阳极和带有该阳极的磁控管

摘要

一种谐振频率为2450MHZ的阳极和带有该阳极的磁控管，其中该阳极包括：一个内径在32.5mm到34mm范围内的圆柱形阳极本体；总共十个沿径向固定在阳极本体内周表面上的叶片；以及设置在每个叶片上、下表面上的内、外板条，内、外板条的距离在0.8mm到1.2mm的范围内，每个内、外板条都每隔一个地与叶片接触，将叶片交替地电连接起来。阳极本体和叶片形成为一个单元以简化制造工艺。

说明书

技术领域

本发明涉及小尺寸阳极以及带有该阳极的磁控管。

背景技术

通常，作为一种真空管的磁控管由于其具有结构简单、高效和操作稳定等优点而用于微波炉、等离子发光装置、干燥机和其它高频系统。

一旦在磁控管上施加电能，就会从阴极上发射出热电子，热电子在阴极和阳极之间的强电场和强磁场的作用下产生微波。于是产生的微波从天线发射出，并用作加热物体的热源。

下面参照图1简单描述磁控管的系统。

参照图1，在磁控管内有一个阳极10和一个在该阳极10内的中心部位的以螺旋形丝极14形式的阴极15。

阳极10带有一个圆柱形阳极本体11、一组沿径向固定在阳极本体11内壁上的叶片12和在叶片12上、下表面上的板条13。

在板条13中有内板条13a和外板条13b，每个内板条13a和外板条13b都每隔一个地与叶片12接触，将叶片12交替地电连接起来。天线16固定到叶片12之一上，用于把发送到阳极10的高频能量发射到外部。

此外，在相邻叶片12之间还有一个谐振腔，在阴极15和叶片12之间具有相互作用空间。还具有上、下磁极20a和20b，通过磁铁19a和19b使磁极磁化而产生磁能。

在阳极本体11的外圆周表面上带有一组散热片17，用于把热量从阳极本体11散发到外部；在散热片17的外部具有上、下座18a和18b，用于固定并保护散热片17，同时把外界空气引导到散热片17。

下面就有关相关技术的磁控管的不同部件来更详细地描述阳极10。

参照图2A和2B，内径为Dbi的圆柱形阳极本体11有一组沿径向固定到其上的叶片12，每个叶片12的厚度为Vi，高度为Vh。叶片12的相对前端彼此间隔Da的距离。内板条13a和外板条13b设置在叶片12的上、下部，每个板条的厚度为St，两个板条13a和13b之间的距离为SiSo。

相关技术磁控管操作如下。

当电能加到阴极15上时，从丝极14发出热电子，这些热电子处于相互作用空间中。此外，通过一对磁铁19a和19b产生的磁场通过磁极20a和20b会聚到相互作用空间。

接着，热电子在磁场作用下产生摆线运动，产生高频能量的微波。该微波从固定到叶片12上的天线16发出。

当磁控管用到微波炉上时，发出的微波可以烹制或加热食品，或当磁控管用在照明时，微波激发等离子体而发出光。

同时，没能传输到阳极10外侧的高频能量通过阳极本体11周围的散热片17作为热量散发到外部。

相关技术的磁控管不是最佳设计，浪费了材料。也就是说，尽管如果在相关技术的磁控管的阳极上采用的无氧铜减少，同时保持磁控管的性能，那么磁控管的成本可大大降低，但是，还没有人研究过这些技术。

具体地说，相关技术的磁控管中最有可能减少成本的是阳极，因为阳极具有最大期望成本减少的方面在于，如果阳极的圆柱形内径Dbi减少，即使减少一点，尺寸减少就是减小内径的π(3.14)倍。

最后要说的是，在保持磁控管性能的同时减小阳极内径Dbi，这种技术的必要性是已经公知的。

发明内容

因此，本发明涉及小尺寸阳极和带有该阳极的磁控管，以基本上解决由于现有技术的局限和缺点所带来的一个或多个问题。

本发明的目的是提供一种小尺寸阳极和带有该阳极的磁控管，其中减小了阳极的内径以节约材料成本并使加工过程简化。

本发明的其他特征和优点将在下面的描述中阐明，有一部分从描述中明显看出，或者可以通过本发明的实践中得知。通过在书面描述和权利要求书以及附图中具体指出的结构，可实现和得到本发明的目的和优点。

为了实现优点这些和其他优点，根据广泛和具体描述的本发明的目的，一种谐振频率为2450MHz的阳极包括：一个内径在32.5mm到34mm范围内的圆柱形阳极本体；总共十个沿径向固定在阳极本体内周表面上的叶片；以及设置在每个叶片上、下表面上的内、外板条，内、外板条的距离在0.8mm到1.2mm的范围内，每个内、外板条都每隔一个地与叶片接触，将叶片交替地电连接起来。

