一种1kW/915MHz连续波磁控管

摘要

本发明提供一种1kW/915MHz连续波磁控管，由腔体组合、引线组合、上极靴组合、能量输出窗、下极靴组合组成，腔体组合的外部设有冷却水回路，冷却水由进水管进入冷却水回路对所述腔体组合散热，环绕腔体组合带走热量后由出水管流出，腔体组合与上极靴组合焊连，上极靴组合与引线组合焊接，腔体组合与下极靴组合焊接，能量输出窗焊接在所述腔体组合上，输出微波能量。本发明的1kW/915MHz连续波磁控管，通过结构优化设计，即改变腔体结构、能量径向输出、磁路改为永磁方式等，综合实现体积、功率的大幅度减小，实现915MHz微波源的可移动和小型化应用。

说明书

技术领域

本发明涉及微波发生器技术领域，具体而言涉及一种1kW/915MHz连续波磁控管，属于真空电子器件。

背景技术

连续波磁控管是将电能转换为微波能量的器件，以其大功率、高效率、长寿命、工作稳定的优势而广泛应用于工业、农业等多个领域，当前的连续波磁控管正向着大功率、长寿命、高可靠性的方向发展。

现有的输出微波频率在915MHz的连续波磁控管，作为大功率微波源，它们的输出功率分别在30kW和75kW，使用时匹配相应的电磁铁和电源，整个设备体积大、重量重，不适应小功率需求者的需要，尤其不能满足科学研究和可移动式微波设备的应用需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷与不足，本发明目的在于提供一种1kW/915MHz连续波磁控管，减小整个磁控管的体积并保证一定的功率输出，可满足实验室科学研究和可移动式微波设备的应用需求。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种1kW/915MHz连续波磁控管，由腔体组合、引线组合、上极靴组合、能量输出窗、下极靴组合组成，腔体组合的外部设有冷却水回路，冷却水由进水管进入冷却水回路对所述腔体组合散热，环绕腔体组合带走热量后由出水管流出，腔体组合与上极靴组合焊连，上极靴组合与引线组合焊接，腔体组合与下极靴组合焊接，能量输出窗焊接在所述腔体组合上，输出微波能量，其中：

所述腔体组合包括腔体、小隔模带、大隔模带和水套，腔体呈圆柱形，小隔模带、大隔模带和水套均与所述腔体连接，小隔模带和大隔模带均与腔体保持同心，腔体内部沿圆柱形的圆周方向均匀地分布有8个叶片，该8个叶片呈瓣状分布并且每个叶片的瓣状分布方向的外边缘设有一缺口，形成8个电感槽；水套环绕所述腔体并在腔体与水套之间留有空隙，所述腔体与水套之间的空隙构成所述冷却水回路；

所述引线组合包括阴极组合、长引线杆、短引线杆、引线瓷、第一接线片、第二接线片和抽气管，其中阴极组合包括阴极、上屏蔽帽和下屏蔽帽，阴极焊接在上屏蔽帽和下屏蔽帽之间并且阴极位于腔体组合的正中位置，长引线杆与下屏蔽帽之间焊接，短引线杆与上屏蔽帽之间焊接，长引线、短引线杆、第一接线片、第二接线片、抽气管均与引线瓷焊接；

所述上极靴组合包括上极靴、上极靴端盖、接头和扼流筒，上极靴端盖、接头、扼流筒均与上极靴焊接，扼流筒嵌套在接头的内部并在上极靴的中央位置与其焊接；

所述下极靴组合包括下极靴和下极靴端盖，下极靴和下极靴端盖之间焊接在一起；

所述上极靴端盖和下极靴端盖均为无氧铜材料，形状相同；

所述上极靴和下极靴均为纯铁材料，与一包装式永磁结构一起构成磁场回路汇聚磁场；

所述能量输出窗包括耦合环、内导体、输出瓷、输出接头和封接接头，输出接头与封接接头焊接形成一外导体，耦合环为一环状铜线，其一端与内导体连接，另一端与输出接头连接，内导体与输出瓷焊接，输出瓷与封接接头焊接，输出瓷为陶瓷材料并密封输出接头和封接接头所形成的空隙使之成为真空，所述输出接头在靠近耦合环的一侧内部形成一锥形变换部，内导体为一圆柱体并且在靠近耦合环的一侧形成一尖锥部；耦合环在输出接头中的部分与输出接头保持同心，内导体与输出接头和封接接头保持同心，耦合环居于腔体中两叶片之间，且不接触叶片；

