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LLC谐振式磁控管供电电源的研究
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&&L​L​C​谐​振​式​磁​控​管​供​电​电​源​的​研​究
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求松下磁控管？
提问者:田兴灵
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、加速激励源、医疗设备、家用微波炉及工业加热等方面有着广泛的应用。本文主要研究美的集团威特真空电子制造有限公司所生产的磁控管输出窗所用的氧化铝陶瓷的材料、形状、介电性能、厚度、高度等元素对磁控管输出阻抗、输出效率的影响。通过理论分析以及HFSS软件的仿真模拟优化，希望能明晰影响磁控管输出性能的各个参数，从而得到磁控管达到最优效率时的氧化铝陶瓷的各项特性。同时也希望能为美的集团威特真空电子制造有限公司磁控管选用氧化铝陶瓷的质量控制和检验提供理论依据和参考。
关键词：磁控管、氧化铝陶瓷、介电性能、输出效率、HFSS。
Magnetron has broad applications in radar, communication, accelerating power, medical devices, home microwave oven and industrial heating for its small size, high efficiency and low cost. The main study of this paper is on the influence of the material, dielectric properties, thickness and height of the Alumina ceramics which used in the output window of MIDEA WITOL magnetron on output impedance and output efficiency of the magnetron. Through theoretical analysis and simulation optimization by HFSS, hoped that can make each parameter which affect output properties perspicuity, thus obtain the properties of the Alumina ceramic when the magnetron is in optimum-efficiency. Simultaneously it is anticipated that the results should provide a helpful reference for quality control and inspection of Alumina ceramics of MIDEA WITOL magnetron.
Key words: Magnetron，Alumina ceramics，Dielectric properties，output efficiency，HFSS
第1章 引言... 1
1.1选题背景... 1
1.2选题的国内外研究现状... 2
1.3课题的价值和意义... 3
1.4课题的核心问题及思路... 4
第2章 磁控管研究的理论基础... 5
2.1微波管输出窗... 5
2.2磁控管的结构及工作特性... 6
2.2.1磁控管的结构... 6
2.3磁控管的原理... 9
2.3.1磁控管中的电子运动和能量转换... 10
第3章 磁控管输出陶瓷特性分析... 15
3.1威特磁控管输出窗所用陶瓷的特性... 15
3.2输出陶瓷... 15
3.2.1陶瓷的材料与分类... 15
3.2.2电真空器件输出窗用陶瓷... 16
第4章 HFSS仿真软件简介... 21
第5章 输出陶瓷的HFSS模拟仿真... 23
5.1磁控管输出部分HFSS模型... 23
5.2回波损耗... 24
5.3 S参数... 24
5.4 HFSS模拟仿真... 24
5.4.1对陶瓷高度变量进行改变... 25
5.4.2对陶瓷介电常数变量进行改变... 28
5.4.3对陶瓷厚度变量进行改变... 30
第6章 结论... 33
参考文献 35
外文资料原文... 37
翻译文稿 44
第1章 引言
1.1选题背景
磁控管是一种重入式谐振型正交场振荡器，是微波技术中的一种高功率源。它的主要特点是高效率和低工作电压(相对于线形注微波管来说)，其次是由于结构简单而带来的体积小、重量轻、使用方便、工作可靠和成本低等特点，因此磁控管是微波电子管中应用十分广泛的一种大功率器件。不仅用于军事、雷达上，而且在工业、农业、医疗卫生等方面也获得了广泛的应用。在速调管、行波管和其他微波源出现之前，它是发明最早的微波源。目前，它仍然是效率最高的微波电子管。
1913年，Arthur Hull发明了磁控管，从而彻底解决了有关电子管专利方面的纠纷。磁控管的发明，与电话、留声机的发明一样，是一重大技术进步，其主要标志就是在第二次世界大战期间雷达上的成功应用。同时，磁控管的研究和发展导致了多种正交场微波电子器件的出现，如电压调谐磁控管、泊管、同轴磁控管、M型前向波和后向波磁控管放大器等磁控型微波电子器件，构成了微波电子器件的一大领域。
磁控管的雏型早在10年代初期就已产生，但是直到30年代末和40年代初才得到发展。尤其是在第二次世界大战期间，由于雷达技术的需求，磁控管的实验和理论研究工作得到蓬勃开展。为提高频率稳定度，在普通磁控管的基础上设计出同轴磁控管，在更短的波长又发展了反同轴磁控管。电压调谐磁控管(VTM)，可实现在很宽的电子调谐范围，且功率输出的平稳度和效率都超过了O型返波管。
60年代，微波半导体器件出现并快速发展，人们进行大量的研究和努力，试图制造出大功率的微波半导体器件来取代传统的微波电真空器件，但频率和功率性能一直未能达到预期的目标。实践证明，从输出功率、效率和可靠性的观点考虑，当前的微波半导体器件是难以胜任的。在今后相当长的一段时期内，磁控管仍将在大功率和高频率应用中继续充当主要角色。
70年代，磁控管向着更高功率的方向发展。&相对论腔磁控管 (Relativistic cavity magnetron)&问世，并获得了900MW的脉冲输出功率。美国和俄罗斯在此领域处于国际领先水平。目前，磁控管的应用范围已从雷达、导弹、导航、电子干扰系统等军用领域扩展至通信、制导、计量学、防撞雷达、高能粒子加速器、气象雷达、工业加热、医疗、食品工业乃至家庭炉灶等民用领域。
磁控管在民用领域的最为人们所熟知的应用是在家用微波炉上。世界上微波炉磁控管每年的产量在一亿只左右，激烈的竞争使得微波炉磁控管技术得到不断发展，寿命大大提高而成本大大降低。用于工业加热的连续波磁控管单管的输出功率不断提高，最大输出功率已达到100kW。
1.2选题的国内外研究现状
