КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН Российский патент 1994 года по МПК H01J25/55 

Изобретение относится к электровакуумным приборам, в частности коаксиальных магнетронах, а именно к подавлению мешающих видов колебаний в этих магнетронах.

Известны магнетроны, в которых подавление мешающих видов колебаний, носящих дублетный характер, заключается во внесении в резонансную систему азимутальных неоднородностей различного типа. Наличие таких азимутальных неоднородностей позволяет дополнительно нагрузить компоненту дублета мешающего вида, не имеющую первоначально связи с нагрузкой, так как азимутальная ориентация ВЧ-полей компонент дублета определяется уже не выводом энергии, а азимутальными неоднородностями; правильное азимутальное расположение неоднородностей позволяет связать с нагрузкой обе компоненты дублетного мешающего вида. Оптимальное взаимное азимутальное расположение неоднородности и вывода энергии выбирается с учетом азимутальной периодичности мешающего вида колебаний и величины вносимой неоднородности.

Недостатком данной конструкции является искажение структуры ВЧ-поля П-вида колебаний азимутальными неоднородностями, что снижает электронный КПД магнетрона.

Более совершенной разновидностью рассматриваемого варианта подавления мешающих видов колебаний для магнетронов со связками является введение азимутальных неоднородностей при помощи разрыва колец связи (связок). В этом случае искажение ВЧ-поля на П-виде является незначительным, поскольку на П-виде ВЧ-токи по связкам не протекают, в то же время для прочих видов колебаний разрыв связок представляет весьма сильную азимутальную неоднородность.

В принципиальном плане не видно особых препятствий для применения описанного варианта подавления мешающих видов колебаний и в коаксиальных магнетронах. Однако, в практическом плане реализация этой идеи в коаксиальных магнетронах наталкивается на определенные трудности, связанные со сложностью колебательной системы коаксиального магнетрона, из-за чего внесено во внешний контур эффективных азимутальных неоднородностей может вызвать, помимо планируемого эффекта, другие отрицательные эффекты (например возбуждения видов Е_тпр внешнего контура).

Известны конструкции коаксиальных магнетронов, в которых для подавления щелевого вида колебаний (П-длинноволновый вид) щели связи делаются неодинаковыми по размерам или по конфигурации. Среди них наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является конструкции с двумя различными типами щелей связи, причем щели каждого типа сгруппированы по несколько штук, а эти группы щелей разного типа попеременно чередуются.

Число щелей в группах должно быть достаточно большим, чтобы отсутствовала связь между группами с одинаковыми размерами щелей. С другой стороны, азимутальная протяженность групп щелей не должна быть слишком большой, так как при этом возможно возникновение эффективного взаимодействия электронного потока с полем щелевого вида одной группы щелей связи. На практике, чаще всего, берется число групп, равное 4. Введение разнощельности позволяет увеличить подавление П-длинноволнового вида на 2-3 дБ.

Конструкция прототипа не обеспечивает равномерной нагрузки компонент дублета тех или иных видов колебаний коаксиального резонатора, могущих в совокупности с соответствующими видами анодной резонаторной системы конкурировать с рабочим видом колебаний, которым является вид коаксиального резонатора ТЕ₀₁₁ в совокупности с П-видом анодной резонаторной системы. Конкурирующими видами в зависимости от взаимного расположения спектра видов колебаний коаксиального резонатора и анодной системы могут быть виды коаксиального резонатора с одной или более вариациями поля по азимуту, например ТЕ₁₂₁, ТЕ₃₁₁ и другие. Из них наиболее опасны и чаще всего мешающим является вид ТЕ₁₂₁. Наличие компоненты дублета, на связанной с нагрузкой, облегчает самовозбуждение вида ТЕ₁₂₁, что может приводить к ухудшению параметров коаксиальных магнетронов: к сокращению полосы перестройки частот, к увеличению флуктуаций переднего фронта ВЧ-огибающей выходного сигнала, к перископам, к сужению зоны рабочих анодных токов. Применяемые в прототипе меры по снижению нагруженной добротности обеих компонент дублета вида ТЕ₁₂₁ с помощью внесения в коаксиальный резонатор поглотителей не решает до конца проблемы, поскольку нагруженная добротность компоненты, не связанной с выводом энергии, все равно остается достаточно высокой.

Целью изобретения является подавление колебаний вида ТЕ₁₂₁ (как правило, самого конкурентоопасного по отношению к рабочему виду) в коаксиальных магнетронах и улучшению их характеристик благодаря созданию более благоприятных условий для возбуждения рабочего вида.

Указанная цель достигается тем, что в коаксиальном магнетроне с анодной резонаторной системой, связанной с внешним коаксиальным стабилизирующим резонатором двумя типами щелей связи, причем щели каждого типа объединены в четыре попеременно чередующиеся группы, азимутальный угол между окном связи вывода энергии и серединой любой из групп щелей связи составляет 45 ± 3^о. Число групп щелей связи берется равное четырем не только потому, что это наиболее часто применяется на практике, а также потому, что при числе групп больше четырех подавление колебаний вида ТЕ₁₂₁ может оказаться неэффективным.

