（物理电子学专业论文）连续波磁控管电磁兼容特性的研究.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 连续波磁控管( 以下都简称为磁控管) 产生的干扰，从3 0 m h z 到1 8 g h z ， 覆盖频段较广，因此所有以磁控管为元器件的产品，出口利常面临着e m c 检验， 这是国际贸易的技术壁垒，- - n 防止电子设备抢用电子频谱，缓解日益严峻的 电磁环境，二则也是为了提倡绿色家电的生产，提高人们的生活质量。 对磁控管e m c 性能的研究，目前主要集中在日韩等国家的磁控管生产产家。 由广东美的集团威特公司和电子科大联合发起的磁控管e m c 研究，在国内属首 例。多数的磁控管产家采用实验的方法来改善磁控管的e m c 性能，不仅耗费大 量的人力物力，而且难以把握改进的关键。因此美的集团通过与高校合作的方 式，从磁控管e m i 成因出发，以理论和仿真为主要手段，实验为辅助，打破了 磁控管制造业传统的研究模式，从而实现了一种低成本短周期的技术开发。 本论文的主要工作和创新在于： 一、把信号分析中的调制理论应用到磁控管e m i 成因的分析上来，为磁控 管e m c 性能的改进提供了理论依据。磁控管谐振腔中的两个特殊振荡模式，玎 模和兰一1 模，分别为载波和调制波，它们发生调制的结果，产生了磁控管中 2 3 0 m h z 10 0 0 m h z 的电磁干扰。 二、由于在理论上求解一i v 一1 模的振荡频率比较困难，在现有实验设备的基 2 础上，进行测量也是不可能的，所以本文应用了h f s s 仿真软件对磁控管谐振腔 进行模拟，将模拟计算的研究成果和解析理论的研究方法进行了有机的结合， 并把综合得出的调制理论跟大量实验数据进行比较，证明了调制理论解析磁控 管成因的可行性。 三、应用h f s s 仿真软件对磁控管几种阴阳极同轴度不良的情况进行模拟， 通过t p , 较磁控管振荡模式的频率分隔度，即万模和；一1 模的相近程度，发现阴 z 阳极同轴度不良对磁控管e m c 性能的负面影响，并通过实验进行了证实。这一 a b s t r a c t 研究方法不仅证明了仿真手段对磁控管制造工艺改进的指导性作用，而且为磁 控管制造业提供了一种成本低廉的开发方法。 四、对于磁控管的大批量生产，e m c 性能的决定性因素在于生产过程中对 磁控管结构的一系列工艺控制。本文在实验的基础上，指出了磁控管段差、交 连环形变、材料国产化等工艺误差对磁控管e m c 性能的不良影响，针对磁控管 的e m c 性能，为磁控管的大批量生产提供了工艺控制的方向。 五、本文还对磁控管阴极腿引出线上装配的l c 滤波器进行了大量的改进 实验，通过实验发现，磁控管的3 0 m h z 1 0 0 0 m h z 频段的e m c 性能，主要由 它的内部结构决定。因此提出，要从根本上解决磁控管的e m c 问题，就要从内 部结构着手，进行内部结构的工艺控制。 关键词：连续波磁控管；e m c ；调制；h f s s ；阴阳极同轴度；段差；交连环 l c 滤波器 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t t h ei n t e r f e r e n c eo f t h ec wm a g n e t r o nc o v e r sav e r yw i d eb a n d ，w h i c hf r o m3 0 m h zt o18g h z a sar e s u l t ，a n yh o u s e h o l da p p l i a n c eu s i n gm a g n e t r o na sp o w e r r e s o u r c em u s tr e a c ht h ee m cl i m i t s t h u st h ed i f f e r e n te q u i p m e n t sa r ep r e v e n t e dt oc o m p e t e t h es a l l l ef r e q u e u c ys p e c t r m na n dw ec a np u r s u eas oc a l l g r e e n ”h o u s e h o l da p p l i a n c e t h er e s e a r c hi nt h ee m co fm a g n e t r o n si sm a i n l yc a r r i e do nb yt h em a n u f a c t o r i e so fj a p a n a n dk o r e a n o wo u rc o u n t r yi ss t a r t e dt h er e s e a r c h ，i nw h i c ht h eu n i o no fw i t o la