磁控管的工作特性

（一）工作特性

所谓工作特性，一般是指施加在元器件上的工作电压与所产生的工作电流之间的函数关系。但如前所述，磁控管内存在着非常复杂的电磁转换关系，我们不可能用简单的输入电压与输出电流之间的变化规律来描述一只磁控管的工作特性，因而也就不可能推导出足够准确的计算公式。通常，是在负载匹配的情况下，以阳极工作电压为纵坐标，以阳极工作电流为横坐标，由生产厂家通过实验测量并据实绘制等磁通曲线、等功率曲线和等效率曲线。通过这三组曲线，可以比较完整地展示一只磁控管的基本工作特性，为磁控管的选用与调试工作提供可靠的理论依据和真实的实测数据。下面，我们通过厂家提供的一张型号为M5028的工作特性曲线图（图2-9-14）来分析研究磁控管各项参量之间的变化关系，以此来理解磁控管工作特性的真正含义。

图2-9-14　M5028工作特性曲线

纵坐标为峰值脉冲电压（VA），单位是千伏（kV）；横坐标是阳极脉冲电流（IA），单位是安培（A）

M5028是一种标称脉冲功率为5兆瓦（MW）、最高可达6兆瓦（MW）的大功率微波源，医科达公司的高能医用电子直线加速器就是配用这种类型的磁控管。

由图2-9-14可见，加在这种磁控管上的脉冲电压峰值最高可达53kV；阳极脉冲电流峰值最高可达250A。显然，只有当脉冲电压与脉冲电流大于一定量值的时候，磁控管才能起振，因此各条工作特性曲线都不是从零点开始，图中各条曲线左下端的起始位置就是对这种磁控管的最低脉冲电压和最低脉冲电流的要求，我们分别称其为截止脉冲电压和截止阳极脉冲电流。图中的曲线范围内就是该磁控管的工作区域。下面，将按照等磁通量（等磁场强度）、等输出功率和等输出效率三种不同的输入、输出状态，分别介绍磁控管的基本工作特性。

1．等磁通量工作特性　图2-9-14中从上到下正向斜率较小的四条粗实线构成了一组“等磁通曲线”族，它们表述的是在不同磁通量（磁场强度）条件下，阳极脉冲电流（IA）峰值与脉冲电压（VA）峰值之间的函数关系。由图可见，这种磁控管的最低磁通量是130mT，最高磁通量是160mT，每一条等磁通曲线就代表了一种特定磁通量条件下的脉冲电压与阳极脉冲电流之间的对应关系。可见，在磁通量（磁场强度）不变的条件下，阳极脉冲电流随脉冲电压的变化关系呈近似的正比例关系。但在工作范围内，脉冲电压的少许变化，就会引起阳极脉冲电流的巨大变化；但是，如果同时增加磁通量，就会抑制阳极电流的增长。从另一方面来讲，如果让脉冲电压保持不变，阳极电流就随磁通量的增加而降低。通过以上分析可知，阳极脉冲电流的大小受脉冲电压和磁通量（电场强度）的双重控制，与讲述磁控管工作原理时得出的结论是完全一致的。因此，等磁通量工作特性是磁控管最重要的工作特性。在这里需要特别强调，这种磁控管可以单独施加磁场，但不允许单独施加电场，以免因阳极电流过大而烧坏磁控管。

2．等功率工作特性　图2-9-14中从左到右反向斜率较大的6条粗虚线构成了一组“等功率曲线”族，它们表述的是在不同微波输出功率的条件下，阳极脉冲电流（IA）峰值与脉冲电压（VA）峰值之间的函数对应关系。可见，在固定微波输出功率的前提下，阳极脉冲电流随脉冲电压的变化呈近似的反比例关系。或者当脉冲电压固定不变时，微波输出功率随阳极脉冲电流的增加而增加。由图可见，这种磁控管的最低微波输出功率是1MW，最高微波输出功率是6MW，而且微波输出功率的大小与脉冲电压、阳极电流和磁通量三项主要参数之间存在着复杂的对应关系，必须综合调试才能得到满意的输出功率。

