一种阵列化模块磁控管及新型高功率磁控管单元

1.本发明属于真空电子器件的微波源技术领域，具体涉及一种阵列化模块磁控管及新型高功率磁控管单元。


背景技术：

2.微波能是一种以微波作为能量载体的新型能源，随着研究的不断深入，微波能在工业、农业、林业、医疗、国防以及社会生活等方面得到越来越多的应用。磁控管作为一种高效大功率微波真空电子器件，是微波能应用系统普遍使用的核心器件。由于其高效、紧凑、低电压和廉价的独特性价比，磁控管与家用微波炉产生了久经考验的绝妙搭配，如图3所示为现有家用微波炉磁控管结构，包括管芯、永磁体(上永磁体、下永磁体)、散热片、滤波组件、天线和支架，上、下永磁体对称安装于管芯两端，与支架构成闭合磁路，散热片安装于管芯四周，滤波组件位于上支架且与管芯连接，下支架最底端为输出耦合结构，内与天线相连。家用电源通过滤波组件向磁控管提供4kv的工作电压，磁控管在电源激励下，连续产生微波，电子效率高达80％以上。这是目前微波能最广泛的应用，主要得益于磁控管的高效率和大功率输出能力。基于这种微波炉用磁控管的高性能结构和优势，进一步提升磁控管的效率和功率能力成为该类器件发展的重要趋势。以上述微波炉用磁控管的基本结构为基础，若通过增大电压来提升其功率和效率，滤波组件中高压接线端与组件金属壁和上支架之间由于间距小易发生打火现象；且提升工作电压后电流密度增大，闭合磁路的磁场强度不够充分，导致阳极电流减小，难以实现功率提升。
3.为了提升磁控管功率输出，申请号为201811487405.7的题为“一种具有模块化特性的磁控管结构”专利提出了一种可模块化的磁控管结构，具体为在典型微波炉用磁控管结构的基础上，在阳极腔壁上开隙缝连接耦合器，与其他同类磁控管级联形成锁频锁相的模块化磁控管结构，在低电压工作条件下实现多个磁控管的同频同相输出，以此达到提升功率的目的。这种通过互联锁频锁相的方法可为阵列化模块化磁控管提供可行性，然而，由于单个磁控管的功率输出能力有限，使得这种方式的阵列化磁控管输出功率难以有数量级的提升。如果能在这种阵列化模块化磁控管的基础上，使其功率有数量级的提升，可极大地拓宽微波能工业化应用和微波功率技术应用领域，具有重大地工程意义和使用价值。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的阵列化模块磁控管及新型高功率磁控管单元提升了单个磁控管的功率输出能力和效率，并采用阵列化技术，使磁控管的功率得到了数量级的提升。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种阵列化模块磁控管，包括若干个磁控管，每个所述磁控管的阳极腔腔壁上连接有耦合电路，相邻两个所述磁控管的阳极腔腔体之间通过耦合电路连接。
6.本发明的有益效果为：
7.本发明在改进型磁路系统及高电压滤波组件的基础上，通过在所述管芯结构内与输出结构连接的阳极腔中引入所述凸起结构，弥补了所述输出结构对所处管芯内电磁场分布不均匀的缺陷，使得电子在管芯结构中经历均匀的场分布，从而提升磁控管单管的能力。所述凸起结构的引入不仅用于改善所述磁控管单管的功率能力，而且在与所述耦合电路相连接的阳极腔体中引入所述凸起结构，改善了由于耦合电路连接导致的阳极腔内场分布不均匀性，从而为阵列化模块磁控管的能力提升奠定了基础。
8.进一步地，所述耦合电路包括相互连接的工字型阻抗变换器和标准矩形波导。
9.上述进一步方案的有益效果为：通过上述结构的耦合电路将多个相同结构的磁控管连接起来，从而形成具有高效锁频锁相能力的阵列化磁控管。
10.进一步地，在每个所述磁控管中，对于连接其输出结构或耦合电路的阳极腔，其内部上设置有凸起结构。
11.进一步地，所述凸起结构在所述阳极腔的内壁上对称分布；
12.所述凸起结构的数量和位置根据所述阵列化模块磁控管中单个磁控管的耦合电路和输出结构的数量及位置决定。
13.进一步地，每个所述凸起结构的角向尺寸小于单个所述阳极腔角向尺寸的1/2。
14.上述进一步方案的有益效果为：基于上述阳极腔内壁设置的凸起结构，解决了由于输出结构和耦合电路的引入导致阳极腔腔体中场分布不均匀的问题，提升了阳极腔体结构中电磁场分布的均匀性，从而提升单管注波互作用效率和阵列化模块磁控管的整体能力。
15.一种新型高功率磁控管单元，包括高电压滤波组件和磁路系统，所述磁路系统为可调节增强型闭合磁路系统，包括磁控管、增强型上永磁体、增强型下永磁体、磁控管支架以及可调永磁体条；