На фиг.1 изображен предлагаемый магнетрон с группами щелей связи различных типов.

Магнетрон содержит корпус коаксиального резонатора, анодную резонаторную систему 2 с прорезанными в ней группами разнопрофильных щелей связи, группу 3 щелей связи I-го типа, группу 4 щелей связи II-го типа, окно 5 связи вывода энергии, середину 6 одной из групп одинаковых щелей связи, угол ϕ (45 ± 3) между окном связи вывода энергии и серединой одной из групп одинаковых щелей связи анодной резонаторной ТЕ₁₂₁ системы, вывод 7 энергии.

На фиг. 2 изображена зависимость степени подавления вида ТЕ₁₂₁ от угла поворота анодной системы в корпус. Практически это осуществляется следующим образом. На непаянной конструкции магнетрона (анодная система не паяна с корпусом внешнего резонатора) в области исследуемого мешающего вида колебаний ТЕ₁₂₁ наблюдается на панорамном измерителе КСВН резонансная кривая, которая в зависимости от поворота анодной системы в корпусе имеет различный вид.

Фиг. 2а соответствует углу ϕ 0^о, при котором одна из компонент дублета вида ТЕ₁₂₁ (на частоте f₀₂) не связана с выводом энергии; фиг.2б - углу ϕ ≈ 30^о, при котором компонента дублета вида ТЕ₁₂₁ (на частоте f₀₂) связана с выводом энергии слабее, чем компонента дублета на частоте f₀₁; фиг.2в - оптимальному случаю равномерной нагрузки обеих компонент дублета ( ϕ= 45 ± 3^о); фиг.2г - углу = 60^о, при котором компонента дублета вида ТЕ₁₂₁ (на частоте f₀₁) связана с выводом энергии слабее, чем компонента дублета на частоте f₀₂; фиг.2д - углу ϕ = 90^о, при котором одна из компонент дублета вида ТЕ₁₂₁ (на частоте f₀₁) не связана с выводом энергии.

На "холодных" измерениях были обследованы колебательные системы нескольких коаксиальных магнетронов с группированными щелями связи в анодных резонаторных системах. В результате использования заявляемого технического решения нагруженная добротность Q_н ранее слабонагруженной компоненты дублета вида ТЕ₁₂₁ была снижена с 1200 до 600, т.е. в два раза.

При изготовлении и испытаниях экспериментальны макетов коаксиальных магнетронов получены следующие результаты.

В коаксиальном магнетроне 8 мм диапазона при произвольной ориентации анодной системы в корпусе рабочая полоса частот при перестройке поршнем в резонаторе составила ≈ 2% от центральной частоты (в коротковолновой области наблюдался перескок на вид ТЕ₁₂₁).

Применение заявляемого технического решения позволило устранить перескок на вид ТЕ121 и расширить рабочую полосу перестраиваемых частот до 3,3%.

В коаксиальном магнетроне 3 см диапазона, не имевшем разнощельность, в коротковолновой области рабочего диапазона частот имели место большие среднеквадратичные флуктуации переднего фронта ВЧ-огибающей выходной сигнал (до Δ τ = 15-20 нс) из-за мешающего действия вида ТЕ₁₂₁.

Предложенное техническое решение позволило уменьшить среднеквадратичные флуктуации переднего фронта ВЧ-огибающей выходного до уровня 1,5-2 нс без изменения других электрических параметров.

В целом проведенные эксперименты показали, что заявляемое техническое решение позволяет за счет равномерного нагружения компонент дублета вида ТЕ₁₂₁ существенно улучшить электрические параметры магнетрона - расширить рабочую полосу частот, уменьшить флуктуации переднего фронта ВЧ-огибающей выходного сигнала.

Использование: для подавления мешающих видов колебаний в коаксиальных магнетронах. Сущность изобретения: коаксиальный магнетрон содержит корпус коаксиального резонатора, анодную резонаторную систему с прорезанными в ней группами разнопрофильных щелей связи - щели связи I-го типа и щели связи II-го типа, окно связи вывода энергии. Азимутальные неоднородности в коаксиальном магнетроне создаются изменением размеров или формы щелей связи в группах. Подавление колебаний вида TE₁₂₁ коаксиального резонатора достигается выбором оптимальной ориентации азимутальных неоднородностей относительно вывода энергии: азимутальный угол между окном вывода энергии и серединой любой из групп щелей связи составляет 45± 3^°. 2 ил.

КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН, включающий внешний стабилизирующий резонатор, связанный с нагрузкой окном вывода энергии, и анодную резонаторную систему, связанную со стабилизирующим резонатором двумя типами щелей связи, причем щели каждого типа объединены в четыре попеременно чередующиеся группы, отличающийся тем, что азимутальный угол между окном вывода энергии и серединой любой из групп щелей связи составляет (45 ± 3)^o.