CN104241064B - 一种20kW/2450MHz注入锁频磁控管 - Google Patents

Abstract

一种20kW/2450MHz注入锁频磁控管，包括一稳定电源、磁控管、激励腔、电磁铁、高稳信号源、四端环形器及吸收负载，稳定电源作为一微波电源，与磁控管连接，磁控管及电磁铁固定在激励腔上，稳定电源、磁控管、电磁铁及激励腔构成一微波能发生器，提供微波功率；四端环形器具有四个端口，第一端口与高稳信号源连接，第二端口与激励腔连接，第三端口与一负载连接用于输出微波功率至该负载，第四端口与吸收负载连接；高稳信号源用于提供稳定的2450MHz微波信号并通过所述四端环形器将2450MHz微波信号注入所述磁控管，该磁控管的振荡频率被所注入信号频率控制，并输出微波能经所述第三端口输出；磁控管为一低外观品质因数的磁控管。

Description

一种20kW/2450MHz注入锁频磁控管

技术领域

本发明涉及磁控管技术领域，具体而言涉及一种20kW/2450MHz注入锁频磁控管。

背景技术

在2450MHz频段，现有的单只磁控管的功率只能做到30kW，寿命2000小时，输出功率与寿命非常有限。工业生产中加热对象往往体积庞大，微波功率不够高将直接影响加热效果，并严重制约生产规模，远不能满足大规模工业连续生产的需求。

目前在微波加热领域，功率合成技术使用的是非相干功率合成，也就是简单将多个磁控管作为独立微波源进行非相干功率合成，这样将造成功率合成效率低、难以消除磁控管之间相互之间的干扰，严重影响微波源的工作稳定性和工作寿命，甚至直接损坏微波源。原因是现有技术对连续波磁控管频率的控制精度不高，因此磁控管的频率离散型较大，一般在2450MHz±30MHz，远不能满足注入锁频连续波磁控管对锁频带宽的要求以及相干功率合成对连续波磁控管频率的要求，即稳定工作在2450MHz。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明目的在于提供一种20kW/2450MHz注入锁频磁控管，频率稳定度高，并可延长磁控管的使用寿命，满足不同行业对2450MHz频率段连续波磁控管的工作需求，同时在在注入信号的控制下，连续波磁控管将稳定工作在2450MHz，可满足相干功率合成的要求，采用相干功率合成技术能获得几百上千千瓦甚至更高的高频率稳定度的微波输出功率，满足大规模工业应用的实际需求。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种20kW/2450MHz注入锁频磁控管，包括一稳定电源、磁控管、激励腔、电磁铁、高稳信号源、四端环形器以及吸收负载，其中：

所述稳定电源作为一微波电源，与所述磁控管连接，所述磁控管以及电磁铁固定在所述激励腔上，所述稳定电源、磁控管、电磁铁及激励腔构成一微波能发生器，用于提供微波功率；

所述四端环形器具有四个端口，第一端口与所述高稳信号源连接，第二端口与所述激励腔连接，第三端口与一负载连接用于输出微波功率至该负载，第四端口与所述吸收负载连接，所述吸收负载用于吸收反射功率；

所述高稳信号源用于提供稳定的2450MHz微波信号并通过所述四端环形器将2450MHz微波信号注入所述磁控管，该磁控管的振荡频率被所注入信号频率控制，并输出微波能经所述第三端口输出；

所述磁控管为一低外观品质因数的磁控管，其外观品质因数取值在100～120，且频率在2450MHz±2.5MHz，连续波输出功率≥20kW。

由以上本发明的技术方案可知，本发明提供的20kW/2450MHz注入锁频磁控管，其选用的低外观品质因数的磁控管，其具有如下优点：1、采用V型水冷结构，与散热器结合，提高散热效果，优化阳极结构设计；2、采用陶瓷输出窗结构，具有耐温度冲击，密封性能好等优点；3、采用轴向天线输出结构，提高微波能的输出效率；4、采用优化设计的引线结构，频率稳定度高，微波泄漏少；5、采用优化的隔型带间距设计、输出结构设计，降低整个磁控管的低外观品质因数，确保其高频率稳定度和较好的工作稳定性。因此，通过选用低外观品质因数的磁控管，使得注入锁频磁控管的频率稳定度高，微波泄漏少，工作稳定性好，安全性能高。