n du e s t ci s t h ef o r t h g o e nm o s tm a n u f a c t o r i e sd e v e l o p e dt h ee m co fm a g n e t r o n sd e p e n d i n go nt h er e s u l to f e x p e r i m e n t s i ti sv e r yd i f f i c u l tf o rt h e mt og e tt h ep i v o t a lt h o u g h tt h e yh a v es p e n tl o t so f m a n p o w e ra n dm o n e y t h e r e f o r ew ed e v e l o pa ne f f i c i e mm e t h o dw h i c hb a s e so nt h et h e o r ya n d s i n m l a t i o nm a de x p e r i n a e n ta sa s s i s l a l a tf u r t h e r m o r ew ei n v e s t i g a t et h ec a u s eo fe m l ，t h u st h e m a n u f a c t o r i e so f m a g n e t r o n sc a l lg a i nar e s e a r c ho f l o wc o s ta n ds h o r tp e r i o d t h i sa r t i c l ec e n t e r so n ； 1 t h ea r t i c l ei n v e s t i g a t e st h ec a u s eo fe m iu s i n gt h em o d u l a t i o nt h e o r y t h e r ea r et w o c h ”a c t e r i s t i cm o d e si nt h er e s o n a n c ec a v i t nw 1 1 i c ha r e c a l l e d 刀m 。d e ”。了n 一1 - n o d e t h e t w od i f f e r e n tf r e q u e n c i e sm o d u l a t ee a c ho t h e gs ot h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e n3 0 m h z 1 0 0 0 m h zi s p r o d u c e d z t u n u c a k u ，a 呱n j sv e 叫删删tt os a 抽m 。舶a u e n c rm n e 鲁一， m o d e a l s oi ti si m p o s s i b l et od os o m ee x p e r i m e n t sw i t ht h ee x i s t i n ge q u i p m e n t s t h u st h ea r t i c l e s i m u l a t e st h ee i g e n m o d eo f t h er e s o n a n c ec a v i t yw i t hh f s s 3 t h e r ea r et h r e ec a s e sw h i c ht h ec a t h o d ea n da n o d ei sn o tc o a x i a lt h ea r t i c l ec o m p a r e st h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t h 山a to ft h ec o a x i a 】o n e s w ef i n do u tt h a ti ft h ec a t h o d ea n da n o d ei sn o t c o a x ia 】，t h e r ew i l lb es o m ed a m a g et ot h ee m c o f m a g n e t r o n s a b s 仃a c t 4 t h ev o h i m e p r o d u c er e q u i r e saw h o l l yc o n t r o lo ft h et e c h n o l o g yp r o c e d m - et h ea r t i c l e p r o v i d e sm a n yf a c t o r sw h i c hw i l lb r i n gab r e a k d o w no ft h ee m co fm a g n e t