阳极本体和叶片具有相同厚度，或者阳极本体和叶片形成为一个单元以简化制造工艺。

根据本发明的另一个方面，提供一种能量效率大于70％的磁控管，该磁控管包括一个谐振频率为2450MHZ的阳极，该阳极包括：一个内径在32.5mm到34mm范围内的圆柱形阳极本体；总共十个沿径向固定在阳极本体内周表面上的叶片；以及设置在每个叶片上、下表面上的内、外板条，内、外板条的距离在0.8mm到1.2mm的范围内，每个内、外板条都每隔一个地与叶片接触，将叶片交替地电连接起来；固定到一个叶片上的天线，用于把在阳极本体上产生的高频能量发送到外部，以及一个位于阳极内部中心部分处的螺旋形丝极。

阳极本体和叶片具有相同厚度，或者阳极本体和叶片形成为一个单元以简化制造工艺。

可以理解的是，上面的一般描述和下面的详细描述是示例性和解释性的，意在为对请求保护的本发明的更进一步解释。

附图说明

附图提供了对发明的进一步理解，并包括和构成了说明书一部分，附图示出了发明的实施例，与描述一起来解释发明的原理。

在附图中：

图1示意性地示出了相关技术的磁控管的剖面；

图2A示出了相关技术阳极的透视图；

图2B示出了相关技术阳极的剖面；

图3示出了根据本发明第一实验的阳极内径和谐振频率之间关系的曲线；

图4A为根据本发明第二实验的保持2450MHz谐振频率的阳极内径和板条距离之间关系的曲线；

图4B为2450MHz谐振频率状态下的磁控管的阳极内径和板条距离之间关系的曲线，其谐振频率与图4A的保持相同；

图5是对于本发明的具有不同内径的阳极来讲的板条距离与和磁控管效率之间关系的曲线；

图6为本发明的阳极本体内径和阳极热稳定性之间关系的曲线。

具体实施方式

下面详细参照本发明的优选实施例，在附图中示出了这些实施例的实例。在本发明描述的实施例中，相同部件用相同名称和标号来表示，重复的描述省略。

本发明的磁控管具有一个阳极本体11，本体的内径Dbi具有在最小值32.5mm和最大值34.0mm之间的值，在最小值，可维持磁控管的特性(谐振频率、热特性等)；而在最大值，满足了制造小尺寸磁控管的目的。另外，本发明的磁控管可以具有10个以上的叶片、高于70％的能量效率和一个谐振频率为2450MHz的阳极10。

在实验中采用的阳极10具有35.5mm的内径Dbi以及10个叶片12。叶片12之间的距离Da在8.9到9.2mm之间的范围，叶片12的高度Vh在7.5到10.0mm的范围，叶片12的厚度Vt在1.7到2.0mm的范围。内、外板条13a和13b之间的距离SiSo为1.0mm，板条的厚度St为1.3mm。

实验分三个阶段进行，分别为第一、第二和第三实验。

在第一实验中，只有阳极本体11的内径Dbi减少到32.5到34.0mm的范围，而其他参数保持不变。

结果，得到了图3中示出的曲线。也就是说，如果阳极本体11的内径Dbi减少0.5mm，谐振频率就增加50MHz。

原因如下。

在磁控管中，阳极10设计成作为谐振器。也就是说，在阳极10的叶片12侧面和阳极本体11的内壁之间形成电感，在相邻叶片12、板条13和叶片12以及内、外板条13a和13b之间形成电容，于是阳极10形成了并联的LC谐振结构。

因此，如下面的公式(1)所示，得到了LC谐振电路的频率，电容和谐振频率成反比，从而减少阳极本体11的内径Dbi，依次地减少了形成在相邻近叶片12之间的空间形成的谐振腔，同时使电容减少，从而最终减少了谐振频率。

$>>f>=>>1>>2>\pi >>LC>>>>->->->->->>(>1>)>>>s>$

(其中，f表示谐振频率，L表示电感以及C表示电容)

最终，如图3所示，在阳极本体11的内径Dbi的32.5到34.0mm的期望范围内，没有得到期望的谐振频率2450MHz。

接着，为了解决第一实验的问题，进行第二实验，其中阳极本体11的内径Dbi和板条距离SiSo均是变化的。

结果，如图4A所示，可以发现阳极的内径Dbi和板条距离SiSo之间的关系，这样可以保持2450MHz的谐振频率。

也就是说，按照阳极本体11的内径Dbi的期望尺寸可得到2450MHz的期望频率。

原因如下。

如下面的公式(2)所示，当电势加在两个绝缘的板状导体上时，随着两块板之间的距离“d”变小，电容“C”变大，这意味着如果相当于两个导体板的内、外板条13a和13b之间的板条距离SiSo变小时，两个板条13a和13b之间的电容增加。

                  C＝a₀S/d    (2)