16.所述可调增强型闭合磁路系统的磁场可调。
17.本发明的有益效果为：
18.本发明中的新型高功率磁控管单元采用增大永磁体半径、使用高磁能积永磁体材料、设计若干人为可移动并贴取的永磁体条三种手段，增强闭合磁路的磁场强度和位形曲线，为了提升磁控管工作电压奠定了基础；同时，为了减小提升电压带来的打火风险，设计了所述高电压滤波组件，主要特征在于增大了高压输入端与滤波组件金属板的安全距离，提升了高电压的工作基础和条件。
19.进一步地，所述磁控管支架包括上支架、下支架、左支架和右支架；
20.所述上支架、下支架、左支架和右支架形成闭合区域，所述磁控管设置于所述闭合区域中；
21.所述左支架和右支架均由若干具有同等永磁铁材料的可调永磁体条排列而成，所述可调永磁体条的位置及数量可调节。
22.上述进一步方案的有益效果为：通过将传统的金属板左右支架替换为可调永磁条，形成了可调节的磁场闭合回路。
23.进一步地，所述增强型上永磁体和增强型下永磁体分别设置于所述磁控管管芯的上端和下端；
24.所述增强型上永磁体和增强型下永磁体材料最大磁能积为150～160kj/m3；
25.所述增强型上永磁体和增强型下永磁体的内外半径相同，其中，外半径大于等于家用微波炉用磁控管中上下永磁体外半径，且小于左右支架之间的间距。
26.上述进一步方案的有益效果为：通过增大上下永磁体及使用强磁力的永磁体，同时配合可调永磁体条，使得磁控管单管闭合磁路的磁场强度得到了2-3倍的增强，与家用微波炉用磁控管单管结构相比，磁场强度增大，因此磁控管工作的门槛电压增大，为增大工作电压创造了条件。
27.进一步地，所述磁路系统的上支架上端设置有高电压滤波组件；
28.所述高电压滤波组件包括两个接线柱及金属框架板，两个所述接线柱竖直设置，其一端均设置于所述金属框架板内，并分别与阴极和灯丝端口连接，其另一端均设置于所述金属框架板外部，并分别与脉冲高压电源高压输出端和灯丝电源输出端连接。
29.进一步地，两个所述接线柱外围包裹有绝缘材料。
30.上述进一步方案的有益效果为：
31.上述方案中，将传统滤波组件中的顶端金属板去掉，通过采用带有绝缘材料的接线柱，与家用微波炉用磁控管结构相比，接线柱的高压输入端与高电压滤波组件顶端金属板之间的距离是原磁控管结构中同一尺寸的4-5倍，减小了打火的可能性，为增大工作电压后的稳定工作奠定了基础。
附图说明
32.图1为本发明提供的磁控管管芯内部结构示意图。
33.图2为本发明提供的新型高功率磁控管单元结构示意图。
34.图3为本发明提供的家用微波炉用磁控管结构示意图。
35.图4为本发明提供的高电压滤波组件示意图。
36.图5为本发明提供的磁控管互联形成的阵列化模块磁控管的示意图。
37.图6为本发明提供的阵列化模块磁控管的前视图。
具体实施方式
38.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
39.实施例1：
40.本发明实施例提供了一种阵列化模块磁控管，包括若干个磁控管，每个所述磁控管的阳极腔腔壁上连接有耦合电路，相邻两个所述磁控管的阳极腔腔体之间通过耦合电路连接。
41.本发明实施例中的耦合电路包括相互连接的工字型阻抗变换器和标准矩形波导，本实施例中通过耦合电路将多个相同结构的磁控管连接起来，从而形成具有高效锁频锁相能力的阵列化磁控管。
42.在本发明实施例中，对于连接其输出结构或耦合电路的阳极腔，其内部上设置有凸起结构。
43.在本发明实施例中，如图1所示，(a)为典型磁控管管芯内部结构，阳极管由10个沿圆周均匀分布的阳极腔组成，(b)为本实施例提供的具有凸起结构的磁控管，其中凸起结构为半圆形结构，且阳极腔的内壁上对称分布。
44.本发明实施例中的具有凸起结构的阳极管工作频率与家用微波炉用磁控管管芯工作频率相同，均为2450mhz。
45.本发明实施例中在阳极腔内设置凸起结构，解决了由于输出结构和耦合电路的引入导致的阳极腔体中场分布不均匀的问题，提升了阳极腔体结构中电磁场分布的均匀性，从而提升单管注波互作用效率和阵列化模块磁控管的整体能力。
46.本发明实施例中的凸起结构在阳极腔的内壁上对称分布，凸起结构的数量和位置根据所述阵列化模块磁控管中单个磁控管的耦合电路和输出结构的数量及位置决定，本发明实施例中的凸起结构可以为半圆形、长方形或正方形结构，其数量为2个及以上。
