一種長陽極磁控管諧振系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬研究

高功率連續(xù)波磁控管在工業(yè)加熱等方面有著廣泛的應(yīng)用，長陽極磁控管以其大的熱容量及長的互作用區(qū)可以得到較大功率的輸出.本文試圖研究和設(shè)計(jì)一種針對2450MHz的連續(xù)波輸出的長陽極磁控管諧振系統(tǒng)，對有輸出耦合圓盤和不同隔模方式的頻率色散特性和模式分隔進(jìn)行了計(jì)算和比較，對場型分布圖的分析發(fā)現(xiàn)了普通磁控管中所沒有的高階軸向模式，最后通過適當(dāng)?shù)母裟Х椒ǖ玫娇蓾M足π模振蕩要求的模式分隔.這一研究結(jié)果對進(jìn)一步開發(fā)工業(yè)加熱高功率連續(xù)波磁控管打下了一定的基礎(chǔ).
　　關(guān)鍵詞:長陽極；諧振系統(tǒng)；場型圖；模式分隔

Design and Simulation of a Long-Anode Magnetron Resonant System

FENG Jin-jun　LIAO Fu-jiang
(Beijing Vacuum Electronics Research Institute,Beijing 100016,China)
R.G.Carter
(Department of Engineering,Lancaster University,UK)

　　Abstract:High power CW magnetrons can be used widely in industrial heating and other aspects,and long-anode magnetrons could reach higher power because of their larger thermal capacitance and longer interaction distance than conventional magnetrons.In this paper,a preliminary design of a long-anode resonator for 2450 MHz operation was given and its characteristics including mode dispersion and characteristic impedance etc.for different arrangement of output structure and straps were calculated using MAFIA package.Higher axial modes,which do not exist in ordinary magnetrons were found by the study of the field patterns.At last,a good mode separation has been obtained for π-mode oscillation by proper straps arrangements.
　　Key words:long-anode;resonator system;field pattern;mode separation

一、引　　言
　　磁控管作為一種小型高效低成本的微波功率源在雷達(dá)、通訊、加速器激勵(lì)源、醫(yī)療設(shè)備、家用微波爐及工業(yè)加熱等方面有廣泛的應(yīng)用.六十年代以來，高功率連續(xù)波磁控管在化學(xué)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、食品和建材處理等方面的應(yīng)用，使得人們對這種工業(yè)加熱用的高功率連續(xù)波磁控管的需求日益增加，研究與開發(fā)工作也很活躍.在常用的兩個(gè)頻率915MHz和2450MHz上連續(xù)波輸出功率已分別達(dá)到500kW和20kW，效率大于75%［1］.利用速調(diào)管及同軸磁控管、長陽極磁控管等方式可以實(shí)現(xiàn)高功率連續(xù)波輸出，磁控管的優(yōu)勢在于低成本和小體積，長陽極磁控管的特點(diǎn)是熱容量大、互作用區(qū)長，有較高的功率輸出，存在的問題是其諧振模式中含有普通磁控管中不存在的高階軸向模式.普通磁控管的長度一般小于波長的1/3～1/2，以避免軸向模式的出現(xiàn).如何在長陽極磁控管中通過合適的隔模方式得到滿足要求的模式分隔，可能是提高磁控管連續(xù)波功率輸出的方法之一.本文試圖研究和設(shè)計(jì)一種用于工業(yè)加熱的2450MHz的高功率連續(xù)波磁控管的長陽極諧振系統(tǒng)，并對輸出耦合板和幾種不同的隔模帶情況下的諧振系統(tǒng)用MAFIA軟件進(jìn)行了計(jì)算，得到了模式分隔和頻率色散特性，并進(jìn)行了比較.在陽極兩端各有兩個(gè)環(huán)形隔模帶且兩端的隔模帶與葉片的連接方式相同時(shí)得到了fπ-1／fπ=1.169的模式分隔，可滿足實(shí)際工作要求.還計(jì)算出了無隔模帶和有隔模帶兩種情況下的品質(zhì)因數(shù)和特征阻抗.對場型分布圖的分析驗(yàn)證了高階軸向模式和端空間π模的存在，為提高磁控管連續(xù)波功率輸出探索了一條可行的途徑.

二、諧振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算
　　作為工業(yè)加熱用的磁控管要求低電壓、高效率、長壽命、低成本、泄漏少等.諧振系統(tǒng)是磁控管的一個(gè)重要部分，決定著管子的工作頻率和輸出功率.為了設(shè)計(jì)2450MHz下的陽極結(jié)構(gòu)，選擇了具有14個(gè)葉片的扇形諧振腔諧振系統(tǒng).一般最小的陽極電壓與葉片間距成正比［2］，所以大量的扇葉得到小的葉片間距，可以降低陽極工作電壓.在確定了葉片長度后，按一般的設(shè)計(jì)方法［1，3，4，11］，得到如下的結(jié)構(gòu)參數(shù).
　　諧振腔直徑：6.8cm，端空間：1.05cm，諧振腔長度：10.1cm，陽極直徑：2.91cm，陽極長度：8.0cm，葉片寬度：0.4cm，葉片長度：1.945cm,陰極直徑：1.75cm
　　MAFIA軟件是用有限積分法對Maxwell方程進(jìn)行數(shù)值求解的軟件包，可用于三維諧振腔的計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì).本文用MAFIA(2.03版)進(jìn)行長陽極磁控管諧振系統(tǒng)特性的計(jì)算和研究，目的在于尋找能滿足高功率連續(xù)波輸出要求的磁控管陽極諧振系統(tǒng).
　　首先研究無隔模帶的長陽極諧振系統(tǒng).由于陽極塊的對稱性，只對橫截面的上半部分(全長)進(jìn)行模擬，選取合適的邊界條件即可.采用了93092個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，通過對得到的各模式的橫截面和軸向場分布的分析發(fā)現(xiàn)了軸向高階模式，其場分布沿軸向有周期性的變化.各模的階數(shù)表達(dá)中，m為軸向模數(shù)，n為橫截面的角向模數(shù)，m2為高階模式.普通磁控管中不存在高階模式，其陽極長度一般小于1/3～1/2波長，以避免高階軸向模式的出現(xiàn).設(shè)計(jì)中陽極長度為8cm，為波長(12.245cm)的0.653倍，所以會(huì)出現(xiàn)軸向模式.陽極塊可看為一個(gè)特殊橫截面的波導(dǎo)，由于不存在縱向電場，故其中只有TE模式.π模為m=1,n=7的TE模，頻率為2472.2MHz，與預(yù)期的2450MHz一致.高階π模為π′和π″，頻率分別為3063.1MHz和4313.2MHz，分別比π模頻率高出23.9%和74.5%.圖1給出計(jì)算得出的長陽極模式色散曲線，普通磁控管只有m=1這一條曲線，實(shí)為m=0，因?yàn)槠潢枠O長度較小，故只取了縱向場分布較均勻的一段，而長陽極磁控管則有m=2,3,…等高階模式.在用MAFIA軟件的過程中，當(dāng)模式頻率非常接近時(shí)，個(gè)別模的橫截面場分布出現(xiàn)了一些模式污染，對模式辨認(rèn)造成困難，但有幸的是通過分析該模式相應(yīng)的軸向場分布和其頻率所處的相對位置可以很容易分辨出模式的模數(shù)，而其頻率精度不受影響.這種情況是由于有限的網(wǎng)格點(diǎn)所造成的，只要增加網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)目就可以解決.