近十年来，大功率磁控管以及其他微波管技术的发展，在现代军事电子装备中日益显示出不可取代的作用。早在1990年，美国国防部电子器件领导小组的研究报告中提出要从&国家安全的忧虑&考虑发展真空电子器件，因为半导体材料已接近它的极限，而微波真空电子器件在频率和功率方面的增长潜力是显而易见的。当时，美国国防部主持召开的微波管会议的主题就是:面向21世纪的器件&微波真空电子器件是重要的军事电子器件。1991年，美国国防部就投资 $3.6 用于发展微波管的5年计划，而后，还投资$1.0 给美国海军实验室发展新型微波电真空器件。海湾战争后，美国加速这一计划的实施。斯坦福研究所(sRI)、MIT林肯实验室、雷锡恩公司、乔治亚理工学院 (GIT)等7家公司和研究机构开始重点研究。这些都说明了微波器件在当今军事部门应用得到高度重视[1]。
目前，有关磁控管的理论研究及应用研究引起了许多学者的广泛兴趣。1995年 8月，在美国主办了首届国际交叉场器件的专业研讨会。会议论文内容涉及磁控管与超低噪声交叉场放大器，还报道了磁控管用于注入锁相磁控管阵列，无线电定位，固态油的溶化，微波CvD钻石沉积、化学合成、废料销毁以及磁控管在食品工业、橡胶和铸造业的应用研究。磁控管还被应用于放射医疗设备的线性加速器（作为RF功率源）。美国利用磁控管制作成放大器阵列 ,进行试验用空间太阳能卫星(SPS)向地面传输电能研究 ，并建立了专门的科研机构从事这项研究[2]。
随着计算机技术的飞速发展，许多互作用过程中的非线性问题(大信号问题)可利用数值解方法获得满意的结果。Litton公司和Raytheon公司都报道过在研制磁控管中采用三维计算程序模拟和设计复杂结构的应用。目前应用比较成功的典型程序有MAGIC、MAFIA。另外，磁控管设计和生产中的自动测试技术也得到快速发展。目前，有多种计算机模拟软件出现并达实用化，利用计算机进行磁控管理论预测和最佳化设计，开始对磁控管的非线性问题进行系统地研究，极大地推动了磁控管的设计和研制工作。磁控管中的许多难题正在逐步地得到解决，因而,计算机模拟技术被研究人员广泛用来验证线性和非线性理论。同时，计算机模拟技术为磁控管的最佳设计提供了有效的设计手段。
磁控管在工业、科学和医学(IMS)研究中的应用日益广泛，应用领域不断扩大。研究的重点为应用计算机模拟技术和数值计算方法，进一步实现高效率，低成本和第一章连续波磁控管的基本理论及现状长寿命的最佳设计。通过计算机模拟，不断改进理论预测，使得磁控管的理论更加完善，从而更好地深入了解磁控管的工作原理而进行最佳化可靠设计。磁控管历经多年的不断研究和改进，在提高功率、效率、频率稳定性和工作寿命等方面都取得了重大发展。随着火箭、导弹、人造卫星和航天飞行器的快速发展，一些不仅体积小，还能适应高温、高速、强震动环境的小型特殊磁控管被研制成功。
我国磁控管的试制工作开始于1956年，由电子科技大学张兆镗教授等一批学者开始研究和开发，发展到至今已成为我国微波电子管生产中，品种最多，数量较大，应用较为普的管型之一。发展到至今已成为我国微波电子管生产中，品种最多，数量较大，应用较为普遍的管型之一。目前，我国在磁控管Rieke图(负载特性曲线图)的测试方面，已开发出应用计算机进行自动测试的系统，使测试的精度和速度得到很大提高.。在利用MAFIA程序对长阳极磁控管的计算机模拟研究，采用新材料来改进大功率磁控管的祸合窗设计方面也取得了一定的进展。计算机模拟为磁控管设计提供了更为准确、快捷、高效、可靠的方法[3]。
而本课题的研究国内只有美的威特公司在研究，由于是公司内部保密资料，没有找到相关的研究动态，而国外也几乎没有发现类似研究动态。
1.3课题的价值和意义
随着微波炉用连续波磁控管市场竞争的日益激烈，在几乎相近的制造成本前提下，各厂家纷纷将成本问题的解决放在了磁控管本身的材料成本研究上，均在寻求以最低的材料成本来达到微波炉客户要求的产品。总的说来，改进的思路大致可以分为两类：一是磁控管整体结构保持不变，在价格较贵的零部件上（如穿芯电容、钼杆等）作同等替换；二是合理缩小磁控管各部位的结构尺寸。
威特真空电子制造有限公司作为美的集团战略转型的先头旗舰，是专业生产磁控管的高科技企业，公司先后投巨资于提高企业的核心竞争力，已经形成完整的微波产业链，现已成为世界产量第二的微波炉磁控管专业供应商。2006年公司年产1200万只磁控管，位居世界第二，2007年年产量达到1600万只，至2009年完成扩能建设后，公司将成为世界第一大磁控管供应商。本课题是建立在上述的大前提下，结合美的集团威特公司当前迫切需要解决的问题：从优化现有磁控管结构来减少材料的用量以及提高输出效率和可靠性，从而达到降低成本、提高质量的目的。本课题通过研究磁控管输出窗所用的氧化铝陶瓷的材料、形状、介电性能、厚度、高度等元素对磁控管输出阻抗、输出效率的影响。通过优化输出陶瓷的各方面特性提高输出效率，在一定程度上同时也就达到了降低成本的同时提高输出效率的目的。
同时通过对本课题的研究，能结合本科阶段所学真空电子技术专业的主要专业课程《电真空材料与工艺》、《微波技术基础》、《真空器件原理》，学到很多真空电子专业理论和实践经验，提高自己将所学知识运用于实践的能力，也是对本科期间所学知识的有效总结。
此外，通过本课题的研究以及论文的撰写，熟悉资料整合的方法，提高分析能力与思维能力。
1.4课题的核心问题及思路
本论文研究的核心问题就是通过HFSS对威特5.8GHZ磁控管输出部分氧化铝陶瓷材料、形状、介电性能、厚度、高度等元素对磁控管输出阻抗、输出效率的影响。通过观察分析仿真结果显示的回波损耗曲线S11，以及电压驻波比（VSWR）的曲线，明确输出效率的高低，最后得出陶瓷输出效率最高时最优化的各元素的特性。通过Ansoft HFSS三维计算软件的优化模拟，对一系列相关的电气参数进行优化对比，挑选出回波损耗较小，驻波比系数较小的输出陶瓷的几何尺寸。
思路：先通过HFSS仿真模拟软件在陶瓷高度、介电性能保持最初始状态不变的情况下改变陶瓷外径，由于内径是固定的，相当于改变厚度，得出S11（回波损耗）、场强分布以及各S参数以得出磁控管输出窗陶瓷输出效率最高时输出陶瓷的厚度。陶瓷高度、介电性能的优化仿真与厚度同理。
最后通过观察分析对比，得出一组最优化（陶瓷效率最高）的输出陶瓷的特性的数据，再通过HFSS优化，与之前得出的S11进行对比并且验证。最后与美的威特现在所用的陶瓷特性进行对比，并写出优化设计方案的可行性分析。
第2章 磁控管研究的理论基础
2.1微波管输出窗
高真空微波管中的输出窗(工作波段为 1~30GHz)将器件内部的振荡电磁能输出到波导系统中，同时窗体和金属管封接，以构成密封的整体结构件。由于输出窗本身的设计尺寸有限 ,窗体一般要承受比较大的能量密度 ,为了避免电、 热击穿 ,在合理的窗结构设计前提下 ,输出窗材料应满足以下几个基本要求：(1)较小的介电常数 和介电损耗tan ,以减少介质损耗造成的热击穿 ,在1~5GHz频率下 ， 为7.8~8.5, tan & 。(2)较高的热导率&(&& ) ,可将介质损耗产生的热量及时传导和释放 ,保证输出窗工作温度的稳定 (3)较好的力学性能。抗弯强度&200MPa。(4)高热抗震性,以防止输出窗焊接时碎裂。(5)易封接,以保证窗口材料与金属管封接时良好的密封性。(6)耐温、 耐腐蚀性能强。(7)材料致密 ,高真空下放气量小。(8)足够的介电强度 ,以防止高频电压击穿。