47.本发明实施例中的单个凸起结构的角向尺寸小于单个阳极腔角向尺寸的1/2。
48.实施例2：
49.本发明实施例提供了一种由实施例1中磁控管构成的新型高功率磁控管单元，如图2所示，包括磁路系统和高电压滤波组件，所述磁路系统为可调节增强型闭合磁路系统，包括磁控管、增强型上永磁体、增强型下永磁体、磁控管支架以及可调永磁体条；
50.所述可调增强型闭合磁路系统的磁场可调。
51.本发明实施例中的新型高功率磁控管单元采用磁场可调增强型闭合磁路系统，并增大脉冲高压接线端与磁控管支架、滤波组件金属板的安全距离，为了增大工作电压提升磁控管功率输出能力奠定了基础。
52.在本发明实施例中，图2中的磁控管支架包括上支架、下支架、左支架和右支架；所述上支架、下支架、左支架和右支架形成闭合区域，所述磁控管设置于所述闭合区域中；所述左支架和右支架均由若干具有同等永磁铁材料的可调永磁体条排列而成，所述可调永磁体条的位置及数量可调节。
53.在本发明实施例中，增强型上永磁体和增强型下永磁体分别设置于所述磁控管管芯的上端和下端；增强型上永磁体和增强型下永磁体材料最大磁能积为150～160kj/m3；
54.本发明实施例中的增强型上永磁体和增强型下永磁体的内外半径相同，其中，外半径大于等于家用微波炉用磁控管中上下永磁体外半径，且小于左右支架之间的间距，本发明实施例中外半径为40～54mm。
55.在本发明实施例中，如图3所示为家用微波炉用典型磁控管结构，与图2相比，两个磁控管的工作频率均为2450mhz，其中图3典型的磁控管工作电压为4kv，本实施例中改进后磁控管工作电压为10～12kv，约为典型磁控管的3倍。从图2和图3对比可以看出，图2中上下永磁体半径和体积均比图3中对应永磁体半径和体积大，左、右支架由原来的金属板替换为分立的可调永磁体条，可人为地移动、安装或取消永磁体条，上下永磁体与可移动永磁体条构成可调节的闭合磁路系统，值得注意得是，可在图2所示左、右支架的永磁体条上继续附加永磁体条，增强磁回路的磁场强度，提升磁回路的磁场利用率；本实施例中，采用这种可调节的磁路系统，可在磁控管电子互作用空间范围内达到最大值超过370mt的磁场，约为传统磁控管磁路系统磁场的2.2倍。
56.在本发明实施例中，如图2所示，磁路系统的上支架上端设置有高电压滤波组件；
高电压滤波组件包括两个接线柱及金属框架板，两个所述接线柱竖直设置，其一端均设置于所述金属框架板内，并分别与阴极和灯丝端口连接，其另一端均设置于所述金属框架板外部，并分别与脉冲高压电源高压输出端和灯丝电源输出端连接。本发明实施例中的两个所述接线柱外围包有绝缘材料。
57.本发明实施例中的阴极和灯丝端口是指给下方磁控管供电的两个端口，阴极端是电源给磁控管供给工作电压的入口端，灯丝是促使阴极发射电子的部件，灯丝供电加热阴极，使阴极发射电子，从而形成磁控管工作所需的电流；脉冲高压电源是给阴极和灯丝供电的电源，这种电源通常具有三个端口，一端是给阴极提供高电压，所以称为高压输出端，一端是给灯丝提供电压，成为灯丝电源输出端，还有一段接地。
58.在本发明实施例中，相较于传统的家用微波炉用磁控管，如图4所示，将(a)所示的传统微波炉用典型磁控管中的滤波组件替换为(b)所示竖直装置于阴极和灯丝端口的绝缘接线柱，两个接线柱顶端分别与高压输入端和灯丝电源输入端连接，采用竖直接线柱的装置有效地增大了高压输入端与支架顶端的安全距离，该距离是典型磁控管中同一距离的4-5倍，减小了打火的可能性，(c)所示为两个接线柱的结构示意图，外包绝缘材料采用聚四氟乙烯或者陶瓷。
59.在本发明实施例中，将滤波组件顶端金属板去掉，采用带有绝缘材料的两个接线柱分别将阴极和灯丝端口引出，接线柱竖直安置于滤波组件顶端金属板，由此接线柱一端与阴极或灯丝端口连接，另一端远离滤波组件顶端、底端及左右两端金属板且与脉冲高压电源高压输出端连接或灯丝电源接线端连接，所述接线柱与高压电源输出端相连接的端口为接线柱高压输入端，所述接线柱与灯丝电源接线端相连接的端口为接线柱灯丝输入端。与原磁控管结构相比，所述接线柱高压输入端与滤波组件顶端金属板之间的距离是原磁控管结构中同一尺寸的4-5倍，减小了打火的可能性，为增大工作电压后的稳定工作奠定了基础。
60.在本发明实施例中，基于上述磁控管结构形成了如图5和图6所示的，能力提升阵列化模块化磁控管结构，该结构在高效互联锁频锁相的基础上，通过磁控管单管的能力提升，使阵列化模块的能力得到了1～2个数量级的提升。