CN109686636B - 一种具有模块化特性的磁控管结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于真空电子器件中的微波源技术领域，提供一种具有模块化特性的磁控管结构，包括n个锁频锁相电路和n+1个磁控管、n≥1；所述锁频锁相电路包括两个耦合器，每个耦合器由依次连接的工字型波导阻抗变换器、矩形波导、圆盒形波导输出窗及法兰构成，两个耦合器通过法兰连接构成锁频锁相电路；磁控管腔体背壁上开设隙缝，且磁控管与耦合器的工字型波导阻抗变换器通过所述缝隙实现连接。本发明采用锁频锁相电路，使得多个磁控管的电磁波锁频锁相，获得同频同相的高功率输出，进一步进行功率合成而得到高功率，且锁频锁相电路结构简单、易于加工；使其有望应在低电压大功率、阵列化、集成化的场合，有较为广阔的应用前景和生产价值。

Description

一种具有模块化特性的磁控管结构
技术领域
本发明属于真空电子器件中的微波源技术领域，更具体的说是涉及一种具有模块化特性的磁控管结构。
背景技术
随着电子技术的发展，在低功率、低频率、低电压场合半导体器件已基本取代电真空器件，但在高功率应用场合，电真空器件特别是磁控管仍占有绝对优势。如果磁控管能在较低电压下提供更高的输出功率，将极大拓宽磁控管的应用范围，在更多的民用和军事方面占据主导地位，大大拓宽应用前景。
目前电真空器件的工作电压普遍较高，而磁控管作为一种传统的微波电真空器件，其工作电压虽然比较低，但是其输出的功率有限。为获得更高的功率输出可以通过加大电压的方式，但另一方面，高电压使得对电源体积和重量的压缩变得困难。低电压微波源技术的突破将为系统的高功率迈出关键的一步，对于磁控管的改进就变得尤为重要。磁控管作为一种小型高效低成本的微波功率源在雷达、通讯、加速器激励源、医疗设备、家用微波炉及工业加热等方面有广泛的应用。六十年代以来，高功率连续波磁控管在化学工业、机械工业、食品和建材处理等方面的应用，使得人们对这种工业加热用的高功率连续波磁控管的需求日益增加，研究与开发工作也很活跃。
目前市场上广泛使用的磁控管的中心频率为2450MHz，其连续波功率可达到1kW，能提供较高的功率输出，效率可以达到80％，是现有成本最低的微波源之一。尽管现有的磁控管能产生较高的输出功率，但是随着一些新的应用范围对功率的更高的要求，其功率已经不能满足这些领域的需要。如果能使磁控管在低成本的前提下，显著提高其功率输出，将可以降低在大功率应用背景下的系统难度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术问题，提供一种具有模块化特性的磁控管结构，用于产生同频同相的功率输出；本发明设计一种锁频锁相电路，利用该锁频锁相电路能够使得多个磁控管得到同频同相的功率输出，其功率输出形式可以是脉冲的、也可以是连续的。
为实现上述目的，本发明采用的解决方案为：
一种具有模块化特性的磁控管结构，其特征在于，包括n个锁频锁相电路和n+1个磁控管、n≥1；所述锁频锁相电路包括两个耦合器，每个耦合器由依次连接的工字型波导阻抗变换器、矩形波导、圆盒形波导输出窗及法兰构成，两个耦合器通过法兰连接构成锁频锁相电路；所述磁控管腔体背壁上开设隙缝，且磁控管与耦合器的工字型波导阻抗变换器通过所述缝隙实现连接。
进一步的，根据连接需要，所述磁控管腔体背壁上开设有一条隙缝或多条隙缝。
从工作原理上讲，本发明中，锁频锁相电路主要由工字型波导阻抗变换器、标准矩形波导结构件、圆盒形波导输出窗及法兰组成；其中，工字型波导阻抗变换器是整个锁频锁相电路的核心，使得磁控管的耦合阻抗与标准波导的耦合阻抗实现匹配，其一端与磁控管腔体背壁上的隙缝连接，另一端与标准矩形波导连接；圆盒形波导输出窗主要功能是连接矩形波导结构件和作真空密封，而且还相当于一个宽带的带通滤波器；工字型波导阻抗变换器、标准矩形波导结构件和圆盒形波导输出窗通过钎焊后形成封闭的耦合器，两个耦合器连接形成锁频锁相电路。这种采用新型的磁控管锁频锁相电路可在脉冲或者连续波条件下工作，使用多个开缝磁控管与锁频锁相电路连接能够得到同频同相的多个功率输出。该系统结构简单，整体性和一致性好，特别是易于加工，装配精度可以得到保证；同时，由于几乎采用全金属结构，其散热性能好，具有功率容量高等优点。
输出功率是一个很重要的指标，要将此具有模块化特性的磁控管新结构应用于实际，使其在工作电压保持不变的前提下得到多个同频同相的输出功率，若输出功率大大减小，那么这种磁控管新结构就没有实际意义。此结构中的耦合器用于使两个磁控管直接的耦合，达到输出频率相同、相位一致，耦合器的耦合度约为10dB，这就保证了每个磁控管只有少量的功率用于耦合，大部分的功率可以有效输出。同时通过对工字型波导阻抗变换器和圆盒形波导输出窗的联合设计，工字型波导阻抗变换器的长度略小于四分之一的波导波长，也可以减少不同磁控管之间的耦合，使得每个磁控管在电压为3-5kV的条件下，单管的输出功率接近900W。相对于一般的磁控管，这种具有模块化特性的磁控管新结构得到多个同频同相的功率输出，从而可以进一步应用于功率合成等领域，应用前景十分广阔。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种具有模块化特性的磁控管结构，通过采用锁频锁相电路，使得多个磁控管的电磁波锁频锁相，获得同频同相的功率输出。其工作有如下三个重要特点：第一，采用这种具有模块化特性的磁控管新结构可以实现脉冲或连续波工作；第二，其工作电压与传统磁控管几乎完全相同，可设定工作电压区间为3-5kV；第三，不同磁控管之间的功率耦合较少，约10dB左右，每个磁控管的输出功率接近900W；上述特点使得采用这种具有模块化特性的磁控管新结构的器件具有尺寸小、易加工的优点，可用于功率合成、阵列化、集成化等方面。