r o n s ，s u c ha st h e t o l e r a n c e ，g r o s sd i s t o r t i o na n da l s ot h eh o m e m a d em a t e r i a l 5 t h ea r t i c l em a k e sa ne x p e r i m e n to nt h el cf i l t e rf i x e do nt h ep o w e rl i n et h e nac o n c l u s i o n i sd r a w nt h a tt h ei n t e r f e r e n c eo fm a g n e t r o n sl i e so nt h ei n s i d es t r u c t u r eo ft h er e s o n a n c ec a v i t y a n dh a sl i t t l er e l a t i o n s h i pw i t ht h el cf i l t e l k e y w o r d s ：c wm a g n e 扛o n ，e m c ，m o d u l a t e ，h f s s ，l cf i l t e r i v 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：日期：。7 、年月日 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：导师签名：拉 日期：。”咕年2 月2 牛e t 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 本章节从e m c 的发展历史出发，结合连续波磁控管的生产状况，着重介绍 了国内外改善微波炉用连续波磁控管e m c 性能所做的研究和迄今为止取得的成 果。 1 1e 肘c 的发展状况 电子骚扰发射( e m i ) 是人们早就发现的古老问题。1 8 8 1 年英国著名科学家 希维赛德发表了论干扰的文章，这是研究骚扰问题最主要的早期文献。1 8 8 3 年法拉第发现了电磁感应定律，指出变化的磁场在导线中将产生感应电动势。 1 8 8 4 年麦克斯韦引入位移电流的概念，指出变化的电场将激发变化的磁场，并 由此预言电磁波的存在。这种电磁场的相互激发并在空间传播，正是电磁骚扰 存在的理论基础。1 8 8 7 年柏林电气协会成立了“全部干扰问题委员会”，成员包 括著名的亥姆霍兹、西门子等人。1 8 8 8 年赫兹首创了天线，用实验证明了电磁 波的存在，同时该实验也指出了各种打火系统向空间发射电磁骚扰，从此开始 了对电磁骚扰问题的实验研究。1 8 8 9 年英国邮电部门研究了通信骚扰问题，同 期美国的电子世界杂志也刊登了电磁感应方面的论文。1 9 3 4 年英国有关部 门对1 0 0 0 例骚扰问题进行了分析，发现5 0 是电气设备引起的。 民用射频干扰( r f i ) 的研究始于无线电广播。约从2 0 世纪2 0 年代开始， 各国都相继开展了广播业务，由于接收质量受到环境噪声的骚扰，工程刊物上 开始发表有关文章。1 9 3 4 年在英国，人们详细分析了1 0 0 0 多个与无线电干扰相 关的案例所产生的故障。人们发现这些无线电干扰来自电动机、开关和汽车点 火装置的运行，并观察了来自电力牵引和电力输电线的干扰。在欧洲开始产生 了这样的认识：无线电干扰领域有国际缴的共同技术研究价值，无线电干扰问 题的国际合作是必要的，因为无线电传输不分地理和国家边界。此外，这些设 备必须符合所有相关国家的执行标准。国际电工技术委员会( i e c ) 和国际广播 联盟( t h ei n t e r n a t i o n a lu n i o no fb r o a d c a s t i n g ) 携手联合，在2 0 世纪3 0 年 代，提出了相关的技术问题。1 9 3 3 年有关国际组织在巴黎举行了一次特别会议， 研究如何处理国际性无线电骚扰问题。与会者普遍认为，为避免商品贸易和无 第一章微波炉用连续波磁控管e m c 性能的研究状况 线电业务中出现故障，需要在无线电骚扰测试方法和限值方面有一定的统一性 并制定国际标准。会议建议由国际电工技术委员会( i e c ) 和国际广播联盟( t i r ) 的国家委员会，并邀请有关国际组织，共同组织一个联合委员会。1 9 3 4 年6 月 2 8 日至3 0 日在巴黎举行了国际无线电干扰特别委员会( c i s p r ) 第一次正式会 议，从此开始了对电磁干扰及其控制技术的世界性的有组织的研究。