磁控管产生的微波能量通过所述耦合环、内导体输出至外部负载。

进一步的实施例中，所述耦合环的前端伸入腔体内15～16mm。

进一步的实施例中，所述输出瓷为一陶瓷片，其厚度范围限定在3～5mm。

进一步的实施例中，所述封接接头的材料为封接合金。

进一步的实施例中，所述内导体与外导体等效为一同轴线，该同轴线的特性阻抗与所述输出接头的锥形变换部的特性阻抗相等，其中：

同轴线的特性阻抗表达如下：

$Z_L=\frac{60}{\sqrt{{ϵ}_r}}\ln \frac{D}{d},$

式中，ε_r为同轴线内介质的相对介电常数，D为所述外导体的内径，d为所述内导体的外径；

锥形变换部的特性阻抗表达如下：

式中，ψ为所述输出接头的锥形变换部的内部锥形张角的一半，为所述内导体的尖锥部的张角的一半。

进一步的实施例中，所述内导体与外导体等效为一同轴线，该同轴线的特性阻抗与所述输出接头的锥形变换部的特性阻抗相等，其中：

耦合环的直径为1.5mm，对应段输出接头部分内径3.6mm以容许所述耦合环穿过；

所述内导体的外径为8.7mm、封接接头的内径为20mm，所述锥形变换段部的ψ取值46°，所述内导体的尖锥部的取值20°。

由以上本发明的技术方案可知，本发明所提出的1kW/915MHz连续波磁控管，通过结构上的优化设计，减小了整个磁控管的体积和重量，提高磁控管的工作稳定性。与现有技术相比，其显著优点在于：

1、采用同轴输出方式，传输效率高，省去体积较大的天线输出部分和配套使用的激励腔；

2、采用包装式永磁体结构，体积小，安装方便，工作稳定性好；

3、优化设计腔体结构，大幅度减小其尺寸；

4、大幅度减小整个磁控管工作时的电压和电流，使得电源的功率、体积、重量得到减小，工作稳定性高，从而在保证各项优势的同时减小设备的体积。

附图说明

图1为本发明一实施方式1kW/915MHz连续波磁控管的结构示意图。

图2为图1实施例1kW/915MHz连续波磁控管的内部结构剖视图。

图3a、3b为图1实施例中腔体组合的结构示意图。

图4为图1实施例中引线组合的结构示意图。

图5为图4实施例中阴极组合的结构示意图。

图6为图1实施例中上极靴组合的结构示意图。

图7为图1实施例中下极靴组合的结构示意图。

图8为图1实施例中能量输出窗的结构示意图。

图9a、9b为与图1实施例1kW/915MHz连续波磁控管适配的包装式永磁结构的结构示意及其装配图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为本发明一实施方式1kW/915MHz连续波磁控管的结构示意，结合图2所示的内部结构剖视图，一种1kW/915MHz连续波磁控管，由腔体组合1、引线组合2、上极靴组合3、能量输出窗4、下极靴组合5组成，腔体组合1的外部设有冷却水回路，冷却水由进水管6进入冷却水回路对所述腔体组合1散热，环绕腔体带走热量后由出水管7流出。

如图2所示的剖视图，腔体组合1与上极靴组合3焊连，上极靴组合3与引线组合2焊接，腔体组合1与下极靴组合5焊接，能量输出窗4焊接在所述腔体组合1上，输出微波能量。

作为可选的方式，腔体组合1与上极靴组合3氩弧焊连接，上极靴组合3与引线组合2钎焊连接，腔体组合1下极靴组合5氩弧焊连接，腔体组合1与能量输出窗4钎焊连接。

参考图3a、3b所示腔体组合的结构示意，其中，腔体组合1包括腔体1-1、小隔模带(1-2、1-3)、大隔模带(1-4、1-5)和水套1-6。腔体1-1呈圆柱形，小隔模带(1-2、1-3)、大隔模带(1-4、1-5)和水套1-6均与所述腔体1-1连接，小隔模带(1-2、1-3)、大隔模带(1-4、1-5)均与腔体1-1保持同心，它们的存在可增大模式分隔度，提高磁控管工作稳定性。