(其中，8₀表示介电常数，S表示相对板的面积，而“d”表示板之间的距离)

于是，随着阳极本体11的内径Dbi变小而变小的电容用板条距离SiSo的减少量来补偿，其中板条距离SiSo相当于公式(2)中的“d”。

也就是说，可以知道，在阳极本体11的内径Dbi变小时，如果板条距离SiSo适当减少，那么可保持电容，从而就得到2450MHz的谐振频率。

同时，即使得到了期望的谐振频率和阳极本体11内径Dbi的减少值，如图4B所示，也可知道的是，磁控管效率，即磁控管的能量效率，从34.5mm的阳极内径Dbi处明显降下来。

结果，即使通过减少阳极10的内径Dbi和板条距离SiSo，得到材料成本和期望谐振频率，也会产生磁控管效率的明显降低问题。

如图3所示，这是由于阳极10的品质因子Qu明显降低产生的，下面与公式(3)一起对此描述。

公式(3)表示整个阳极没有负载时的品质因子Qu，整个阳极具有分别装在叶片12上、下部的板条13。

$>>>1>>Q>u>>>=>>1>>Q>r>>>>>>C>r>>>C>t>>>>+>>1>>Q>s>>>\times >>>C>s>>>C>t>>>->->->->>(>3>)>>>s>$

Ct＝Cr+Cs

Qr＝k×(V/S)，Qs＝k×SiSo

Qu＝2πf₀×(在阳极的累积能量/每秒种从谐振器散失的能量)

(其中，V表示相邻叶片12之间的谐振腔的容积，而S表示谐振部分的面积。Cr表示除了板条13以外阳极的电容，即，叶片12之间的电容，Cs表示内板条13a和外板条13b之间的电容，以及Ct表示整个阳极10的电容。Qu表示整个阳极没有负载的品质因子，Qr表示没有板条13的阳极10的没有负载的品质因子，而Qs表示内板条13a和外板条13b的没有负载的品质因子。k表示系数，而SiSo表示内板条和外板条之间的距离)。

参见公式(3)，可以知道，如果减小阳极本体11的内径Dbi，随之而来减小阳极10的容积“V”，则Qr也减小。另外就如实验1中指出的那样，如果阳极本体11的内径Dbi减小，则相邻叶片12之间的谐振腔也减小，从而也使Cr值减小。

另一方面，由于为了保持阳极10的谐振频率2450MHz而需要使Cr保持常数，就需要更大的Cs值来补偿减小的Cr值。这样，如果为了较大Cs值而像实验2那样使板条距离SiSo减小，结果Qs减小。

最后，当阳极本体11的内径Dbi和板条距离SiSo均减少时，Qr和Qs值均减小，从而使Qu值明显地减小。参照图3，减小的Qu值意味着从谐振器中有较大能量损失，因此降低了能量效率。

毕竟，考虑本发明的目的为减小阳极本体11的内径Dbi，要增强能量效率就需要增加Qu值，这就意味着增加Qs值，即板条距离SiSo。

然而增加板条距离SiSo就回到了实验1中的结果，在减小的阳极本体11的内径Dbi处不能得到需要的谐振频率。

为了解决这些问题，进行第三个实验，其中板条距离和板条厚度St随着阳极本体11的内径Dbi一起变化。

板条厚度St变化是因为电容随着板条厚度St变化。也就是说，板条厚度St越大，相对的板条13的面积就越大，随之而来的是，电容就越大，如公式(2)表达那样，这就意味着由于减小阳极本体11的内径Dbi而使电容减小就得到了补偿，它不是因改变板条距离SiSo得到补偿，而是用板条厚度St得到补偿，从而得到期望的谐振频率。

这样，通过适当地调整板条厚度St，就可像公式(3)那样使板条距离SiSo随着Qs值增加，这样就在最后增加了Qu值，提高了能量效率。

当然，从某种观点上看，即使板条厚度St的增加与本发明制造较小阳极10和减少材料成本的目的是不一致的，但是，减小阳极本体内径Dbi也可足以达到本发明的目的。

考虑到上面问题，在第三实验中，减小阳极本体11的内径Dbi，同时，在使阳极10的谐振频率保持在2450MHZ时，板条距离SiSo和板条厚度St适当变化，在这种条件下来比较磁控管的效率。

结果，参照图5，可以知道，不管阳极本体11的内径Dbi如何变化，磁控管的效率从0.8mm以及更小的板条距离SiSo处明显地降低下来，但在比0.8mm大的数值处平稳变化。

还可以知道的是，从32.5mm或更小的阳极本体内径Dbi处，磁控管效率低于70％，而大于32.5mm处高于70％，此时板条距离SiSo为0.8mm或以上。

同时在图5中省略了板条厚度St，因为根据上面公式，一旦板条距离SiSo和阳极本体11的内径Dbi固定不变的话，保持2450MHz谐振频率的板条厚度St也自然是固定的。