在这一时 期重要的里程碑包括： 1 9 4 0 年，在美国公布了一个关于测量无线电噪声方法的报告 1 9 3 4 年到1 9 3 9 年，c i s p r 会议录和报告r i 卜8 的发表提供了关于测量 接收机的设计、场测量等的资料 规定了频段0 1 5 1 0 m h z 的无线电噪声和场强仪 对架空电力传输线附近的无线电广播场强和无线电噪声场强进行了实际 测量 在1 6 0 一1 6 0 5 k h z 的频率范围内，发展了测量来自电气设备的传导无线电 噪声的步骤 设计并制造受到限制的用于上述测量的测量接收机、无线电噪声场强仪 和其它测试设备 第二次世界大战期间，军方对使用电信和雷达设备有广泛兴趣，并对无线 电干扰以及正常无线电广播频率更高的频段产生了兴趣。2 0 世纪4 0 年代，军方 的这些兴趣导致了军标的研究及对直到2 0 m h z 的电磁干扰进行可靠性测量的测 试设备的开发。2 0 世纪5 0 年代，频率提高到3 0 m h z 。2 0 世纪6 0 年代，频率提 高到1 0 0 0 m h z 。一开始，军方执行的标准就非常严格。在航空和航天系统、卫 星技术中，电磁干扰的概念和消除这样的干扰之有效步骤具有最重要的意义， 并由此导致了许多实际面向技术的工作，然而，技术工作的成果仍然处于保密 状态。 第二次世界大战后，c i s p r 会议恢复。当时美国、加拿大和澳大利亚参加 了c i s p r 的审议。c i s p r 论坛成为达成无线电干扰测量方法之协议及为此目的 所使用的测量设备的技术集会。而且，二次大战后，随着无线电通信非军事应 用的日益增加，在制造各种电信产品的过程中，电磁干扰问题和执行一些设计 原理的需求变得更明显。涉及干扰机理及其效应的几种主要技术研究、测量技 术、使电磁干扰最小化的设计步骤，在包括美国和欧洲的许多国家成为研究热 电子科技大学硕士论文 点问题。在这一时期，为了估计几种电气和电子设备及系统发射的无线电噪声， 人们做了许多实际测量。在c i s p r 会议上，作为c i s p r 审议的部分技术背景、 无线电和电视、电力输出线、家用仪器、汽车和工业科学医疗设备发射的电磁 噪声获得更详细的测量、报道和广泛讨论。起初，着重达成了测量步骤和测量 方法的协议，但留下了更困难的问题。诸如美国的f c c 和英国的b s i 这样的国 家制定规章的机构，开始颁布适用于他们各自国家的干扰控制极限。 为了解决电磁干扰问题，保证设备和系统的可靠性，2 0 世纪4 0 年代初，提 出了电磁兼容性的概念。1 9 4 4 年，德国电气工程师协会制定了世界上第一个电 磁兼容性规范v d e 0 8 7 8 ，1 9 4 5 年，美国颁布了美国最早的军用规范j a n i 一2 2 5 。 进入二十世纪，电子、电气设备或系统获得了越来越广泛的应用。运行中 的电子、电气设备大多数伴随着电磁能量的转换，高密度、宽频谱的电磁信号 充满整个人类的生存空间，构成了极其复杂的电磁环境。以通信系统、控制系 统和计算机系统为主干的电子系统在这样的电磁环境中受到严峻的考验。可以 那么说，电子系统越是现代化，其造成的电磁环境就愈加复杂；反之，复杂的 电磁环境又对电子系统提出了更为严峻的要求。人们面临着一个新问题，这就 是如何提高现代电子、电气设备或系统在复杂的电磁环境中的生存能力，以保 证达到电子系统初始的设计目的。 许多国家和国际组织都先后开展了控制和抑制电磁骚扰的研究。早期的研 究还只是局限于抗电磁骚扰，只是被动地从防范或补救出发，不仅费用高，而 且效果差。直到二战之后，电磁兼容这个新概念出现，抗电磁骚扰技术才进入 了一个新的时期，即从防范或补救的时期，进入到主动进行预测分析、主动进 行设计、主动采取防范措施的新时期。 美国i e e e 学报t r a n s a c t i o nr f l 分册于1 9 6 4 年改名为e m c 分册，若以此作 为电磁兼容学科形成的标志，距今已近4 0 年了。从2 0 世纪4 0 年代提出电磁兼 容性概念，使电磁干扰问题由单纯的排除干扰逐步发展成为从理论、技术上全 面控制用电设备在其电磁环境中发挥正常工作性能的系统工程，电磁兼容的基 础不断深化，内容不断发展，范围不断扩大，系统不断完善。 e m c 试验技术是e m c 技术领域研究的重点课题。早期的e m c 测试处于电 磁干扰诊断阶段。当时的电子系统工程，一般是先进行设计、加工、总装调试， 有些问题往往在系统联试中才+ 能发现。检测手段通常使用通用电子仪器设备， 第一章微波炉用连续波磁控管e m c 性能的研究状况 如早期生产的示波器和频谱分析仪等。称这个阶段的e m c 技术处在发现问题、 解决问题的初级阶段。 科学实践使人们认识到：要使一些电子、电气设备共存于一个有限的空间， 并能正常运行，实现各自的功能，必须在早期对这些设备进行系统的e m c 设计。 近些年来，一些技术发达国家已逐步向e m c 技术发展的新阶段一一系统设计法 阶段发展。系统设计法是指电子设备或系统在进行设计以前，运用电磁场理论 分析和计算方法以及相关数据来预测系统内的电磁环境，在电性能和e m c 同步 设计中对e m c 标准进行剪裁，根据预估的电磁环境下达设各、分系统e m c 设 计指标，使设备或系统实现最佳设计。