本发明的20kW/2450MHz注入锁频磁控管，其结构优化，性能稳定，可适用于工业用的各种大功率微波加热设备的磁控管，克服现有技术的不足。

附图说明

图1为本发明一实施方式20kW/2450MHz注入锁频磁控管的结构原理图。

图2为图1实施例中激励腔、磁控管及电磁铁的安装示意图。

图3为图1实施例中磁控管的一个示例性结构示意图。

图4为图3实施例中腔体组合的结构示意图。

图5为图3实施例中腔体组合另一方向的结构示意图。

图6为图3实施例中输出窗组合的结构示意图。

图7为图3实施例中引线组合的结构示意图。

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。

结合图1和图2所示，根据本发明的较佳实施例，一种20kW/2450MHz注入锁频磁控管，一稳定电源101、磁控管102、激励腔103、电磁铁104、高稳信号源105、四端环形器106以及吸收负载110。

本实施例中，前述稳定电源101作为一微波电源，与磁控管102连接，如图2所示，磁控管102以及电磁铁104固定在激励腔103上，稳定电源101、磁控管102、电磁铁103及激励腔104构成一微波能发生器，用于提供微波功率。

本实施例中，所述稳定电源101为磁控管102的微波电源(可市购)，其优选的纹波系数(即稳定度)≤1％。

前述四端环形器106具有四个端口，如图1所示，第一端口与高稳信号源105连接，第二端口与激励腔103连接，第三端口与一负载120连接用于输出微波功率至该负载120，第四端口与吸收负载110连接。本实施例中，前述吸收负载用110于吸收反射功率。

高稳信号源105用于提供稳定的2450MHz微波信号并通过四端环形器106将2450MHz微波信号注入磁控管102，该磁控管102的振荡频率被所注入信号频率控制，输出微波能并通过前述四端环形器106第三端口输出。

本实施例中，前述高稳信号源105所提供的稳定的2450MHz微波信号为一连续波，作为优选的实施方式，高稳信号源105为一个固态注入源(可市购)，其注入功率≥200W，频率为2450MHz且功率稳定度为±1W。

如图1所示，本实施例中，微波能发生器(稳定电源101、磁控管102、激励腔103、电磁铁104)与高稳定信号源105、四端环形器106、吸收负载110构成注入锁频磁控管。

本实施例的磁控管102为一低外观品质因数的磁控管，其外观品质因数取值在100～120，且频率在2450MHz±2.5MHz，连续波输出功率≥20kW。如图3所示为低外观品质因数磁控管的一个示例，将在下面做具体说明。当然，本实施例所列出的该结构不致对本发明构成限制，本发明也可以采用现有市场上其他结构的磁控管，只要其外观品质因数、频段和输出功率满足前述条件即可。

作为可选的实施方式，如图3所示，，磁控管102包括腔体组合1、输出窗组合2、引线组合3和散热器4。

如图4，结合图5所示，腔体组合1由以下部分组成：圆柱形腔体1a；位于圆柱形腔体内的并呈瓣状分布的多个腔体翼片1b(如图4、5)，腔体翼片的水路结构构成V型水路冷却结构；设置在圆柱形腔体外周的水冷套1c，水冷套内围绕所述圆柱形腔体设有带孔的隔水环1d；设置在圆柱形腔体内部两端、用于增加模式分割度的大、小隔型带(大隔型带1e、小隔型带1f)，大隔型带1e位于小隔型带1f的外周并具有一间隙(如图5)；插入所述水冷套内并用于冷却水注入和排出的水管1g；以及连接在腔体翼片上的输出天线1h。

所述输出窗组合2与腔体组合1的一端连接并形成密封结构，所述输出天线1h的另一端位于所述输出窗组合2的内部并且不接触输出窗组合2的内壁.

