在工業(yè)生產(chǎn)中加熱對象往往體積龐大，微波功率不夠高將直接影響加熱效果，并嚴(yán)重制約生產(chǎn)規(guī)模，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的需求。簡單將多只磁控管作為獨(dú)立微波源進(jìn)行非相干功率合成，造成了功率合成效率低、難以消除磁控管之間相互間的干擾，嚴(yán)重影響微波源的工作穩(wěn)定性和工作壽命，甚至直接損壞微波源。普通連續(xù)波磁控管是一種復(fù)雜幅相特性微波器件，通常其幅度易受工作條件的影響、頻率和相位隨機(jī)變化、幅度和相位變化相互牽連，使得進(jìn)行相干功率合成具有相當(dāng)大的難度。而隨著注入鎖頻技術(shù)的引入，注入鎖頻連續(xù)波磁控管將能很好的解決這些問題，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的相干功率合成，為微波能大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用開辟廣闊的前景。

　　節(jié)能環(huán)保是我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本國策。目前，國內(nèi)鋼鐵、有色金屬、建材、石化、化工和電力六大高耗能行業(yè)能耗已占工業(yè)總能耗的77%，其中5個行業(yè)涉及加熱處理。微波加熱是一種與被加熱物質(zhì)直接相互作用的選擇性加熱方式，具有顯著的高效清潔節(jié)能特點(diǎn)，在化工和冶金等行業(yè)使用微波加熱替代傳統(tǒng)加熱可以極大提高能源的利用率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。目前，在2450MHz頻率段，由于諧振腔內(nèi)部的電場擊穿強(qiáng)度的限制和工作模式對腔體大小要求，大功率連續(xù)波磁控管存在著功率上的極限。國內(nèi)，在2450MHz頻率段單只磁控管的功率只能做到15kW，壽命2000h，輸出功率與壽命非常有限，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的需求。因此限制微波源發(fā)展的主要原因還是功率和壽命等問題。

　　本文首先對注入鎖頻理論進(jìn)行分析，簡單闡述注入鎖頻的機(jī)理。然后結(jié)合目前所掌握的連續(xù)波磁控管制造技術(shù)，通過注入鎖頻技術(shù)的引入，在2450MHz頻段，對大功率長壽命連續(xù)波磁控管的注入鎖頻技術(shù)進(jìn)行理論研究并給出相應(yīng)結(jié)論。最后對今后注入鎖頻技術(shù)在大功率連續(xù)波磁控管方向的應(yīng)用，提出一些建議。

1、注入鎖頻技術(shù)的基本原理

　　穩(wěn)定工作狀態(tài)下的磁控管振蕩器，當(dāng)外加注入一個頻率相近的信號時(shí)，如果注入信號的頻率(該值跟磁控管的工作頻率有關(guān))在磁控管固有振蕩頻率的附近，則觸發(fā)的輸出脈沖相位即由注入信號與正弦形噪聲信號的矢量和決定，當(dāng)然注入信號將會影響振蕩器的工作，使器件工作點(diǎn)偏移到外加信號的頻率點(diǎn)，同時(shí)其高頻場相位也會被外加信號鎖定，即二者相位差不隨時(shí)間變化，從而達(dá)到對器件相位的控制作用。注入鎖頻原理圖如圖1所示。

圖1　注入鎖頻原理圖

　　只有當(dāng)注入信號和振蕩信號的起始頻差小于鎖定帶寬時(shí)，才能得到滿意的鎖定效果，進(jìn)而滿足信號的相干性，而鎖定帶寬和注入功率應(yīng)滿足下列關(guān)系：

　　式中，f0為磁控管振蕩頻率;Qe為磁控管外觀品質(zhì)因數(shù);Pin為注入功率;Pout為磁控管輸出功率。一般Pin是Pout的-10～15dB。

2、連續(xù)波磁控管注入鎖頻技術(shù)

　　連續(xù)波磁控管作為一種高效大功率微波源，是微波能工業(yè)化應(yīng)用的核心器件。在工業(yè)應(yīng)用中，微波的作用對象(負(fù)載)通常是時(shí)變媒質(zhì)，當(dāng)媒質(zhì)特性發(fā)生改變時(shí)，磁控管的輸出功率和工作穩(wěn)定性可能受到影響，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生打火、跳模等現(xiàn)象，此時(shí)微波功率往往不能有效傳輸至負(fù)載，大部分損耗在管內(nèi)，致使諧振腔葉片、隔模帶或輸出天線因損耗過大而損壞。因此，大功率連續(xù)波磁控管的高工作穩(wěn)定性是微波能工業(yè)化應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。注入鎖頻技術(shù)將能很好地解決該問題，通過相干功率合成技術(shù)可大幅提升微波源的輸出功率，滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的需求。