应该说，e m c 试验技术已实现了将测试 数据用于指导新的设计的飞跃。 c i s p r 审议产生了c i s p r 第1 6 号出版物。这是一本把该领域的各种测量程 序和电磁干扰推荐极限合并在一起的独立的出版物。c 1 s p r 的审议还产生了包 括无线电及电视接收机、工业科学医疗设备、汽车、荧光灯的电磁噪声及其测 量的出版物。在2 0 世纪8 0 年代，c i s p r 出版了包括信息技术设备的第2 2 号出 版物。 军方对电磁噪声的兴趣在电磁干扰和测量及控制电磁干扰技术等领域也产 生了许多成果。在认识电磁干扰、实现电磁兼容技术的过程中，几种重要进展 是在该领域美国军方所做工作的直接结果。由于军事和商业的原因，个别产品 的许多技术活动仍然处于保密状态。已经发布的重要军事文件包括涉及e m i 技 术的定义和测量单位的m i l s t d 一4 6 3 以及最新版本的m i l s t d 一4 6 1 、 m i l s t d 4 6 2 。虽然有几个国家的军方利用大量的资料形成并发布了他们自己的 标准以限制电磁干扰，然而美国军方所发布的标准继续在这一领域起着示范作 用。除了基本的军事标准m i l s t d 4 6 1 4 6 2 4 6 3 外，美国军方也发布了其它几 个标准，这些标准涉及系统电磁兼容和诸如雷达、飞行器电源、航天系统、海 军平台、移动通信等各种设备的设计和运行要求。 在2 0 世纪8 0 年代，数字技术包括数字技术在工业自动化方面的应用，在 世界范围内的发展影响了与电磁噪声相关问题的研究。数字设备和系统易于对 电磁干扰噪声敏感，因为这些数字设备和系统不能区分脉冲信号和瞬时噪声， 电磁噪声导致它们故障频发。数字电路和设备产生大量的电磁噪声基本上是在 数字设备中使用的非常短的脉冲上升时间所引起的宽带噪声。用在数字电路和 4 电子科技大学硕士论文 数字设备中的时钟频率也产生电磁噪声。数字电子设备广泛使用了固态器件和 集成电路。固态器件和集成电路易于被瞬态电磁噪声所损坏。因此，为了保护 敏感的半导体器件不受电磁环境的损坏，采用特殊设计和工程方法是必须的。 电磁兼容领域在过去的2 0 年中受到了相当的注意，在世界范围内，有关这一领 域的许多论文已经发表，关于电磁兼容技术的讨论继续支配着许多国内和国际 会议。 几个国家把特别的注意力集中于用公式表示各种电气和电子设备发射的电 磁噪声之允许极限以及这些设备和仪器出售之前它们必须经受得住的抗扰极 限。诸如美国的f c c 、德国的f t z 、英国的b s i 、日本的v c c i 和其它国家的类 似协会，颁布了控制电磁噪声发射和抗扰性技术要求的执行标准。政府内的专 门机构，诸如美国的n a s a 、n t i a 以及其它国家的类似组织，发布了控制电磁 辐射和电磁抗扰性的执行标准。诸如i c a o 、i m c o 这样一些国家组织，也把相 当的注意力集中于电磁噪声和电磁噪声允许的极限。 随着欧洲自由贸易区的出现，在2 0 世纪8 0 年代，欧洲国家特别注意发展 控制电磁噪声发射和电磁噪声抗扰性极限的共同执行标准。为了使欧洲的工厂 能都在全欧洲出售他们的产品，统一的方法和相同的标准是必须的。在欧洲经 济共同体内，欧洲电气产品标准委员会( c e n e l e c ) 在1 9 7 3 年成立，它负责 制定设备的电磁噪声和执行极限的已协调的欧洲标准，这些标准涉及无线电接 收机、电视机、信息技术设备、，工业科学医疗设备等等。 产品电磁兼容性达标认证已由一个国家范围发展到一个地区或一个贸易联 盟采取统一行动。从1 9 9 6 年1 月1 日起，欧洲共同体1 2 个国家和欧洲自由贸 易联盟的北欧6 国共同宣布实行电磁兼容许可证制度，使得电磁兼容认证与电 工电子产品安全认证处于同等重要的地位。 j 2 磁控管的发展历史和研究现状 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 第一章微波炉用连续波磁控管e m c 性能的研究状况 电子管。 磁控管的发明，与电话、留声机的发明一样，是一项重大的技术进步，其主 要标志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 的同轴磁控管，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。 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 c c a v i t ym 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。磁控管在民用领域的晟为人们 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六千万只 左右，以日本为例，微波炉磁控管年产值就达1 3 亿曰元。