近年来微波器件输出功率不断增大,微波频段逐渐拓宽，对大功率(输出功率高达MW级)毫米波行波管而言，输出窗所承受的能量密度会急剧增加,其材料综合性能 (导热性能、介电性能、机械性能等 )的指标也相应提高,特别是要求越来越高的机械强度以适应输出窗的薄型化设计[4]。
磁控管能量输出器是把相互作用空间中所产生的微波能输送到负载去的装置。能量输出装置的作用是无损耗，无击穿地通过微波，保证管子的真空密封，同时还要做到便于与外部系统相连接。小功率连续波磁控管大多采用同轴输出在阳极谐振腔高频磁场最强的地方。放置一个耦合环，当穿过环面的磁通量变化时，将在环上产生高频感应电流，从而将高频功率引到环外。耦合环面积越大耦合越强。 大功率连续波磁控管常用轴向能量输出器，输出天线通过极靴孔洞连接到阳极翼片上。天线一般做成条状或圆棒也可为锥体，整个天线被输出窗密封。
输出窗常用低损耗特性的玻璃或陶瓷制成。它不仅是让微波能量尽可能无反射、无损耗的通过，而且要保持微波电真空器件内部处于高真空状态。在输出窗自身结构中，各尺寸参数起着十分重要的作用，直接影响输出窗的工作频率、频带、驻波系数，而陶瓷窗片则影响着微波输出功率承受能力以及真空密封和机械性能。大功率管的输出窗常用强迫风冷来降低由于介质损耗所产生的热量。
输出陶瓷要保持真空绝缘特性还要与排气管和A侧管壳连结，通过天线。威特磁控管的输出部分所用的陶瓷是京sellerA473标准特性的95% 陶瓷，其在高频下具有优良的电气性能，介电损耗小，比体积电阻大、强度高、硬度大、热膨胀系数小，且耐磨耐压冲击性好等优点，现已成为电真空器件中的主要绝缘材料。
众所周知,普通磁控管是常规电真空器件中效率最高者,其效率能够达到 80%以上,通常情况也有 60～70%。本文旨在分别分析输出部分陶瓷的各个参数对陶瓷输出效率的影响，以得到最优化的陶瓷特性提高输出效率。
2.2磁控管的结构及工作特性[5]
磁控管属于正交场微波电子管M(型管)。首先，磁控管内滞留磁场方向总是与磁控管内直流电场的方向相互垂直；其次，在能量交换机理上，M型微波管利用电子丧失的位能，在磁控管中，电子在直流电场、直流磁场和高频电磁场的共同作用下运动，并把电子具有的位能转变为电路上的高频能量。失掉能量的电子以近似于同步的速度打到管子的阳极上。正是由于能量交换机理上的特点，磁控管具有大功率，高效率的特点，而由于相位聚焦的作用，使得正交场磁控管具有极高的相位稳定度。
2.2.1磁控管的结构
一只完整的磁控管主要由如图2-1所示的六大部分组成，即(a)阴极部、(b)谐振系统、(c)输出部、(d)输入电路、(e)冷却部和(f)磁路组成，图2-2是磁控管的组装图。
阴极部主要由钨(W)和钍(Th)合金组成的灯丝、抑制电子发生上下散射的上下封闭端、导线、垫环和绝缘陶瓷组成，它的主要作用是用来发射电子，是互作用空间的一个重要组成部分。为了在排气后吸收管内残留的气体，一般要在上下封闭端上涂抹钦液。磁控管的阴极即电子的发射体,又是相互作用空间的一个组成部分。阴极的性能对管子的工作特性和寿命影响极大，被视为整个管子的心脏。磁控管工作时阴极接负高压，因此引线部分应有良好的绝缘性能并能满足真空密封的要求。为防止因电子回轰而使阳极过热，磁控管工作稳定后应按规定降低阴极电流以延长使用寿命。
谐振系统主要由叶片、阳极桶、交连环和用来耦合能量的天线组成，通常也称为阳极谐振系统。它是一个首尾相连的多腔慢波系统，主要是用来控制谐振频率，对磁控管的品质有重要影响，它也是互作用空间的一个重要组成部分。阳极是磁控管的主要组成之一，它与阴极一起构成电子与高频电磁场相互作用的空间。在恒定磁场和恒定电场的作用下，电子在此空间内完成能量转换的任务。磁控管的阳极除与普通的二极管的阳极一样收集电子外，还对高频电磁场的振荡频率起着决定性的作用。阳极由导电良好的金属材料（如无氧铜）制成，并设有多个谐振腔，谐振腔的数目必须是偶数，管子的工作频率越高腔数越多。阳极谐振腔的型式常为孔槽形、扇形和槽扇型，阳极上的每一个小谐振腔相当于一个并联的2C振荡回路。以槽扇型腔为例，可以认为腔的槽部分主要构成振荡回路的电容，而其扇形部分主要构成振荡回路的电感。由微波技术理论可知，谐振腔的谐振频率与腔体的几何尺寸成反比。腔体越大其工作频率越低。于是，可以根据腔体的尺寸来估计它的工作频段。磁控管的阳极由许多谐振腔耦合在一起，形成一个复杂的谐振系统。这个系统的谐振腔频率主要决定于每个小谐振腔的谐振频率，也可以根据小谐振腔的大小来估计磁控管的工作频段。磁控管的阳极谐振系统除能产生所需要的电磁振荡外，还能产生不同特性的多种电磁振荡。为使磁控管稳定的工作在所需的模式上,常用&隔型带&来隔离干扰模式。隔型带把阳极翼片一个间隔一个地连接起来,以增加工作模式与相邻干扰模式之间的频率间隔。另外,由于经能量交换后的电子还具有一定的能量,这些电子打上阳极使阳极温度升高，阳极收集的电子越多(即电流越大)，或电子的能量越大(能量转换率越低)，阳极温度越高,因此,阳极需有良好的散热能力。一般情况下功率管采用强迫风冷，阳极带有散热片.大功率管则多用水冷，阳极上有冷却水套。
输出部主要由密封环、陶瓷环、扼流套筒和排气管等组成，它的主要作用是和天线组合在一起引出谐振腔内产生的微波能量。本文主要研究输出窗的陶瓷特性。
输入电路主要由电感线圈和穿芯电容组成，用来提供电源、同时由穿芯电容和电感线圈滤除磁控管内产生的1GHz以下的杂波，它由耐高温、耐高压及耐强电流的材料组成。
冷却部主要由散热片组成，它的作用是增加真空管的散热面积，降低磁控管工作时的温度，提高磁控管的工作稳定性和使用寿命。
磁路是由上下两块磁石和极靴组成，用来提供在叶片与阴极组件所在的区域产生微波必须的磁场。磁控管正常工作时要求有很强的恒定磁场，其磁场感应强度一般为数千高斯。工作频率越高，所加磁场越强。磁控管的磁路系统就是产生恒定磁场的装置。磁路系统分永磁和电磁两大类。永磁系统一般用于小功率管，磁钢与管芯牢固合为一体构成所谓包装式。大功率管多用电磁铁产生磁场，管芯和电磁铁配合使用，管芯内有上、下极靴，以固定磁隙的距离。磁控管工作时，可以很方便的靠改变磁场强度的大小，来调整输出功率和工作频率。另外，还可以将阳极电流馈入电磁线包以提高管子工作的稳定性。
图2?1磁控管六大部分结构
图2-2 磁控管组装图
2.3磁控管的原理[6]
磁控管的阴极常为圆筒形，其表面和阳极工作表面同轴的安置。阳极为一首尾相接的谐振腔链，通常叫做谐振系统，有时也简称谐振腔。阴极和阳极之间的空间称为互作用空间。
磁控管工作时，阴极和阳极之间加有几百伏到几万伏的直流电压，同时必须把互作用空间安置在和管轴平行的均匀直流磁场中。所以磁控管工作时，互作用空间内直流电场和直流磁场互相垂直。阴极表面发射的在互作用空间内运动的电子流，首先从直流电源中获得能量，然后在一定条件下，和从阳极渗透到互作用空间的高频电场相互作用，把从直流电源获得的能量转交给高频场，使高频场得到增强。由于磁控管谐振系统首尾相接，易于形成正反馈而产生振荡。高频振荡由噪声到稳定只要很短的时间。贮存在谐振系统中的高频能量，经过能量输出器传送到负载。能量输出器通常有波导型和同轴型两种形式。