腔体1-1内部沿圆柱形的圆周方向均匀地分布有8个叶片1-1-1，叶片形状相同且均匀分布在腔体内。该8个叶片1-1-1呈瓣状分布并且每个叶片的瓣状分布方向的外边缘设有一缺口1-1-2，形成8个电感槽，添加此处的电感槽后，可增加谐振系统的电感值，使得在当前频率下进一步减小腔体尺寸。

所述腔体1-1与水套1-6之间的空隙构成所述冷却水回路，冷却水从水套1-6和腔体1-1间的空隙流过并带走管身的热量。

如图4所示的引线组合的结构示意，其中，引线组合包括阴极组合2-1、长引线杆2-2、短引线杆2-3、引线瓷2-4、第一接线片2-5、第二接线片2-6和抽气管2-7，如图5所示，阴极组合2-1包括阴极2-1-1、上屏蔽帽2-1-2、下屏蔽帽2-1-3。

结合图4和图5所示，阴极2-1-1焊接在上屏蔽帽2-1-2和下屏蔽帽2-1-3之间并且阴极2-1-1位于腔体组合1的正中位置，长引线杆2-2与下屏蔽帽2-1-3之间焊接，短引线杆2-3与上屏蔽帽2-1-2之间焊接，长引线杆2-2、短引线杆2-3、第一接线片2-5、第二接线片2-6和抽气管2-7均与引线瓷2-4焊接。

在该产品的装配过程中，需保证在工作时阴极2-1-1在腔体组合1的正中位置，偏离中心位置会影响工作稳定性；工作时，低压电源引出线分别与第一接线片2-5和第二接线片2-6连接，通以交流电流，该电流流过阴极2-1-1，发热使自身温度升高到合适温度发射电子，发射出的电子在正交场的作用下从阴极运动到阳极，在此过程中完成电能到高频能量的转换，能量输出窗4再将高频能量传输到管外供负载使用。同时，随着磁控管工作功率的提升，管内温度也会上升，此时须适当减小通过阴极的电流，否则将造成阴极温度过高，缩短其寿命。

作为可选的是实施方式，阴极2-1-1与上屏蔽帽2-1-2之间钎焊连接，阴极2-1-1与下屏蔽帽2-1-3之间钎焊连接，长引线杆2-2与下屏蔽帽2-1-3之间氩弧焊连接，短引线杆2-3与上屏蔽帽2-1-2之间氩弧焊连接，长引线杆2-2、短引线杆2-3、接线片2-5、接线片2-6、抽气管2-7均与引线瓷2-4钎焊连接。

如图6所示的上极靴组合的结构示意，其中上极靴组合3包括上极靴3-1、上极靴端盖3-2、接头3-3、扼流筒3-4，上极靴端盖3-2、接头3-3、扼流筒3-4均与上极靴3-1焊接，扼流筒3-4嵌套在接头3-3的内部并在上极靴3-1的中央位置与其焊接。

如图7所示的下极靴组合的结构示意，其中下极靴组合5包括下极靴5-1和下极靴端盖5-2，下极靴5-1和下极靴端盖5-2焊接在一起。

本实施例中，前述上极靴端盖3-2和下极靴端盖5-2均为无氧铜材料。

所述上极靴3-1和下极靴5-1均为纯铁材料，与一包装式永磁结构一起构成磁场回路汇聚磁场。

包装式永磁结构可以是一个磁钢结构，或者其他类似的永磁结构，本实施例中所述的永磁结构是相对电磁铁结构而言的。这里提到的磁钢结构作为包装式永磁结构的示例，将在下面做详细说明。

如图8所示的能量输出窗的结构示意图，结合图2所示，能量输出窗4包括耦合环4-1、内导体4-2、输出瓷4-3、输出接头4-4和封接接头4-5；输出接头4-4和封接接头4-5焊接形成一外导体，耦合环4-1为一环状铜线，其一端与内导体4-2连接，另一端与输出接头4-4连接，内导体4-1与输出瓷4-3焊接，输出瓷4-3与封接接头4-5焊接，输出瓷4-3为陶瓷材料并密封输出接头4-4和封接接头4-5所形成的空隙使之成为真空。

