极靴尺寸变化的仿真分析 极靴材料对于模拟结果的影响并不大，而极靴的结构尺寸变化对于磁场分布 的影响是很大的。于是我们对比了极靴在不同锥形部分倾角和不同高度下的模拟 结果，在改变某一参数时不改变其它的部分，比如极靴的厚度、孔径、外径大小 都不变。 2 2 i 锥形部分不同角度对比分析 分别比较极靴斜面与水平倾角为7 8 度和极靴斜面与水平倾角为4 0 度的两种 极端的情况，并命名为陡模型和平模型。图2 8 分别为陡模型和平模型的计算模型 图。 由于平模型中极靴底部孔的大小不变，导致了底边的尺寸变的很小，所以图 2 - 8 ( b ) 1 拘底部模型几乎快没有了。而在陡模型中，由于网格设置的原因，导致极 靴的斜边呈现阶梯状的结构，可能影响模拟计算的精确程度。两种计算模型的网 格数都取为2 百万个。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 ql 归飞l 旷 l 毡 艮| 归飞；纩 i x c m x c m ( a ) ( b ) 图2 - 8 不同极靴倾角的模型图( a ) 陡模型( b ) 平模型 模拟计算中，分别比较两种模型在不同径向位置处纵向磁场与z 轴的变化关 系，包括在r = o 处中心轴线处的情况，r = o 0 0 2 3 m 处阴极表面处的情况，r = o 0 0 3 4 5 m 处互作用区中心处的情况，以及r = o 0 0 4 0 2 5 m 处阳极表面处的磁场情况，从而可以 得出一个比较优化的极靴倾角结构。 图2 - 9中心轴线处纵向磁场与z 轴的变化关系 oo 目奠，z o 吕o n 第二章磁路系统建模及极靴优化分析 图2 1 0 阴极表面处纵向磁场与z 轴的变化关系 图2 1 l 互作用区中心处纵向磁场与z 轴的变化 1 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 2 阳极表面处纵向磁场与z 轴的变化关系 通过平模型和陡模型在径向不同位置处的磁场曲线比较，可以发现，在阴极 表面处的磁场对比中，发现平模型在中截面的磁场更为平坦，而陡模型相对来说 变化要大一些，如图2 1 0 所示。而在互作用空间的中点处的磁场对比中，发现陡 模型在中截面反而要比平模型要平坦一些，结果和前面相反了，如图2 1 1 所示。 而在阳极表面处两者的结果都并不好，表现为不均匀，呈现两边大中间小的结果。 所以，如果极靴和水平倾角取得太大或者太小都不是很好，要么在阴极表面磁场 比较平坦，要么在互作用空间处磁场比较平坦。 实际工程中是对极靴与水平方向的倾角取得一个中间值，才能获得比较优化 的结果。也就能够达到阴极处和互作用空间都比较平坦的效果。所以实际应用中 极靴与水平方向的倾角取得的6 5 度的夹角应该是一个比较优化的结果。 2 2 2 极靴高度变化对比分析 在原有模型模拟的基础上，我们对缩小互作用区高度，即相应地缩小极靴高 度的模型进行了模拟，首先将极靴上下各减小1 6 毫米，即总高度缩小了3 2 毫米， 对极靴在不同倾斜角度下的模拟结果进行了对比。下图2 1 3 分别缩小高度后极靴 倾角为6 5 度和5 2 度的对比模型图。 2 0 x c m r a 、 第二章磁路系统建模及极靴优化分析 ql 归 x e r a c o ) 图2 一1 3 极靴缩小1 6 m m 后不同极靴倾角的模型图( a ) 6 5 度模型( b ) 5 2 度模型 比较两种模型在不同径向位置处纵向磁场与z 轴的变化关系，包括在r = o 处 中心轴线处的情况，r = o 0 0 2 3 m 处阴极表面处的情况，r = o 0 0 3 4 5 m 处互作用区中心 处的情况，以及r = o 0 0 4 0 2 5 m 处阳极表面处的磁场情况，分别见图2 1 4 、图2 1 5 、 图2 1 6 和图2 1 7 。 图2 1 4 中心轴线处纵向磁场与z 轴的变化关系 2 l 归 电子科技大学硕士