在振荡状态下，磁控管互作用空间内的电子的运动决定于直流磁场、直流电场、高频电场以及运动电荷产生的空间电荷场，而电子的运动又直接决定了空间电荷场，并影响高频场的大小。所以在振荡状态下，互作用空间内电子和场的相互作用是一个复杂的自洽过程。考虑高频场尤其是空间电荷场的影响，电子和场的相互作用的严格分析是一个十分困难的问题。为使问题分析简化，通常从研究不计空间电荷时互作用空间内的单个电子在直流电、磁场作用下的运动着手，并由此得出阴极连续发射电子时整个电子运动的定性图像。然后考虑高频场对电子运动的影响，找出电子和场有效换能的条件，以及此时电子运动的大体图像。最后，按照电子运动的这种图像并根据实践结果，对不计空间电荷时所得到的磁控管中电子和场相互作用的某些关系做一些修正，得出一些虽然不够精确，但是能适用于工程计算用的关系式。因此，这样的分析是半定量、半经验的。考虑大幅值高频场以及空间电荷影响在内的磁控管理论称为大信号理论。近代高速大容量数字电子计算机的成就有可能解决这个问题，然而目前用于工程计算还有一定的困难。
为了避免对通信、雷达、导航等信号的干扰，规定了微波加热用的频率，现在最常用的是915（&25）兆赫和2450（&50）兆赫，已达到的最大输出功率，在915兆赫方面实验室水平为100千瓦，生产水平为30千瓦，效率在80%以上。在2450兆赫方面，实验室水平为25千瓦，生产水平为10千瓦，效率超过75%。除了这两个波段外，德国一家公司已经开发出5.8GHz的连续波磁控管，他主要要用在医疗及化学工业中。由于5.8GHz波段的特殊性，也有公司正在研究将其用于微波炉中。目前美的公司也正在加紧这方面的研究，估计很快会有成功的结果。
下表2-1给出威特微波炉用连续波磁控管2M219的典型参数
表2-1 2M219典型性能参数
灯丝电压 (Ef)
灯丝电流 If(A)
阳极峰值电压 ebm(KV)
平均输出功率 (W)
输出效率 &%
阳极电流 Ib(mA)
工作频率 (MHz)
跳模电压 Efm(V)
频率牵引 fpl(MHz)
2.3.1磁控管中的电子运动和能量转换[6]
在磁控管中，可以先研究没有高频状态的情况，也就是&静态&的情况。为了简化模型，先来研究平板系统中电子运动的轨迹。
如图2-3即为在互相垂直的直流电、磁场的联合作用下，不记空间电荷的影响，电子运动的轨迹。
图2-3 磁控管平板系统中电子的运动轨迹
电子从O点向A点运动，
电场对电子加速，速度增加。磁场力总是与速度垂直，其大小与速度成正比，但它不影响电子速度大小，而只决定轨迹曲率。通过A点后，电子就开始反向向阴极运动，电场力为推斥力，到达阴极速度为零。然后重复上述过程。其中
电子受力 (2-2)
电子运动方程 (2-3)
电子位矢 (2-4)
在上述的系统中，
初始条件（t=0）时，
将（2-3）写成（2-4）的形式并将（2-5）、（2-6）代入，求得
其中，回旋角频率 (2-8)
回旋半径 (2-9)
式（2-7）在数学中是一个摆线方程，表示半径为 的圆以角速度 做无滑动的滚动时，圆周上任意一点所描绘出的轨迹。电子的z向漂移速度 与形成摆线的圆的圆心速度相同
每个电子的瞬时速度
由（2-9）式可以看出，当电场一定时，磁场越大，轮摆圆的半径就越小。B为零时，电子的回旋半径就会趋向于无穷。当磁场由零逐渐增大，回旋半径将由无穷大逐渐减小，直到某一磁场的回旋半径 刚好等于极间距离 时，电子擦阳极板而过，很显然在此时，阴、阳极的外电流回路将没有电流通过（ =0），称这种状态为截止状态。此时，因为 ，所以当 = 时，有：
临界磁场 (2-13)
稳态下，不考虑空间电荷时，电子的运动是引导中心的漂移运动与电子绕引导中心的回旋运动的复合，漂移速度 ，在阴极表面回旋速度与漂移速度大小相等而方向不同，电子运动的轨迹为绕阴极的心状线。考虑空间电荷效应时，由于其屏蔽作用，阴极表面漂移速度与回旋速度都很小，在阴极表面附近形成一层绕阴极旋转的电子云，有如车轮的轮毅。越靠近外层电子漂速度越大，电荷密度越小，越靠近阴极电荷密度越大，电子漂移速度越小，电子层的厚度则与外加磁场反口。虽然至今没有公认的严格稳态解，但这种基本趋势己为粒子模拟证实。当绕阴极旋转的电子云与磁控管背景噪声中某一行波场同步时就发生群聚与换能，当且仅当这种换能具有正反馈时，即角向具有重入性，振荡才会最终确立。
磁控管的互作用过程简单描述如下：
假定参与互作用的高频场幅值相对于静态场很弱和电子回旋运动的半径相对于互作用空间很小，考虑电子渡越过程时其回旋运动就可以忽略而只考虑回旋中心的漂移运动。以某一具有相速咋的行波场为观察点，层流外表面上某一电子具有运动速度
式中 、 分别为实验室坐标系下静态场作用于电子表现出的回旋中心漂移速度和行波场作用于电子的运动速度， ， 。当行波场与电子运动同步时，行波场上的观察者就只观察到电子以 速度运动。参照图2-3所示的高频场分布，处于不同高频场相位的电子有不同的运动方向，最终会出现两种情况，打上阳极或回到阴极，但打上阳极电子所交出的能量远大于回轰阴极电子吸收的能量。电子在向阳极的漂移过程中，不断从静电场得到能量，并把此能量交给高频场，漂移速度保持近似不变，从而始终保持了同步条件，保持了在互作用中的有利位置。这一过程中，静电能源源不断地转变为微波能而无需电子有很高的起始速度与剩余速度，这是普通磁控管获得高效率的重要原因。
实际的磁控管是个圆柱系统，&静态&情况下，电子运动轨迹是轮摆线&当一个圆沿另一个圆滚动时，圆周上任一点所描绘的轨迹。在截止状态下，由于阴极连续发射电子，围绕阴极就出现一个旋转电子云，其旋转速度正比于E/B，愈到外层，旋转速度愈大。在实际的磁控管中，必须考虑空间电荷效应和高频场的作用。如图2-4所示：
图2-4 磁控管中电子运动示意图
(a)互作用空间的行波电场与1、2、3、4类典型电子的位置
(b)作用于1、2、3、4类电子上的合成电场E&
(c)4类电子运动轨迹
(d)2类电子运动轨迹
图2-4中1、2、3、4为位于互作用空间内不同位置的一些典型电子。作用于1类电子的合成电场，其方向不变，仅改变了绝对值，比没有高频场时小了些。结果1类电子就落后于行波，并逐渐地朝4类电子的方向偏移。对3类电子，合成电场比静态时稍有增加，所以3类电子运动得稍快，并逐渐地靠近4类电子。而4类电子在合成电场E&的作用下运动。合成电场E&与直流电场在绝对值上差别很小，但方向却稍有偏斜，因而决定轮摆线轨迹的圆不再平行于阴极表面滚动，而沿着与矢量E&相垂直的面行进，即趋向于阳极。这些以4类为中心的群聚电子块，在打上阳极之前，一直处于最大切向减速电场的区域，每经过一个轮摆线振荡，电子都要失去部分位能而靠近阳极，最后到达阳极。因为这些电子失去位能并转交给高频场，故称为&有利&电子。
2类电子，它受到切向加速电场的作用，滚动圆平面朝阴极运动，电子从高频场中得到能量，很快打回阴极，使阴极发热，并产生二次电子发射。因为这类电子从高频场中得到能量，称为&不利&电子。
在整个运动过程中，电子以4类电子为中心群聚，2类电子比例少，加上高频场愈离开阳极愈弱，而电子云的厚度一般比阴、阳极间距离小。所以净的结果是电子块给高频场的能量得到增加。电子块并不改变自己的相对位置，而环绕着阴极旋转，好像旋转的车轮，由阴极向阳极运动的电子块象轮辐，而向阴极返回的电子层就像轮轭。
根据电子和场相互作用的一般原理，在加速电场中运动的电子，其动能增加，电场交出能量。相反，在减速电场中运动的电子，其动能减少，电场得到能量。因此，如果要使磁控管中从直流电源获得能量的运动电子有效地把它的动能交给高频场，就要使得互作用空间内多数电子在打上阳极前有较长时间处于高频减速电场中。因此要求运动电子流群聚，并使群聚的电子块处在高频减速电场中和高频场同步运动。
