微波的產生

微波的產生

    微波能通常由直流電或50Hz交流電通過某一特殊的器件來獲得。雖然產生微波能量的器件有很多種，但主要是電子管和半導體器件。在電子管器件中能產生大功率微波能量的主要有磁控管，速調管，微波三、四極管等等。相比之下，由于微波三、四極管本身結構較為復雜，使用時還要外加諧振腔，而且頻率在900MHz以上要獲得千瓦以上的功率比較困難，因此限制了它在微波加熱上的應用，半導體器件在獲得微波大功率方面與電子管相比至少相差三個數量級，無法獲得幾十千瓦的微波功率。因此，在目前和將來的一段時間內，微波加熱領域特別是工業運用中，主要使用的是磁控管和速調管。

    1.磁控管的結構

    磁控管通常具有一個以高導電率無氧銅做成的陽極、一個發射電子的直熱式或間熱式陰極。

    陽極同時又是產生高頻振蕩的諧振問路，類似于高頻發射機中槽路的職能。在陰極與陽極之間是電子作用空間。在這一空間上，要加有均勻的、與陰極軸線相平行的強磁場。磁場通常由兩種方式來產生。在小功率磁拄管里往往采用永久磁鐵，大功率磁控管則更普通地使用電磁鐵c微波能量的輸出一般有3種形式，(1)同軸輸出；(2)波導輸出；(3)天線輻射器一轉換到波導。

    為了保證作用空間的磁場均勻及減少磁漏，在磁控管的兩端帶有軟鐵制成的磁極并構成電子管外殼的一部分。磁控管陰極根據不同的設計通常有以下幾種形式；

(1)氧化物陰極；

(2)以鎢為基體滲有活性物質的陰極；
    (3)社鎢陰極；

    (4)純鎢陰極。

    其中，(1)、(2)種陰極常做成間熱式。(3)、(4)種常做成直熱式：

    2.磁控管的工作原理

    當磁控管陰極與陽極問存在著一定的直流電場時，從陰極發射的電子受陽極亡正電位加速而向閱極移動，移動速度正比于電比的二分之一次方。出于空間存在著磁場，磁場方向正好與電場方向垂直，同時也與電子運動方向垂直。眾所周知．當帶電體在垂直磁場中運動時，將受到磁力的作用、該作用力與磁場及電子的運動方向垂直。因此，當電子離開陰極向陽極移動時受到磁力的作用，結果使電子偏離原來的方向而呈圓周狀運動。不同的磁場及電場比值使電子只行不同的圓周運動半徑。顯然，過低的電場或過高的磁場，使電子飛離陰極繞圓弧運動后仍然回到陰極。在某一特定的電壓及磁場值．正好電子能繞陰極旋轉(可以大致認為運動的圓周半徑大于陰極的個徑而小于陽極的半徑)。在這兩種情況下，雖然在陰極和陽極間加有自流電壓，但是在外電路里將不出現陽極電流。只有當陽極電壓超過某—電壓值時，在外電路里才會出現電流。這一狀態稱之為臨界狀態。如果陽極電壓繼續升高，那么電子運動的半徑超過了陽極半徑，電子在作用空間又不能繞圓周運動而是直接打到陽極上去。我們需要的也就是能進行能量交換的只是電子能繞圓周運動的狀態。諧振腔類似于高頻發射機中電感線圈與電容器所組成的諧振回路或稱“槽路”c在磁控管工作時，相鄰諧振腔高頻磁場方向相反，其翼片上的高頻電場方向也相反。即在二相鄰諧振腔間有180度的相位差。因此，可以認為，在陰極面上發射的電子，如果是處于正電場的冀片為負的位置，電子就比沒有高頗場時饅。當電子受磁場作用力而繞反時針方向旋轉時，正高頻場附近出發的電子將會追趕負高頻場附近出發的電子。相反，負高頻場附近出發的電子則由于減速，而好似在等待追上來的電子。其結果便是在作用場空間出現運動的電子“云集”現象，這種密集的電子云，沿著陰極軸心而旋轉著。

    要維持高頻振蕩，還必須使電子云的旋轉有一定的速度，使電子從這一翼片飛到下一翼片時，翼片上的高額場正好改變—次方向，即所需時間為振蕩周期的二分之一。為使電子獲得這一速度所要加的陽極電壓稱為同步電壓。

    現在再看一看陽極板上諧振腔的作用。磁控管有10個諧振腔、每一個當電子旋轉到諧振腔冀片附近時，如果正好翼片處于負高頻場，那么將對電子呈排斥作用而使電子速度降低，由于電子降低速度而喪失的能量實際上激勵了高頻場，從而將能量交給了高頻場，即運動的動能轉化為磁場的勢能。電子向陽極飛去。當然，在磁控管中，電子并沒幢到陽極亡．而是由于受磁場作用人重新返回到陰極附近，它的動能又變成了勢能，這樣一來重又受陽極電壓的加速而飛團陽極進行第二次能量交換。但必須注意到，每次進行能量交換，都有一個能且損失，直到最后，電子的位能越來越少而飛不動，落到陽極上而將剩余的能量變成熱能耗散在陽極上。但也有這樣一些電子，從陰極出發不是把能量交給高頻場，而是從高頻場得到加速，吸取了部分高頻能量，從而使其受磁場作用力回到陰極時速度仍大于零，它便向陰極撞擊而使陰極獲得額外的熱量。即回轟陰極現象。回轟陰極的功率與磁控管輸入功率及輸出回路的負截駐波大小有關。在輸出回路負載失配情況下，過大的回轟會使陰極過熱以至縮短管子的工作壽命，甚至可能將陰極燒毀。因此，當同一只磁控管工作卡：不同的功率時，必須根據規范加不同的燈絲電壓c