[發明專利]一種實現磁控管輸出脈沖微波的電源及其控制方法

有效

• 申請號: 201610112791.6
• 申請日: 2016-03-01
• 公開（公告）號: CN105790630B
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 陳文光;丁德馨;胡南;何四軍;胡波;李廣悅
• 申請（專利權）人: 南華大學
• 主分類號: H02M11/00
• 分類號: H02M11/00;H05B6/66
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

本發明涉及一種實現磁控管輸出脈沖微波的電源及其控制方法。一種實現2.45GHz磁控管輸出脈沖微波的電源包括：燈絲電源、陽極負高壓電源和控制器。在不改變陽極散熱冷卻的情況下，實現2.45GHz磁控管陽極供電高壓電源在一定重復脈沖頻率、占空比可調制輸出，以實現微波產生時間精確可控及輸出功率的最大化，并通過控制實現2.45GHz磁控管輸出功率多管的合成，以滿足工業大功率微波輸出的需求。

技術領域

本發明涉及2.45GHz微波磁控管實現輸出脈沖微波的供電裝置及其控制方法。將常規2.45GHz磁控管陽極高壓改用脈沖供電方式，輸出微波功率將增大2~8倍。不但適合常規“熱效應”方式加熱物料，對溫度可以精確控制，也適用于對被處理物使用微波的“非熱效應”顯著的某些場合，能夠大大減少能源損耗。

背景技術

隨著微波技術的快速發展，微波加熱廣泛運用于各個行業中。微波加熱因具有加熱均勻、加熱速度快、效率高、保持處理物原有成分不變等特點，逐漸取代傳統的由表及里的加熱方式。

微波與物質的相互作用中，單位體積內吸收的微波功率與材料的介電系數ε、介質的“損耗角正切”、微波頻率以及電場強度的平方成正比。所以微波加熱具有就地發熱，不需要經過遠距離傳輸；不同物質的介質的“損耗角正切”不同，越大，表明吸收微波的能力越強，因而微波加熱具有 “選擇性”加熱的能力；電場強度越大，在其它參數不變的情況下，吸收的微波大大增加，溫度改變更快；同時頻率越大，溫度上升的效果明顯。在其它情況相同的條件下，故使用2.45GHz的磁控管微波的加熱效果是915MHz的約三倍。另外微波的穿透深度，（為微波波長）表示微波穿透到物質內部的本領，有86.4%的微波能在這個深度內需要轉化為熱能。在其它條件不變的情況下，頻率越大，穿透的深度越小，這部分的物質受熱后溫升比其內部高，產生了內外溫差。根據微波作用機理可分為“熱效應”與“非熱效應”兩種方式。

不同的物料因吸收微波的性能不同，在“熱效應”應用方面有很大的差異，其表征宏觀參數為溫度。對于2.45GHz磁控管而言，其磁場由永磁材料產生，強度不能改變，只能通過改變磁控管陽極供電方式才能達到影響電場強度的大小，從而達到溫度的細微、精確的調節。另一方面在微波的“非熱效應”應用方面。從機理上講，“非熱效應”就是利用不同物質的或部件之間的介電常數、損耗角正切的不同，吸收微波的性能不同，或者利用微波穿透深度不一樣，產生應力變化，改變結構；或者利用微波的很強的電場強度。這種效應需要足夠大的微波功率或者電場強度，但作用時間短。長時間也許會改變物性或者結構。

2.45GHz微波磁控管為連續微波發生器，其供電分為陽極負高壓電源與燈絲加熱電源兩部分。燈絲發射熱電子，陽極高壓電源在磁控管陰陽極之間產生足夠強的電場使熱電子向陽極發射，熱電子在進入陽極附近正交的電磁場中高速回旋實現動能向微波能的轉換。傳統的2.45GHz微波磁控管采用工頻變壓器供電，使用降壓繞組供給燈絲，同時使用升壓繞組二倍壓整流后得到高壓。或使用高頻開關電源技術，產生持續的高壓和燈絲電壓。前者具有體積大、笨重、輸出紋波大、動態響應速度慢等缺陷，后者雖然能夠克服工頻變壓器電源的缺陷，但是輸出電壓為平穩直流，二者都存在無法實現微波輸出的最大功率化及微波工作時間不能精確可控的缺陷，更不適合對被處理物“非熱效應”顯著的場合。傳統的供電方式會造成大量的能量損耗。同時工業2.45GHz微波磁控管輸出功率通常僅為1個多千瓦，不能滿足工業大功率微波輸出的需求，限制了2.45GHz微波在工業上的運用范圍。而高功率脈沖磁控管整套系統成本高、復雜，常應用于雷達技術、加速器、可控核聚變研究和軍事領域，單管微波輸出在幾十千瓦至幾百兆瓦之間，時間在幾十納秒至幾秒之間，功率越大，時間越短。市場上因缺少價格合理的大功率脈沖微波，一定程度上阻礙了微波“熱效應”與“非熱效應”的應用進程。所以開發如何利用常規工業磁控管實現大功率的脈沖微波源技術是關鍵的問題之一。