本实施例中，输出接头4-4在靠近耦合环的一侧内部形成一锥形变换部，内导体4-1为一圆柱体并且在靠近耦合环的一侧形成一尖锥部；耦合环4-1在输出接头中的部分与输出接头4-4保持同心，内导体4-1与输出接头4-4和封接接头4-5保持同心，耦合环居于腔体中两叶片之间，且不接触叶片。

磁控管产生的微波能量通过所述耦合环4-1、内导体4-2输出至外部负载。

耦合环4-1的形状、大小决定了耦合的轻重程度，对功率输出的大小和磁控管工作的稳定性均会造成影响，一般来说，耦合环4-1所包围的面积越大，耦合输出的能量越多，同时，耦合环4-1过大太接近阴极时，会影响高频场的均匀性，也会导致磁控管工作不稳定，因此在本实施例中，优选地，耦合环4-1的形状控制在合适范围，耦合环4-1的前端伸入腔体15～16mm，如此保证其不接触叶片且位于两个叶片中间，从而确保耦合能量和稳定输出。

本实施例中，输出瓷4-3采用的是陶瓷材料，该处使用陶瓷密封，既可满足内、外导体绝缘的要求，同时可保证一定的机械强度。陶瓷材料因其介电常数的影响，会使得部分微波能量反射回磁控管，对能量的传输效率及磁控管的工作稳定性造成不利影响，因此在本实施例中，考虑到陶瓷的厚度对传输效率影响明显，将输出瓷做成一陶瓷片，其厚度范围限定在3～5mm。

考虑输出瓷的材料选择，封接接头4-4的材料选择封接合金，其膨胀系数与陶瓷接近，使得能量输出窗在受热膨胀时不容易破碎。

作为又一改进，在本实施例中，内导体4-2与外导体(4-4、4-5)等效为一同轴线，该同轴线的特性阻抗与所述输出接头4-4的锥形变换部的特性阻抗相等，其中：

同轴线的特性阻抗表达如下：

$Z_L=\frac{60}{\sqrt{{ϵ}_r}}\ln \frac{D}{d},$

式中，ε_r为同轴线内介质的相对介电常数(本实施例中，该介质为真空)，D为所述外导体的内径，d为所述内导体的外径；

锥形变换部的特性阻抗表达如下：

式中，ψ为所述输出接头的锥形变换部的内部锥形张角的一半，为所述内导体的尖锥部的张角的一半。

作为其中的一个实施方式，所述耦合环4-1的直径为1.5mm，对应段输出接头部分的内径为3.6mm以容许所述耦合环穿过；所述内导体4-2的外径为8.7mm、封接接头4-4的内径为20mm，所述锥形变换段部的ψ取值46°，所述内导体4-2的尖锥部的取值20°。如此代入前述公式，求得三段阻抗均为50Ω，是等阻抗变换。

图9a、9b为与图1实施例1kW/915MHz连续波磁控管适配的包装式永磁结构的结构示意及其装配图，其中，图9a和9b中磁控管位置对应图1中的主视图和俯视图，磁钢部分由上磁轭8-1、下磁轭8-2及两侧的侧板8-3和侧板8-4组成，上磁轭8-1和下磁轭8-2中固封有永磁铁，安装后分别与上极靴3-1、下极靴5-1接触(结合图2、6、7所示)；两侧的磁钢侧板8-3和侧板8-4通过螺钉固定在上磁轭8-1和下磁轭8-2上。

磁控管工作时需要高真空和正交的电磁场环境，整管各部件组合之间通过焊接形成一个密闭的整体，保证管内的真空环境；磁场由磁钢组件上磁轭8-1、下磁轭8-2、侧板8-3和侧板8-4构成的外回路提供，磁场经上极靴3-1和下极靴5-1汇聚后在上极靴3-1和下极靴5-1之间形成足够强的均匀磁场；工作时阳极接地，阴极加直流负高压，形成径向电场。

通常来说，磁控管工作时需要的磁场可由永磁体或者电磁铁提供，与电磁铁结构比较，包装式永磁结构可大大缩小整管安装后的体积以及重量。

综上所述，本发明所提出的1kW/915MHz连续波磁控管，通过结构优化设计，即改变腔体结构、能量径向输出、磁路改为永磁方式等，综合实现体积、功率的大幅度减小，实现915MHz微波源的可移动和小型化应用。当然，如前面本发明的技术方案所提及，本发明的改进和优点并不限于此。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。