微波的产生
1、产生微波能的器件
微波能常有直流或50Hz交流电通过一特殊的器件来获得的。可以产生微波的器件有许多种，但主要可以分为两大类：半导体器件和电真空器件。电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量交换的器件，或称之为电子管。在真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管，多腔速调管，微波三、四极管，行波管等多种。半导体器件在获得微波大功率方面与电真空器件相比至少相差三个数量级。例如，单支915MHz磁控管可以获得30kw以至60kw的功率，而半导体雪崩二极管只能得到数十瓦或近百瓦的功率。2450MHz磁控管可以得到5kw功率，2450MHz速调管可以获得30KW的功率，而半导体器件只能给出几瓦。因此，在目前或将来一定时期，微波加热领域特别是工业中使用的，主要是磁控管及速调器
2、连续波磁控管
用磁控管能方便地获得微波大功率，它可在1S内发出几百个至几千个相互间隔的电波信号，称之为脉冲，也可以发射不间断的连续电磁波。因此，前者称为脉冲磁控管，主要用于雷达。工业用磁控管为连续波磁控管，以下称磁控管（见下图）。
下图为915MHZ微波源磁控管 |
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上图为2450MHZ微波源磁控管及其参数 |
2.1磁控管的结构
磁控管通常有一个高导电率无氧铜制成的阳极，腔体中间是一个发射电子的阴极，阳极上有许多小腔是产生高频率振荡的谐振回路，阴极与阳极中间为电子作用的空腔，在这一空腔内加有均匀的、与阴极轴线平行的磁场。磁场通常由两种方式产生，在小功率磁控管里往往采用永久磁铁，而在大功率磁控管中普遍地使用电磁铁，将数千伏电压加在阴极和阳极之间。为了安全，将阳极接地，而将阴极接以负高压。微波能量的输出通常有三种形式：
① 同轴输出型。②波导输出型。③天线辐射型
为了保证作用空间的磁场均匀及减少漏磁，在磁控管的两端带有软铁制成的磁极，并由其构成电子管外壳的一部分。磁控管阴极根据不同的设计，通常做成间热式和直热式两种。
所谓间热式：即阴极由热源来加热，而热源就装在阴极管内。而直热式：即热源本身就是用电子发射材料制成的，它既是加热体又是阴极。
2.2磁控管工作原理
当磁控管与阳极间存在着一定的直流电场时，从阴极发射的电子受阳极正电位的影响加速而向阳极移动，空间交叉存在磁场，磁场方向与电场方向垂直，同时也与电子运动方向垂直。众所周知，当带电体在垂直磁场中运动时，将受到洛仑兹力。该作用力与磁场及电子运动的方向垂直。因此，当电子离开阴极向阳极移动时受到磁场力的作用，结果使电子偏离原来的方向而呈圆周状运动。不同的磁场与电场比值使电子具有不同的圆周运动半径。在某一特定的电压及磁场值下，正好电子能绕阴极旋转。在这种情况下，虽然在阴极与阳极间加1有直流电压，但是在外电路不会出现阴极电流。只有阳极电压超过某一压值时，在外电路里才会出现电流。这一状态称之为临界状态。如果阳极阳极电压继续升高，那么电子运动的半径会超过阳极的内径，电子在作用空间作一定状态的圆周运动并最终打到阳极。磁控管的功能就是能产生一定运动状态的电子，把电子由电场中获得的能量在到达阳极的过程中不断地转换为谐振腔中高频振荡所需的能量，并以一定频率发射。能进行能量交换的高频圆周运动状态的电子，要靠阳极上谐振腔的作用。阳极有偶数个谐振腔，或称“槽路”。在磁控管工作时，相临谐振腔上的磁场方向相反，其翼片上的电场方向也相反，即在二相临谐振腔间有180度的相位差，通常称为磁控管的π模振荡。由于腔内存在着高频电磁场，因此在高频率电场为负的翼片附近，高频电场与直流电场方向相反而部分抵消，因此，在阴极发射的电子，如果是处于阳极的翼片为负的位置，电子就会比没有高频场时慢。当电子受磁场力的作用而反时针方向旋转时，处于正高频场附近的电子的运动速度将大于处于负高频场附近的电子运动的速度，其结果是，在两极之间的腔中作圆周运动的电子将出现“集聚”现象，均匀的电子分布变成了“翼状电子云”，绕着阴极轴心旋转。
当然，使电子从这一翼片到下一翼片时，翼片上和高频场要正好改变一次方向，所要加的阳极电压称之为同步电压。电子的这种旋转产生了高频电磁场的谐振，解释如下：阴极以一定的速度发射电子，当电子旋转到谐振腔翼片附近时，如果外加电场正好使翼片处电场为负，那么它将对电子有排斥作用，使电子速度降低，电子速度降低而所损失的能量不会消失，而是将能量交换给了高频电磁场，电子在绕阴极旋转的过程中，每经过一个腔体翼片，均受到一次减速而失去一部分能量，直到其到达阳极为止。电子在这一过程中损失的能量变成了高频场的能量，再有无线辐射出去。没撞到阳极上的磁控管中的电子，由于受场作用力而重新返回到阴极附近，当电子返回到阴极附近时，它又受到电压的加速而飞向阳极，进行第二次能量交换，循环往复直到最后落到阳极上。在阳极上，电子将其剩余的能量最终变成了热能。由此可见，电子是微波产生的客体，磁控管是电子云的工作间。在磁控管工作时，整机设备上设有防止励磁电流突然消失的装置，以免正在工作的磁控管在失去磁场时，管内强大的电子云打上阳极使磁控管烧毁。
3、速调管简介
在要求频率较高而功率很大的场合，用磁控管已不能满足要求，这时通常采用多腔速调管。多腔速调管是一种放大器，而磁控管则是一种振荡器。为了可以用很小的功率来推动速调管而获得功率，这就要求速调管采用多个谐振腔，称为多腔速调管。速调管在效率方面比磁控管低，结构也较复杂，但单管可以获得的功率比较大，工作寿命也比磁控管长。多腔速调管的效率在工作时可以达到60%左右，低于磁控管。所以在微波化学污水处理技术中催化的微波源只采用磁控管发射。
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