另一方面，本发明的低电压特性和较现有磁控管可得到同频同相的多个功率输出，进一步进行功率合成而得到高功率，而且锁频锁相电路的简单结构使得其加工容易且更能有效的减小装配误差，结构紧凑，防震性能较好；同时，由于保证了较高的输出功率，采用这种具有模块化特性的磁控管新结构有望应在低电压大功率、阵列化、集成化的场合，还可能开发出新的应用领域，有较为广阔的应用前景和生产价值。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种具有模块化特性的磁控管结构示意图。
图2为本发明实施例1中一种具有模块化特性的磁控管结构的电路示意图。
图3为本发明实施例2中一种具有模块化特性的磁控管结构示意图。
图4为本发明实施例2中一种具有模块化特性的磁控管结构的电路示意图。
图5为本发明实施例1、2中耦合器的结构示意图。
图6为本发明实施例1、2中耦合器的尺寸示意图。
图7为本发明实施例1、2中耦合器中工字型阻抗变换器的尺寸示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式中提供一种具有模块化特性的磁控管结构，包括磁控管和耦合器，其中，磁控管的腔体背壁上开有一条隙缝或对称的两条隙缝，以下为方面描述，设M1型磁控管1为腔体背壁上开有一条隙缝的磁控管，M2型磁控管3为腔体背壁上开有对称的两条隙缝的磁控管；但是，需要强调的是，本发明锁频锁相电路具有模块化特性，根据实际的拓展需要，磁控管的腔体背壁上并不局限于一条或两条，此处不再赘述。
耦合器2由工字型阻抗变换器2-1，标准矩形波导2-2，圆盒型输出窗2-3和标准法兰2-4依次钎焊连接后形成，如图5所示；另外需要说明的是：由于本发明主要设计的重点是磁控管之间的锁频锁相，所以散热片等一些不相关的部件就不在此作说明。
实施例1
本实施例提供一种具有模块化特性的磁控管结构，结构示意图如1所示，本实施例为M1-M1型磁控管并联结构，即为2单元的模块化系统，其电路示意图如图2所示；包括两个M1型磁控管1和两个耦合器2，其中，两个耦合器通过法兰对应连接、形成一个锁频锁相电路；两个耦合器的工字型阻抗变换器分别与M1型磁控管腔体背壁上的缝隙对应连接，实现锁频锁相电路与磁控管的连接，本实施例中，耦合器的具体尺寸如图6、图7所示，工字型阻抗变换器的轴向长度为55mm；
上述磁控管结构中，两个耦合器的损耗约为10dB，两个M1型磁控管的输出端的有效输出各为900W左右。
实施例2
本实施例提供一种具有模块化特性的磁控管结构，结构示意图如3所示，本实施例为M1-M2-M1型磁控管并联结构，即为3单元的模块化系统，其电路示意图如图4所示，包括两个M1型磁控管1、一个M2型磁控管3和四个耦合器2构成；其中，四个耦合器形成两个锁频锁相电路，分别连接在M1-M2磁控管、M2-M1型磁控管之间；耦合器的具体尺寸也与实施例1相同；
上述磁控管结构中，每一个耦合器的损耗约为10dB，两个M1型磁控管和一个M2型磁控管的输出端的有效输出各为900W左右。
采用本发明所述具有模块化特性的磁控管新结构可以在连续波条件下工作，本实施例中，磁控管的工作频率为2.45GHz，工作电压为3-5kV，对应工作模式为π模，每个磁控管的输出功率较高，接近900W，单管的效率可达75％，最终的功率合成效率约90％。
与传统大功率磁控管相比，本发明的特点是采用这种具有模块化特性的磁控管新结构在低电压下工作，结构新颖简单，并且输出功率可比现有的磁控管成倍的提高。采用这种具有模块化特性的磁控管新结构可以工作在连续波条件下工作。整个系统具有小型化、轻量化、易集成的优点，更重要的是可用于大规模集成化，输出功率成倍提高，连续波条件下，效率可达75％以上，每个磁控管的输出功率接近900W。上述参数使得采用本发明具有模块化特性的磁控管新结构在低电压大功率场合具有极大开发价值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种具有模块化特性的磁控管结构，其特征在于，包括n个锁频锁相电路和n+1个磁控管、n≥1；所述锁频锁相电路包括两个耦合器，每个耦合器由依次连接的工字型波导阻抗变换器、矩形波导、圆盒形波导输出窗及法兰构成，两个耦合器通过法兰连接构成锁频锁相电路；所述磁控管腔体背壁上开设缝隙，且磁控管与耦合器的工字型波导阻抗变换器通过所述缝隙实现连接。
2.按权利要求1所述具有模块化特性的磁控管结构，其特征在于，所述磁控管腔体背壁上开设有一条缝隙或多条缝隙。
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