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 0kw 。 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 电子科技大学硕士论文 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 世纪的器件一 一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u s d 3 6 1 0 8 用于发展微波管的5 年计划，而后，还投资u s d l 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，美国加速了这一计划的实施。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，己开发出应用计算机进行自动测试的系统， 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。 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 第一章微波炉用连续波磁控管e m c 性能的研究状况 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 作用依赖于时问有关参量的分析，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到实用化，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 3 连续波磁控管e m c 性能的研究状况 j i j 连续波磁控管的市场状况 现连续波磁控管主要的产商有日本的松下、三洋、东芝，韩国的l g 、大宇、 三星，中国的威特；基本上形成了一个三足鼎立的状况。除中国的威特公司外， 8 电子科技大学硕士论文 别的磁控管产商都有很长的生产历史，在磁控管的生产工艺上，技术都已经很 成熟。我们国内磁控管生产主要集中在威特公司，威特下属于美的集团。从2 0 0 0 年美的和格兰仕在微波炉市场打价格战至今，磁控管的价格持续下跌。作为磁 控管产商，威特公司一方面通过降低成本，另一方面通过推出新产品提高价格， 来保证磁控管的盈利。目前，威特公司的磁控管主要提供给美的微波炉事业部， 还有国内部分中小型微波炉产商。美的微波炉作为威特的主要客户，一直以来 双方都保持十分稳定的贸易关系，而且交易数量占威特产量的绝大部分。随着 美的品牌的知名度的提高，美的微波炉的出口量日益增多，对外出口区域遍布 德国、荷兰等欧洲国家、还包括北美、第三世界等一些国家。作为扩大盈利的 一个策略，威特也正致力于打开国外市场，争取到了包括美国、西班牙、土尔 其等一些国家在内的客户。但是，现在世界磁控管的生产仍集中在别的磁控管 产商。 磁控管的电磁干扰，始终是微波炉行业最为关注的问题。所有以磁控管为 元器件的产品，出口都面临着e m c 检验。这是国际贸易的技术壁垒，- n 控制 电子设备抢用电子频谱，缓解日益严峻的电磁环境，二则也是为了提倡绿色家 电的生产，提高人们的生活质量。这样，着手解决磁控管的e m i 问题，就成了 我们攻克国际贸易壁垒的关键所在。 另外，国内外磁控管生产技术已经很成熟。各个产商的产品，在阴极发射、 功率输出、效率、寿命等可测性能参数方面已经相差无几。作为客户，可比较 的方面已经不多。但是，随着微波炉出口的增多，磁控管e m c 性能显得日益重 要。各个产家，力求在e m c 性能方面优于别的产商，从而在市场上拉开价格， 使自己立于不败之地。 j ，2 国内外连续波磁控管的e m c 研究 有关e m c 方面，国外的磁控管产商都作了大量的研究工作。日本方面，e m c 研究主要集中在三洋、松下、t d k ，截止到2 0 0 4 年，发表了6 个专利；韩国方 面，e m c 研究成果主要集中在几个磁控管国内产商，包括大宇、l g ，共有5 个 专利；中国威特公司，共申请3 个专利。这些专利，主要在磁控管滤波组件或 磁控管内部结构方面做了改进。下面分别介绍这些专利及研究成果。 一、磁控管输出端的齿状结构 第一章微波炉用连续波磁控管e m c 性能的研究状况 在磁控管的输出端，如图1 1 ，在绝缘陶瓷和底板之间，设计了一圈齿状金 属结构。这一齿状结构有几个作用，是依靠金属结构的弹性，使磁控管和波 导管之间紧密接触，防止微波泄漏到外部空间，提高了效率，且减少了对人身 造成的伤害：二是可以避免磁控管天线帽和波导管连接处的打火现象。同时， 在波导管的安装底板上，设计了一个向里凹的连接结构，也是为了使磁控管和 波导管紧密接触。 ! 波管融 1 1 盔 牾到 图j 极靴 齿状结构 图1 2 二、磁控管输出天线的扼流结构 如图1 2 ，磁控管输出天线的一端安装在阳极叶片的凹槽内，把谐振腔内的 高频场耦合出来。对于连续波磁控管，谐振腔内