第3章 磁控管输出陶瓷特性分析
3.1威特磁控管输出窗所用陶瓷的特性
威特输出窗所用的陶瓷是京sellerA473标准特性的95% 陶瓷（介电常数为9.0），下表为威特现在所用输出陶瓷的各项数据（单位：mm）
表3-1 威特输出陶瓷各项数据
H尺寸（高度）
厚度（外径-内径）
轮廓检测仪
输出陶瓷的HFSS模型剖面图如下图3-1：
图3-1 磁控管输出陶瓷的HFSS模型
3.2输出陶瓷
3.2.1陶瓷的材料与分类
陶瓷材料一般分为传统陶瓷和现代技术陶瓷两大类。传统陶瓷是指用天然硅酸盐粉末(如黏土、高岭土等)为原料生产的产品。因为原料的成分混杂和产品的性能波动大,仅用于餐具、日用容器、工艺品以及普通建筑材料(如地砖、水泥等),而不适用于工业用途。现代技术陶瓷是根据所要求的产品性能,通过严格的成份和生产工艺控制而制造出来的高性能材料,主要用于高温和腐蚀介质环境,是现代材料科学发展最活跃的领域之一。下面对现代技术陶瓷3个主要领域:结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷作简单介绍。
结构陶瓷同金属材料相比，陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小(约为金属的1/3),因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合,如电真空器件输出窗、发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。
电真空陶瓷包括氧化物瓷、硅酸盐瓷、氮化物瓷等。
氧化物陶瓷主要包括氧化铝瓷、氧化锆瓷、莫来石、氧化镁瓷、氧化铍瓷。氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题,原料价格低廉,生产工艺简单。氧化铝和氧化锆具有优异的室温机械性能,高硬度和耐化学腐蚀性,主要缺点是在1000℃以上高温蠕变速率高,机械性能显著降低。氧化物瓷主要成分为单一氧化物结晶，结晶相纯度高，含玻璃相少。原料纯度高，烧结温度也高，因此瓷的电、热及机械性能都较好，是电真空器件中用量最大的陶瓷，其中以氧化铝和氧化铍瓷为主，而氧化镁和氧化锆瓷很少应用[7]。
3.2.2电真空器件输出窗用陶瓷
为了满足磁控管在高频，大功率等方面的要求，输出窗用陶瓷应该真空气密性好，介质损耗系数小，强度高，热电性能比较优越。电真空器件输出窗装置中的介质窗 ,系用来将器件内部的振荡电磁能输出到波导系统中去。在输出窗自身结构中，陶瓷窗片起着十分重要的作用，直接影响输出窗的频率、频带、微波输出功率承受能力以及真空密封和机械性能。大功率输出窗的损坏通常是由于陶瓷窗片的破裂、封接漏气等造成的。这是由于物理上陶瓷与金属熔封相对薄弱，当输出窗遇热时产生的应力易于将该处撕裂。更主要是由于陶瓷表面的电场比较强，在实际应用中由于陶瓷表面污染等原因易于击穿。
由于输出装置的尺寸有限，当窗内的能量不能及时输出时，能量密度就会急剧增加，从而造成电磁场强度增加、介质损耗增加，发生击穿、打火以及使窗加热等现象，引起窗内与金属封接处的热和机械的过载，导致窗破坏，使器件损坏 。
能量输出窗能顺利工作的首要条件是在所需波段上有最佳匹配。这就是保证反射能量损耗最小，并相应地导致基波场的畸变减少，从而避免产生电场的过强等现象[7]。
能量输出窗的最佳匹配可以通过正确地选择窗的形式、窗壁厚度以及选择介质特性适宜的材料等方法得到。例如，在平板形窗的情况下，最小的能量反射是在介质厚度等于半波长或是半波长的倍数时出现，在偏离这种厚度时反射速度增大并且窗材料的介电常数越大，反射增大越快。如果窗的厚度比波长小很多，则在很宽的频带内能量反射减小，而成为宽频带的窗。
窗片选用陶瓷片，一方面是因为氧化物陶瓷片具有优良的机械性能，另一个很重要的原因是大功率高频信号能穿过它，且插入损耗低。为了使微波输出窗在大功率下不会因热应力过大而损坏，要求材料的介质损耗及二次发射系数尽量小，热传导系数尽量高。在大功率时，窗片处在高场强下，所以要求高的介电强度。从匹配的观点看，希望窗的介电常数小。此外，介质材料要和金属密封，需要有相匹配的膨胀系数。用的最多的是95%~97%氧化铝瓷，能耐高温，机械强度好，容易加工，气密性好，但是它的导热性还不够理想。导热性差造成了窗的中心和边缘之间的热梯度，在应力超过了材料的机械强度时，窗片就会发生破裂。高介电常数陶瓷作为窗片在宽带设计时会使得匹配变得复杂和困难，常常需要利用一些辅助的电抗元件来补偿。
通常对电真空器件输出窗所用电真空陶瓷的技术要求有以下几个方面：
1.低的损耗角正切值
2.低的二次电子发射系数
3.低的介电常数
4.高的介电强度
5.高的热导率系数
6.高的机械强度
7.适当的热膨胀系数和工艺可靠性
8.易于金属化的能力
9.材料均匀，气密性好
要完全符合功率输出窗用陶瓷材料的上述技术要求是十分困难的，因而研究和开发输出窗材料和结构设计是有很好的实际意义[8]。
目前，输出窗材料主要有 、 、BN、AIN、化学气相沉积(CVD)金刚石等，下面将几种输出窗材料的性能以及研究现状进行概述。
(1)熔融石英：
熔融石英具有相当高的微波透过率、抗热震性和适宜的介电性能，故常被用来制备输出窗。但熔融石英机械强度和硬度太低，抗裂性差，且有相当高的热磨损，导热性能差。
氧化铝陶瓷强度大，热导率 ，介电常数9~10(10GHz)，适于制备中小功率输出窗。 陶瓷是电真空器件中最常用的陶瓷，很据 的含量不同，它又可以分为：
(a)75瓷。 含量为75%，瓷的外表不太洁白，有些粗糙，瓷内含玻璃相较多，因此介电损耗较大。75瓷主要用作无线电元件而很少用在电真空器件内。
(b)95瓷。 含量在92%~97%之间的氧化铝瓷称为95瓷，外表洁白，有些配方中加入了0.5%~2%的 ，则陶瓷呈玫瑰红色。95瓷的膨胀系数和介电损耗都比75瓷低，而导热性能和介电强度则比75瓷高，因此它是国内外微波管的主要用瓷。根据化学成分不同又分为 - - （简称CAS）系， - - （简称MAS）系和 - - （简称CMAS）系三个系列。CAS系的 瓷料比MAS系瓷料的烧成温度低，但是CAS系瓷料的晶粒度粗大，而且常常在粗大的晶粒中包裹着气孔，组织结构较差，耐酸能力也差。MAS系瓷料晶粒度小，具有比较细密的组织结构，耐酸能力也较强，但是 值比CAS系大得多，CMAS系则兼有两者的优点。
(c)99瓷。 含量达到99%，介电性能和强度比95瓷又有提高，但也使得研磨加工更加困难，加之烧成温度的提高带来成本的增加，因此99瓷仅用于电真空器件中的关键部位。
(d)透明刚玉瓷。 含量达到99.9%，烧成温度达到1800摄氏度，这种词的性能非常好，特别是高频损耗比95瓷要低一个数量级，导热率又高，化学稳定性好，但是成本高，对于大规模生产的威特磁控管不宜使用。
(e)宝石。单相刚玉通常称为宝石，这是一种以单晶形式生长的 含量在98.98%~99.992%的 单晶体。纯的 是白色透明体，称为白宝石，掺入少量钛和铁的单晶呈浅蓝色，称为蓝宝石，而掺入微量铬的单晶呈红色，称为红宝石。宝石具有优异的性能，很高的机械强度、耐高温、耐电子轰击、很低的介电损耗、导热性与金属钛和不锈钢相当，但是它的价格昂贵，用于威特磁控管不太现实。宝石可以作为毫米波大功率微波输出窗、螺旋线夹持杆，常用于红外激光器、大规模集成电路外延的衬底、光学传感器、光通信器件的窗口、声表面波器件。