3．等效率工作特性　磁控管的等效率工作特性是指输出的微波功率与输入电功率之间的比例关系。图2-9-14中形状不规则的5条标有百分比的虚线构成了一组“等效率曲线”族。它们表述的是磁控管在不同工作条件下的实测工作效率。这种磁控管的最低工作效率为43%，最高工作效率为47%。通常，不同标称脉冲功率的磁控管具有不同的效率范围，一般磁控管的工作效率为30%～60%。

通过上面的介绍可知，因为磁控管阳极电压与阳极电流的非线性关系，一旦振荡开始，在阳极电流变化很大的范围内，阳极电压基本不变，因此，通常是用阳极电流来表示磁控管的工作状态。另外，为了监视其工作状态是否正常，检测阳极电流也比检测阳极电压更方便，更合适。对一些功率较小的磁控管来讲，一般是采用永久磁铁，所以只能通过调节阳极电压来改变阳极电流，从而选择比较合适的工作点。工作点选定之后，磁控管的微波输出功率和工作效率，以及微波的工作频率也就被确定下来。但需要注意的是，磁控管的工作电流不能选在阳极电流太大或太小的区域。因为阳极电流太大时容易引起管内打火而损坏磁控管；阳极电流太小时，因阳极电压接近门限电压而不容易起振，或者起振之后阳极电压稍有变化就容易停振或跳模而引起工作不稳定，同时，因不能利用回轰现象减小灯丝电流，会缩短灯丝使用寿命，其实也就是缩短了磁控管的实际运行寿命。对一些需要灵活调变微波输出能量的大功率磁控管，必须采用电磁铁，这样，就要通过同时调节阳极电压和磁场强度的方法来选择合适的阳极电流，以确定比较合适的工作点。一般来讲，工作点应选定在工作特性曲线图上工作区域的右上方比较合适。

（二）主要参数

以上是从原理上对磁控管各种工作特性的基本描述，虽然不能推导出统一的计算公式，但在一定条件下，还是可以用一些简单参数来定义磁控管的一些固有特性，以便能够计算与磁控管电源之间的匹配关系。下面简要介绍磁控管工作特性的几个主要参数。

1．静态阻抗Zj　它是所选定工作点的阳极电压与阳极电流之比，一般为几百欧姆（Ω）至一千欧姆（Ω）。这一数值其实也就是阳极电源（脉冲调制器）的负载阻抗。如M5125磁控管的典型工作点是：磁场强度等于155mT，微波输出功率为2．2MW，阳极电压为43千伏（kV），阳极电流为100安培（A），静态阻抗为Zj＝430欧姆（Ω）。

2．动态阻抗Zd　磁控管的等效动态阻抗是在选定点的阳极电压附近，不大的变化量ΔVam与所引起的阳极电流的变化量ΔIam之比。脉冲磁控管的Zd一般比Rj小5～10倍，在相当长的变化范围内变化不大。由脉冲调制器（阳极电源）输出脉冲顶部的波动而引起的脉冲电流与输出功率变化的大小，就是由动态电阻的大小来决定的。

3．电子漂移　虽然磁控管的微波振荡频率主要是由其内部的结构尺寸来确定（见式2-9-15），但是，当阳极电流变化时，也会引起微波振荡频率在一定范围内发生变化，这种现象被称为“电子漂移”。在磁场恒定情况下，由于阳极电流的变化而引起频率变化的电子漂移被定义为每变化1安培（A）所引起的频率变化量（MHz），它是磁控管的重要参数之一。例如，M5193磁控管在工作点（2．6MW）附近，电子漂移为0．02MHz/A；M4543磁控管在工作点（4．8MW）附近，电子漂移为0．01MHz/A。因阳极电流的变化方向有正有负，所以电子漂移也会有正有负。电子漂移现象的存在对微波频率的稳定性具有负面影响，因此，要求阳极电压峰值（顶部）要尽可能平滑，一般要求其变化率不大于1%。