为了更详细描述第三实验结果，下面参照公式(4)来讨论QU和磁控管效率之间的关系。

1/Q_L＝1/Q_U+1/Q_E           (4)

Q_L＝2πf₀×(在阳极累积的能量/每秒散失的能量)

Q_U＝2πf₀×(在阳极累积的能量/每秒从阳极散失的能量)

Q_E＝2πf₀×(在阳极累积的能量/每秒从外负载散失的能量)

ηMGT＝η_e*η_c＝η_e×(1-Q_L/Q_U)

(其中，Q_U表示整个阳极的没有负载的品质因子，Q_E表示外负载的品质因子，即在阳极累积的能量与在阳极外从外负载(天线固定位置、波导、待加热物体等)散失能量的比值，Q_L为整个负载的品质因子，表示在阳极累积的能量与一秒钟内由内电阻和外电阻散失的总能量的比值。η_MGT表示磁控管效率，η_e表示电子效率，表示提供给阳极的DC能量与来自阳极的微波能量的比值，该比值对阳极尺寸不敏感，保持为近似80％的常数。η_C为电路效率，表示在磁控管的期望频率时输出电能与提供给负载上的电能的比值，它随阳极的尺寸不同而变化，当η_C保持为约90％时，磁控管效率保持为近似70％)。

参照公式(4)，随着阳极10尺寸而明显变化的是Q_L、Q_U和电路效率η_C，其中Q_L可通过适当调整Q_E而固定在近似150～250。

Q_E是通过利用这样的方法调整的，其中为了固定外负载，可在不同参数中调整装到叶片12上的天线16的位置，借此可调整Q_L值。参照图3，内径Dbi可在32.5到34mm的范围内调整，而板条在0.8到1.2mm的范围内调整，于是Q_U值要比1450大。

结果，由于根据现有技术，与阳极10的尺寸没有关系的电子效率η_e保持在80％，而与阳极10的尺寸有关的电路效率η_C保持为近似90％，所以，磁控管效率η_MGT可与现有技术一样保持大于70％。

现在已经针对磁控管的效率讨论了小尺寸的阳极10，下面，将针对磁控管的热来讨论。

如果阳极本体11的内径Dbi减小，则热交换面积也减小，随之而来的是要传递到散热片17上的热量减小，这意味着冷却不够，使磁控管的热参数恶化，导致磁控管失灵。

这样因为超过了阳极10的最大额定温度而引起的。具体地说，阳极10的最大额定温度近似为500℃，而当阳极10的温度超过该值时，就需要对阳极10进行冷却。当在小尺寸的阳极10的情况中，热交换面积减小，同时热传递减小，会造成热性能的恶化。

这是由于超过了阳极10的最大额定温度而引起的。具体来说，阳极10的最大额定温度大约为500℃。当阳极10的温度超过该温度时，就要求冷却阳极10。在使用小尺寸阳极10的情况下，减小热交换面积，同时减小了热传递，就会引起热性能的恶化。

然而参照图6，作为热性能实验的结果，证明了在阳极本体11具有32.5mm或更大的内径Dbi时，就热性能来说，发明的磁控管的阳极10是稳定的，而低于该内径值时，热稳定性就变得非常差。也就是说，阳极本体的内径Dbi不能小于32.5mm。

根据效率和热稳定性来讨论了磁控管，下面来讨论阳极10制造工艺的简化。

为了简化阳极制造工艺，最好将阳极本体11和叶片12同时作为一个单元形成。具体地说，最好将阳极本体11和叶片12设计成相同的厚度，并通过压挤形成，于是剪应力均匀地作用在阳极本体11和叶片12上，减小了缺陷的比率。

即使阳极本体11和叶片12不是形成一个单元，如果阳极本体11和叶片12的厚度相同，则因为阳极本体11和叶片12的厚度不需要象现有技术那样单独地管理，所以，也可省略不必要的加工过程。

最后，由于整个磁控管的尺寸减小，本发明的磁控管可比现有技术的磁控管减少超过约21％的产品成本，而同时保持了磁控管的性能，因此成本明显减少，增强了产品的竞争力。

由于磁控管中的阳极占有的空间减小，所以，更小的阳极可有效地利用空间。

如上面解释的那样，本发明的小尺寸阳极和具有这种阳极的磁控管具有下面优点。

首先，在磁控管性能没有改变情况下，较小阳极可有效地利用空间，并可比现有技术减少约21％昂贵阳极的材料成本。

其次，当阳极本体和叶片设计成具有相同厚度时，加工过程简化了。

对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围情况下，对本发明进行各种改型和变化显而易见的。因此，本发明将覆盖由附加权利要求书及其等同物的范围内对本发明的各种改型和变化。