在室温下以 的形式存在，是唯一具有六方钎锌矿结构的碱土金属氧化物，具有强共价键，平均原子量很低。其膨胀系数、介电强度、介质损耗都与 瓷接近，机械强度略低于 瓷，可见该材料具有优异的低温导热性能，也是一种低损耗、高导热的绝缘材料。 瓷的不足在于其热导率随温度的升高而显著降低，高温导热性能差且气密性差，机械强度较 低，难以满足大功率高频输出窗对材料的要求。另外，由于其毒性较大，可以通过皮肤接触和呼吸道使人体中毒，现在许多国家已经立法禁止 的生产和使用。随着材料的发展和环保要求的提高，可以预计 材料将逐渐被淘汰。
(4) 氮化硼(h-BN)
h-BN属于六方晶系层状结构，是典型的各向异性材料，在平行于沉积面方向上抗弯强度为44MPa，有较高的热导率( )，低的热膨胀系数( );垂直于沉积面方向的热导率较低、介电常数和介电损耗较低，具有高的抗压强度等。并且该材料的热导率随温度的变化较小，稳定性较高，故h-BN适于用作输出窗和夹持杆材料。
目前BN的制备方法主要有化学气相沉积法(CVD)和热压烧结法。化学气相沉积BN(CVD-BN)是毫米波输出窗的研究热点之一。该陶瓷纯度高，可达到99.99%，不存在晶界相，晶粒细小，致密性好，真空气密性，在高频下有很好的介电常数温度和频率稳定性（介电损耗tan 在0~1375 之间的最大值仅为 ，26.5~40GHz频率范围内的介电常数基本处于4.2~4.45），这极大的提高了输出窗的工作稳定性。
此外，在磁控管中，用玻璃作输出窗的材料，制造较方便。但在X波段，平均功率超过500瓦时就必须采取冷却装置，或选用其它材料。在功率较大的磁控管中，应采用性能好的介质材料，如陶瓷等。对于高功率，氧化铍瓷是最好的材料，它的导热率最高(接近金属的导热率)，允许的工作温度高，介质损耗小。其缺点是，制造设备较复杂。除氧化铍瓷外，高纯度氧化铝瓷也是做窗的好材料。石英由于有低的介电常数和损耗角，对于窗的应用也是有利的，但在热膨胀、机械强度和导热率方面受到限制，而且与金属封接也较用难。蓝宝石耐高温性能好，能耐电子轰击，试验表明，蓝宝石窗边缘与窗中心的温度差最小，但其价格比较昂贵，只在比较特殊的情况下才使用。近来发展的新材料氮化硼也有应用，它有各向同性和各向异性两种。其中性能较好的是用化学蒸发沉积（气相沉积）制成的各向同性氮化硼。其特点是介电常数低(3.4)，介质损耗小，软化点高(3000摄氏度)，二次发射系数低（1.8~2.5）。低的二次发射系数在高功率输出窗中有很大的意义，因为二次电子倍增效应常常是引起微波窗击穿的主要原因之一。为了减少二次电子倍增效应，除采用低二次发射系数材料外，还可在窗旁边附加一磁场，使电子偏离输出窗，从而避免二次电子倍增现象。下图3-2列出集中材料的性能[9]。
图3-2 电真空输出窗用材料性能
第4章 HFSS仿真软件简介
高频结构仿真器(High Frequency Structure Simulator,HFSS)是一款界面友好、功能完备、采用有限元法的三维全波电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场 ,能直接得到谐振频率、特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果，可以按用户指定的精度计算多端口结构端口处的S参数，本文主要是通过HFSS11对输出陶瓷进行仿真，以观察端口处的S参数。
HFSS是一个用于任意三维无源器件的高性能的全波电磁（EM）场仿真器，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，也是三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。全世界成千上万的工程师利用HFSS设计最先进的电子设备，例如射频(RF)和微波部件、天线和天线数组、高速集成电路(ICs)、印刷电路板(PCBs) 和IC封装。HFSS在提高设计性能和减少制造成本的同时，还大大缩短了研制时间。它广泛应用于航空、航天、电子、物理、半导体、计算机、通信等多个领域。
Ansoft HFSS使用有限元法（FEM），自适应划分网格和杰出的图形界面。HFSS在强大、直观的环境下为研制微波、射频，高速数子部件及系统，提供了无可匹敌的精确度。Ansoft HFSS的数据管理和设计自动化优势使V9成为最可行的通用电磁设计解决方案。
HFSS能进行全面的全参数化设计，从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后处理。该软件强大的参数化三维建模能力，和高性能的图形能力，大大节省了工程师的设计时间。直观的分析设置和高级的分析控制确保在全自动化方式下获得设计师所希望的设计结果。利用 Optimetrics可自动实现最优化和参数化扫瞄设计。
为了计算一个具有几个端口的结构的S参数，当确立求解模式之后，HFSS首先就是建立该结构的三维模型，把该模型分成有限元的网格；其次在每个端口处计算模型；然后假定一个时间只有一个激励端口，计算结构内的电磁场参数；最后在反射和传输均存在时计算S参数。设计的陶瓷输出窗可以近似看做两端口网络，通过形状的设定，端口以及边界条件的定义，在我们所要求的频带内设置优化条件，使软件计算在一定条件下收敛，比较得出最优的结果。最后利用HFSS强大的后处理器，做出场型动画图，电场、磁场、Poynting矢量、热量耗散和分布图形。
HFSS有多个机制允许工程师们根据自己的需要去制作用户特定的设计流程。窗口、对话框、工具栏、甚至菜单均可被用户通过配量缺省来支持个性化参数定义。使用者可通过主菜单、工具栏、项目树和文本栏来灵活操作界面命令。另外，通过脚本语言VB和JavaScript全面控制HFSS和专用化定制。脚本也能支持强大的宏记录，可以用来定义参数化几何结构，执行用户分析流程或控制从开始到结束的整个设计流程[10]。
经过二十多年的发展，HFSS以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。
(1)射频和微波器件设计 　
HFSS能够快速精确地计算各种射频/微波部件的电磁特性，得到S参数、传播特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标，并进行荣差分析，帮助工程师们快速完成设计并把握各类器件的电磁特性，包括：波导器件、滤波器、转换器、耦合器、功率分配/和成器，铁氧体环行器和隔离器、腔体等。
(2)电真空器件设计 　
在电真空器件如行波管、速调管、回旋管设计中，HFSS本征模式求解器结合周期性边界条件，能够准确地方针器件的色散特性，得到归一化相速与频率关系，以及结构中的电磁场分布，包括H场和E场，为这类器件的设计提供了强有力的设计手段。
(3)天线、天线罩及天线阵设计仿真 　
HFSS可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能，精确方针计算天线的各种性能，包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S参数等。 　