腔体组合1的另外一端与所述引线组合3焊接，所述引线组合3上远离腔体组合1的位置焊接有散热器4。

作为可选的实施方式，引线组合3与输出窗组合2分别用大电流钎焊焊接在腔体组合1的两端，经过排气后将排气管封离，并用高温锡焊将散热器4焊接在引线组合上。

如图4和图5所示，大、小隔型带表面镀银后与腔体2a焊接。输出天线2h通过银铜焊料与腔体1a焊接。隔水环1d焊接在腔体1a与水冷套1c之间，水冷套1c焊接在腔体1a外面，水管1g焊接在隔水环1d的孔内。

如图4和图5所示，作为可选的实施方式，所述腔体翼片1b在沿所述瓣状分布方向的内部形成有狭孔，所述腔体翼片之间的狭孔与所述水冷套构成水冷却通道用于对磁控管进行散热，且相邻腔体翼片1b之间的狭孔构成所述V型水路冷却结构。

如图5所示，结合图3和图4，所述水管1g包括进水管1g-1和出水管1g-2，进水管1g-1插入所述水冷套1c内并延伸穿过所述隔水环1d，所述出水管1g-2插入所述水冷套1c并向内延伸至不超过所述隔水环的位置。如此设计，可保证充分的冷却水循环，增强水冷的效果。

作为优选的实施方式，参考图4和图5所示，对于输出天线1h与大隔型带的间距1e，输出天线1h与大隔型带1e的间隙，该距离控制在0mm～0.4mm时，对外观品质因数(即Qe值)的影响较小，而且跳模的可能性比较小。

作为优选的实施方式，如图4所示，大隔型带1e与小隔型带1f之间的距离值控制在一定的范围内，对磁控管的性能有较大的影响，尤其是中心频率和易打火情况。经过大量的试验数据发现，大隔型带1e与小隔型带1f之间的间隙距离控制在0.7mm～0.8mm之间时，满足对磁控管的性能要求及外观品质因数的要求。

为增强微波能的输出效率，本实施例中采用轴向天线输出结构，作为优选的实施方式，所述输出天线的直径值在4.5mm～5.5mm，所述输出天线在伸出所述腔体的高度值在39mm～41mm。试验表明，利用该直径范围和高度范围的输出天线，可保证微波能的输出效率，并且对外观品质因数的影响较小。

如图6所示，本实施例中，所述输出窗组合2包括盖2a和输出窗2b，输出窗2b为陶瓷材料制作成一U形状结构，该U形结构的开口与盖2a连接，所述盖2a与一下级靴5连接形成密封结构，结合图1所述，所述输出天线1h的一端与腔体翼片1b连接，其另一端伸入该U形结构的开口内部。

如图7所示，本实施例中，所述引线组合3包括引线杆3a、屏蔽帽3b、灯丝3c、上级靴3d、扼流筒3e、支持筒3f、定位瓷3g、瓷筒3h、上盖3i以及排气管3j，其中：所述屏蔽帽3b、灯丝3c、上级靴3d、扼流筒3e、支持筒3f、定位瓷3g、瓷筒3h、上盖3i围绕所述引线杆3a设置并以该引线杆3a为中心线，所述灯丝3c位于两个屏蔽帽3b之间，所述一个屏蔽帽3b卡在所述上级靴3d上，上级靴3d的另一侧依次固定安装扼流筒3e、支持筒3f以及位于其内部的定位瓷3g，所述瓷筒3h与支持筒3f连接，所述上盖3i位于瓷筒3h的另一端，所述排气管3j伸出所述上盖3i。

作为可选的实施方式，上盖3i用银铜焊料焊接在瓷筒3h上端；排气管3j用银铜焊料焊在上盖3i的孔内；支持筒3f用银铜焊料焊在瓷筒3h的下端，其另一端用银铜焊料与上极靴3d焊接在一起；位于支持筒3f内部，灯丝3c用氩弧焊焊接在屏蔽帽3b内部，位于上极靴3d的下端。

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。

Claims (4)