　　在普通連續(xù)波磁控管起振前，先注入一個低電平、高穩(wěn)定度的外部基準(zhǔn)頻率微波信號，該信號頻率接近于磁控管的固有頻率f0，經(jīng)由環(huán)形器直接注入到磁控管中，當(dāng)注入信號幅度達(dá)到一定數(shù)量級時(shí)，受高壓調(diào)制脈沖控制的磁控管振蕩頻率被注入信號的相位所同步。此時(shí)，磁控管近似于一個飽和放大器，將在一個寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，在鎖定頻帶寬度內(nèi)工作，足以抵消或補(bǔ)償由于溫度、電壓和工作時(shí)間變化引起的管子頻率漂移，以及隨著管子壽命而在工作頻點(diǎn)上的自然偏移。注入鎖頻磁控管原理框圖如圖2所示。此外，還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加到磁控管的脈電

　　壓上升速率較快時(shí)，也不會使磁控管引起跳模，這樣在短脈沖時(shí)即能獲得很好的脈沖波形。普通連續(xù)波磁控管與注入鎖頻連續(xù)波磁控管頻譜特性對比如圖3所示。

圖2　注入鎖頻磁控管原理圖

　　普通連續(xù)波磁控管的輸出信號由輪輻電子云在陽極塊上感應(yīng)的噪聲電壓觸發(fā)，但是噪聲的隨機(jī)性引發(fā)的振蕩輸出脈沖在相位上亦是隨機(jī)的。而注入鎖頻磁控管的振蕩形成，觸發(fā)的脈沖相位由注入信號與正弦形噪聲信號的矢量和決定。當(dāng)注入信號大大超過噪聲信號(20～30dB)時(shí)，振蕩輸出相位主要由注入鎖定的信號決定。根據(jù)公式

　　可確定鎖頻帶寬ΔF 較小，因此磁控管頻率f0的精確度必須嚴(yán)格控制，所以注入鎖頻磁控管的實(shí)現(xiàn)與否對普通連續(xù)波磁控管本身的頻率一致性提出了很高的要求。

　　當(dāng)整機(jī)工作在一定的工作頻帶，由所用磁控管的外觀品質(zhì)因數(shù)Qe決定注入源的功率電平。當(dāng)輸出功率一定時(shí)，較低的外觀品質(zhì)因數(shù)，較大的注入功率，可得到較寬的鎖頻帶寬。

圖3　普通連續(xù)波磁控管與注入鎖頻連續(xù)波磁控管頻譜特性

　　注入鎖頻磁控管耦合度β不僅與其外觀品質(zhì)因數(shù)Qe是相關(guān)聯(lián)的，而且影響磁控管的工作穩(wěn)定性。β過大，盡管Qe會降低，ΔF 會增大，但磁控管的工作穩(wěn)定性會變差，負(fù)載的變化會引起較大的頻率牽引，造成磁控管失鎖。因此必須控制耦合度及外觀品質(zhì)因數(shù)，使磁控管的鎖頻寬度和工作穩(wěn)定性都比較理想。

3、結(jié)論

　　節(jié)能減排是我國的基本國策，是我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)增長模式改變的必由之路。微波能的工業(yè)應(yīng)用必將推進(jìn)我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，在提高生產(chǎn)能力的同時(shí)降低能耗，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

　　隨著注入鎖頻技術(shù)的引入，在連續(xù)波磁控管起振前，先注入一個低電平、高穩(wěn)定度的外部基準(zhǔn)頻率微波信號，當(dāng)注入信號幅度達(dá)到一定數(shù)量級時(shí)，磁控管振蕩頻率將被注入信號的相位所同步。此時(shí)，磁控管將在一個寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，在鎖定頻帶寬度內(nèi)工作，足以抵消或補(bǔ)償由于溫度、電壓和工作時(shí)間變化引起的管子頻率漂移，以及隨著管子壽命而在工作頻點(diǎn)上的自然偏移。此時(shí)，注入鎖頻磁控管將可滿足相干功率合成的必要條件。通過相干功率合成技術(shù)，可突破傳統(tǒng)連續(xù)波磁控管功率與壽命的極限，制造出大功率長壽命微波源，滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的需求。

4、建議

　　我國的微波能應(yīng)用事業(yè)正在迅速發(fā)展，它為發(fā)展連續(xù)波磁控管注入鎖頻技術(shù)開辟了廣闊的前景。在2450MHz頻段，我們建議：對連續(xù)波磁控管注入鎖頻技術(shù)開展廣闊基礎(chǔ)性應(yīng)用研究。

　　以國內(nèi)大功率連續(xù)波磁控管的改進(jìn)為先導(dǎo)，開展新型陰極材料及制備、高真空封接技術(shù)、傳輸效率提升等工藝研究。通過設(shè)計(jì)降低連續(xù)波磁控管的外觀品質(zhì)因數(shù)，以達(dá)到注入鎖頻所需鎖頻帶寬的要求;通過控制陰陽極同心度，提高管內(nèi)真空度，選取合適的天線高度、插入深度以及工作點(diǎn)，以此提高磁控管的壽命，滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用長期連續(xù)生產(chǎn)的需求。進(jìn)行連續(xù)波磁控管與環(huán)形器、電磁鐵小型化的研究，同時(shí)盡可能的降低制造成本。以上工作需得到國家相關(guān)部門的配合與支持。