(4)高速互连结构设计 　
随着频率的不断提高和信息传输速度的不断提高，互连结构的寄生效应对整个系统的性能影响已经成为制约设计成功的关键因素。MMIC、RFIC、或高速数字系统需要精确的互联结构特性分析参数抽取、HFSS能够自动和精确地提取高速互联结构、片上无源不见及版图寄生效应。
(5)光电器件仿真设计 　
HFSS的应用频率能够达到光波波段、精确仿真光电器件的特性。
第5章 输出陶瓷的HFSS模拟仿真
5.1磁控管输出部分HFSS模型
下图5-1为磁控管输出结构整体模型剖面图，各个尺寸都是根据威特5.8GHZ连续波磁控管的实际尺寸来建模的，氧化铝陶瓷的外径为8mm，内径6mm，高度10mm，陶瓷材料为92%的氧化铝陶瓷。
图5-1 磁控管输出结构整体模型剖面图
图5-2 磁控管输出结构整体模型3D图
5.2回波损耗
入射波与反射波的比值叫回波损耗。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。一个15dB的回波损耗，其反射波功率比入射波功率低15dB ,回波损耗一般是频率的函数，是表示信号反射性能的参数。
回波损耗的一个等效测量是电压驻波比(VSWR)。VSWR是入射波与反射波的电压比，无限大的回波损耗相当于电压驻波比为理想的1，现实中的常大于1。
在HFSS仿真模拟中，S11就是输入回波损耗，回波损耗RL=-S11[11]。
所谓S参数，就是散射参数，即反射和传输系数，用于衡量高速(RF)器件和传输线之间的阻抗匹配情况。S参数的原文名称是&Scattering-Parameter&。 电磁能量是在空气等介质或导体中以电磁波形式传送，电磁波会因为回路特性阻抗的不匹配而产生信号反射。当回路内有无数个信号反射时，电磁能量分布与时间的变化就显得相当复杂[12]。
S参数（S11、S21、S12、S22），S11表示输入回波损耗，也就是有多少能量被反射回源端，这个值越小越好，一般建议S11&0.1，即S11&－20dB。S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，越大传输的效率越高，一般建议S21&0.7，即－3dB。
5.4 HFSS模拟仿真
通常输出窗是作为一个单模传输系统，可以把它看成一个线性近似互易网络。于是陶瓷输出窗可以看成是一个两端口网络，只要反射参数S11和传输参数S21被确定，输出窗的外部特性就可以完全确定。而Ansoft HFSS软件正好适合输出窗S参数的模拟计算。
影响磁控管输出性能的主要因素有：
1.输出窗陶瓷和耦合天线的位置，即陶瓷和耦合天线所在谐振系统中的相对位置是否合适，若圆筒型输出陶瓷对称放置，这时通常输出窗两端采用尺寸相同的矩形波导，这种输出窗频带较宽，是比较常见的一种输出窗结构。若输出窗为非对称窗，这时输出窗两端的方波导尺寸也可能不相同。
2.输出窗陶瓷的几何形状和尺寸。输出窗可以选择为圆筒状，即普通盒形输出窗，也可以是其它形状，比如球冠状、圆锥形或三角形、五边形，它的结构如何选取主要决定于输出微波功率、频率、频带宽度和匹配性能。威特磁控管的输出窗为圆筒型，这时陶瓷窗片的直径是决定输出窗性能的主要因素之一。由于窗片熔封在圆波导中，如果窗片的直径过大，则圆波导的直径也相应变大，高次模不容易截止。窗片的直径过小，对传输高功率不利，同时矩形波导与圆波导的连接也不易做到宽带匹配，一般选取圆波导的直径等于矩形波导横截面的对角线。 ，式中D是圆波导直径；a和b分别是矩形波导宽边和窄边的尺寸。
3.输出窗陶瓷的材料。窗片材料的介电常数和损耗系数既影响输出窗的频带特性和驻波比系数，又影响输出窗的热耗散特性和散热能力，同时对金属陶瓷封接强度和应力平衡必须充分考虑。在微波波段常用的输出窗窗片材料有氧化铝、氧化被、氮化硼等。二次电子倍增是影响输出窗工作稳定性的重要因素，实际应用中输出窗真空一侧涂覆低二次电子发射的物质[13]- [16]。
5.4.1对陶瓷高度变量进行改变
陶瓷外径、介电常数保持不变，对高度变量进行改变，得出相应的S11曲线，下图5-3为H=8mm时的S11曲线图，S11=-59.2dB
图5-3 H=8mm时S11=-59.2dB
通过一系列的改变变量模拟优化得出H=10mm，VSWR=1.0018，S11=-60.8dB，回波损耗最小，反射系数最小，匹配性能最好，所以陶瓷输出效率最高， S11曲线如下图5-4所示，此时的相应的场分布如图5-5所示：
图5-4 H=10mm时S11=-60.8dB
图5-5 H=10mm时的场分布图
其它数据如下表5-1所示：
表5-1 陶瓷高度变量与S11
陶瓷高度(mm)
回波损耗S11(dB)
下图5-6是高度H与回波损耗S11中间比较直观的散点图。
图5-6 陶瓷高度H与S11的散点图
结论：H=10mm时，S11=-60.8dB，VSWR=1.0018，回波损耗最小，反射系数最小，匹配性能最好，所以陶瓷输出效率最高。
5.4.2对陶瓷介电常数变量进行改变
氧化铝陶瓷的介电性能（介电常数、介电损耗、介电强度）主要取决于主晶相（ ,俗称刚玉相）的物理特征。介电常数是表征介质在外电场作用下极化程度的物理量，是电容器极板间充满电介质时,电容增大的倍数。在化工中一般使用相对介电常数来表征电介质或绝缘材料电性能，一般化工文献中，往往使用&介电常数&代替&相对介电常数&。陶瓷材料作为一类重要的电介质 ,其特点是在场的作用下能产生感应电荷 ,建立极化电场。介质总极化一般包括:电子极化、 离子极化和偶极子转向极化。介电常数是三种微观物理过程的综合反映，它是频率的函数。
微波频率范围内，宏观上氧化铝陶瓷的介电常数主要取决于纯度和致密度。Maxwell从理论上导出了两相材料介电常数的表达式，介电常数为 第二相球形颗粒均匀分散在介电常数为 的基体相中，则混合相的介电常数可表示为[11]：
介电损耗是电介质在交变电场中,由于消耗部分电能而使电解质本身发热的现象。电介质在电场作用下产生的能量损耗主要有两种形式:一种是建立各种介质极化引起的电流 ,称为极化损耗；另外一种是介质的电导(漏导)引起的电流 ,称为电导损耗。电介质的介质损耗常用损耗角( )来表示 ,损耗角的正切值(tg )等于损耗项与电容项的比值[12] 。和 一样 ,tg 也是频率的函数。
介电强度是一种材料作为绝缘体时的电强度的量度。它定义为试样被击穿时，单位厚度承受的最大电压，表示为伏特每单位厚度。物质的介电强度越大，它作为绝缘体的质量越好。
现在通过改变陶瓷的材料与介电性能进行优化模拟，而高度H与厚度均不变，最初始的陶瓷为92%的氧化铝陶瓷，介电常数8.8，模拟得出S11=-60.9dB。再增大氧化铝陶瓷的纯度，变为95%氧化铝陶瓷，介电常数9，得出S11=-61.8dB。VSWR=1.0018，通过一系列的优化仿真，得出氧化铝含量在95%的时候，回波损耗S11最小，陶瓷效率最高[17]。其它数据如下表5-2所示：
图5-7 95%氧化铝陶瓷的S11曲线
表5-2 陶瓷材料与介电常数变量与S11的关系
回波损耗S11(dB)
alumina 92pct
alumina 95pct
alumina 96pct
alumina 99pct