1.一种20kW/2450MHz注入锁频磁控管，其特征在于，包括一稳定电源、磁控管、激励腔、电磁铁、高稳信号源、四端环形器以及吸收负载，其中：

所述稳定电源作为一微波电源，与所述磁控管连接，所述磁控管以及电磁铁固定在所述激励腔上，所述稳定电源、磁控管、电磁铁及激励腔构成一微波能发生器，用于提供微波功率；

所述四端环形器具有四个端口，第一端口与所述高稳信号源连接，第二端口与所述激励腔连接，第三端口与一负载连接用于输出微波功率至该负载，第四端口与所述吸收负载连接，所述吸收负载用于吸收反射功率；

所述高稳信号源用于提供稳定的2450MHz微波信号并通过所述四端环形器将2450MHz微波信号注入所述磁控管，该磁控管的振荡频率被所注入信号频率控制，并输出微波能经所述第三端口输出；

所述磁控管为一低外观品质因数的磁控管，其外观品质因数取值在100～120，且频率在2450MHz±2.5MHz，连续波输出功率≥20kW；

所述磁控管包括腔体组合、输出窗组合、引线组合和散热器，其中：

所述腔体组合由以下部分组成：圆柱形腔体；位于圆柱形腔体内的并呈瓣状分布的多个腔体翼片，腔体翼片的水路结构构成V型水路冷却结构；设置在圆柱形腔体外周的水冷套，水冷套内围绕所述圆柱形腔体设有带孔的隔水环；设置在圆柱形腔体内部两端、用于增加模式分割度的大、小隔型带，大隔型带位于小隔型带的外周并具有一间隙；插入所述水冷套内并用于冷却水注入和排出的水管；以及输出天线，该输出天线的一端连接在腔体翼片上；

所述输出窗组合与腔体组合的一端连接并形成密封结构，所述输出天线的另一端位于所述输出窗组合的内部并且不接触输出窗组合的内壁；

腔体组合的另外一端与所述引线组合焊接，所述引线组合上远离腔体组合的位置焊接有散热器。

2.根据权利要求1所述的20kW/2450MHz注入锁频磁控管，其特征在于，所述腔体翼片在沿所述瓣状分布方向的内部形成有狭孔，所述腔体翼片之间的狭孔与所述水冷套构成水冷却通道，且相邻腔体翼片之间的狭孔构成所述V型水路冷却结构；

所述水管包括进水管和出水管，进水管插入所述水冷套内并延伸穿过所述隔水环，所述出水管插入所述水冷套并向内延伸至不超过所述隔水环的位置；

所述输出窗组合包括盖和输出窗，输出窗为陶瓷材料制作成一U形状结构，该U形结构的开口与盖连接，所述盖与一下级靴连接形成密封结构，所述输出天线的一端与腔体翼片连接，其另一端伸入该U形结构的开口内部；

所述引线组合包括引线杆、屏蔽帽、灯丝、上级靴、扼流筒、支持筒、定位瓷、瓷筒、上盖以及排气管，其中：所述屏蔽帽、灯丝、上级靴、扼流筒、支持筒、定位瓷、瓷筒、上盖围绕所述引线杆设置并以该引线杆为中心线，所述灯丝位于两个屏蔽帽之间，其中一个屏蔽帽卡在所述上级靴的一端上，另一个屏蔽帽设置在引线杆的端头位置；上级靴的另一侧依次固定安装扼流筒、支持筒以及位于其内部的定位瓷，所述瓷筒与支持筒连接，所述上盖位于瓷筒的另一端，所述排气管用银铜焊料焊在上盖的孔内并伸出所述上盖。

3.根据权利要求2所述的20kW/2450MHz注入锁频磁控管，其特征在于，所述大隔型带与小隔型带之间的距离值在0.7mm～0.8mm。

4.根据权利要求2所述的20kW/2450MHz注入锁频磁控管，其特征在于，所述输出天线的直径值在4.5mm～5.5mm，所述输出天线在伸出所述腔体的高度值在39mm～41mm，所述输出天线与大隔型带的间距值为0mm～0.4mm。