结论：氧化铝陶瓷纯度为95%，介电常数为9时，回波损耗S11=-61.8dB最小。VSWR=1.0018，陶瓷效率最高。
5.4.3对陶瓷厚度变量进行改变
陶瓷片的厚度d影响输出窗的中心频率，而它在圆波导段中的相对位置则影响驻波比小于1.1的频带宽度。从输出窗匹配的角度看，希望陶瓷窗片尽可能薄，但从结构和封接的角度，陶瓷窗片又不能取太薄。
最初始状态为H=10mm，外径R=8mm,内径r=6mm，厚度=2mm，此时S11=-60.1dB，通过一系列仿真优化，得出R=7.9mm，厚度=1.9mm时，回波损耗S11最小，效率最高。其它各项数据如表5-3所示，R=8mm与R=7.9mm时的S11曲线分别如图5-8与5-9。陶瓷厚度变量与相应的S11的散点图如图5-10所示。
表5-3 陶瓷厚度变量S11
陶瓷外径 (mm)
陶瓷厚度(mm)
回波损耗S11(dB)
图5-8 陶瓷外径R=8mm时的S11
图5-9 陶瓷外径R=7.9时最优效率时S11
图5-10 陶瓷厚度变量与相应S11的散点图
结论：输出陶瓷厚度为1.9mm，外径R=7.9mm时，回波损耗S11=-61.6dB最小，陶瓷输出效率最高。
第6章 结论
综上所述，输出陶瓷的整体最优效率最高的时候其各项参数分别为：高度H=10mm，外径R=7.9mm，厚度为1.9mm，氧化铝陶瓷的纯度为95%（95瓷）。此时的S11=-62.55dB，回波损耗达到最低，输出效率达最大值。
图6-1 最优效率时的S11
图6-2最优效率时的S21
本文从改进和提高磁控管输出效率出发，虽然影响磁控管效率的参数还很多，本论文模拟的也只是陶瓷的输出效率，通过Ansoft HFSS软件的数值模拟和优化，发现磁控管输出窗陶瓷的材料、几何尺寸、介电性能的优化均能提高其输出效率，从而提高磁控管的输出效率。
本文所得的一组使得效率最高的最优化的参数与威特现在所用陶瓷的各项参数几乎吻合，情况如下：威特所用的输出陶瓷为介电常数为9的95%氧化铝陶瓷，厚度2mm，外径8mm，高度10mm，我所得的结果只有外径变为7.9mm,厚度变为1.9mm。
结合美的集团威特公司当前迫切需要解决的问题：从优化现有磁控管结构来减少材料的用量以及提高输出效率和可靠性，从而达到降低成本、提高质量的目的。本课题还可以尝试改变输出陶瓷的几何形状（比如圆锥形输出窗）以减少陶瓷用量，节省成本，提高效率。同时，输出窗部位的端部空间尺寸优化、天线在谐振系统中的位置都是与磁控管输出效率息息相关的。
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首先要感谢指导老师电子科技大学物理电子学院李承跃老师的严格要求和悉心指导。感谢HYTORC公司的李小庆、蒋秀利经理能让作者在繁忙的实习期请假做毕业设计。感谢08年暑假在美的威特公司实习时给予指导的王彩育、王贤友、廖锋工程师以及技术部的全体员工。
感谢所有参考文献的作者们，他们的辛勤工作和成果给了本文工作以很大的帮助和启发。
同时感谢母校电子科技大学四年的培养，感谢曾经教育和帮助过作者的所有老师，感谢同窗四年的真空电子班的全体同学。
最后衷心感谢在百忙之中抽出时间参加论文评阅和评议的各位老师，感谢你们为审阅本文所付出的辛勤劳动。
外文资料原文
How actually does the microwave oven works
The operation of a microwave oven is really very simple. It consists of two main parts: the controller and the microwave generator.
1.The controller checks the safety interlocks, temperature limits and then sets the time for cooking by turning the microwave energy on and off. Power level is determined by the ratio of on time to off time in a 10-30 second cycle.
2.The microwave generator takes AC line power, steps it up to a high voltage, and applies this to a special type of vacuum tube called a magnetron which releases the microwave and the guide transverses the energy around the cavity.
1.Controller
The controller usually has an electronic PCB with Controls or simply mechanical timers. The controller runs the digital
sets mi and in high performance ovens, monitors the moisture or temperature sensors.
Power level is set by pulse width control of the microwave generator usually with a cycle that lasts 10-30 seconds.
For example,
(1) HIGH will be continuous on,
Figure 1: Continuous ON at Full Voltage Vcc
(2) MEDIUM may be 10 seconds on, 10 seconds off,
(3) LOW may be 5 seconds on, 15 seconds off.
The operating voltages for the controller PCB usually are derived from a step-down transformer which is mounted on the PCB itself. The controller activates the microwave generating circuitry using either a fast acting relay or triac.
(Note: in all our Microwave ovens we do not use the Triac but we use the fast acting relay.)
There are generally two thermostats in any microwave oven. One is located on the magnetron which generates the microwave energy and the other is placed on the Chamber cavity. If the temperatur
回答者:钱玉涛
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