КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН Российский патент 1995 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к электронной технике, охватывающей генераторные электровакуумные приборы СВЧ (ЭВП, СВЧ), в частности к магнитронам, используемым в передатчиках радиолокационных станций (РЛС).

В РЛС находят применение коаксиальные магнетроны (КМ) с быстрой перестройкой частоты, что расширяет тактико-технические возможности РЛС.

Известно множество конструкций КМ, для быстрой перестройки которых используются электрически управляемые элементы, в том числе так называемые "мультипакторные" и ферритовые. Например, известны конструкции КМ, в которых для перестройки частоты в стабилизирующем резонаторе предусматриваются отверстия во внешней боковой стенке и через эти отверстия осуществляется электромагнитная связь с элементами мультипакторной или ферритовой перестройки частоты. Известны и КМ с ферритовым кольцом, расположенным непосредственно в стабилизирующем резонаторе (в том числе в его вневакуумной части).

Известен коаксиальный магнетрон, в котором через несколько отверстий в стенке стабилизирующего резонатора в последний введены петли связи, соединенные с внешними по отношению к стабилизирующему резонатору устройствами мультипакторной перестройки, являющимися по существу "реактивными линиями" [1]
Все известные устройства могут быть использованы для управления частотой рабочего вида колебаний КМ, в частности для управления частотой Но11 вида колебаний стабилизирующего резонатора.

Однако в указанных аналогах используемые технические решения не служат подавлению паразитных видов колебаний и, более того, могут способствовать их возбуждению. Это приводит к снижению устойчивости работы КМ и КПД.

Наиболее близким к изобретению является коаксиальный магнетрон [2] в котором описан содержащий стабилизирующий резонатор с отверстиями в наружной стенке.

Соосный с анодным блоком стабилизирующий резонатор по крайней мере через одно отверстие в стенке электромагнитно связан с волноводной структурой, содержащей ферритовый стержень, на котором выполнена обмотка (катушка) подмагничивания, питаемая управляющим напряжением от внешнего источника. Ферритовый стержень установлен вдоль оси волноводной структуры в кожухе, в котором циркулирует охлаждающий агент (для конвекционного отбора выделяющейся в феррите тепловой энергии). Концы стержня выполнены в форме, обеспечивающей согласование с волноводной структурой, которая в целом является реактивной линией, вносящей через отверстие связи в резонатор магнетрона переменную "реактивность", зависящую от тока подмагничивания феррита.

Однако если вносимая реактивность невелика, то мал и диапазон перестройки частоты. Если же вносимую реактивность увеличить, т.е. например, увеличить связь магнетрона с реактивной линией, то в электромагнитное поле рабочего вида колебаний окажется внесенной значительная азимутальная неоднородность, что ухудшает устойчивость работы магнитрона и его КПД. Кроме того, эта неоднородность может "подчеркнуть" паразитные виды колебаний, а никаких мер для предотвращения возбуждения паразитных видов колебаний в магнетроне-прототипе не предусмотрено (ни для основного варианта его исполнения, ни для другого варианта).

Таким образом, магнетрон-прототип обладает ограниченными возможностями расширения диапазона перестройки частоты и достижения устойчивой работы и высоких КПД.

Целью изобретения является создание конструкции КМ, в которой при расширенных диапазонах плавной, скачковой и междуимпульсной перестройки частоты обеспечиваются повышенные устойчивость работы и КПД за счет разрушения структуры полей паразитных видов колебаний самими элементами перестройки.

Цель достигается тем, что в КМ, содержащем стабилизирующий резонатор с отверстиями в наружной стенке и ферритовые стержни с катушками подмагничивания, число К отверстий и стержней некратно числу азимутальных индексов m, ферритовые стержни выступают внутрь объема стабилизирующегоо резонатора и проходят сквозь отверстия в его наружной стенке паразитных H_mnp и E_mnp видов колебаний. Это число К выбирается из ряда простых чисел: К5,7,11.

Выступающие внутрь стабилизирующего резонатора части ферритовых стержней могут быть выполнены в форме пластин, плоскость которых относительно оси магнетрона устанавливаются под углом 45-90^о.

На фиг.1 показана конструкция предложенного КМ в поперечном сечении; на фиг.2 фрагмент КМ с вневакуумным ферритовым стержнем и диэлектрическим вакуумноплотным колпачком в стабилизирующем резонаторе; на фиг.3 вариант конфигурации ферритового стержня с участком, имеющим форму пластины.

Коаксиальный магнетрон содержит анодно-резонаторную систему 1, соосный с ней стабилизируюищй резонатор 2, работающий на Но 11 виде колебаний. В стенке 3 стабилизирующего резонатора 2 выполнена щель 4 связи с выходным устройством 5. Все эти элементы известны и служат традиционным целям. В стенке 3 на равных угловых расстояниях друг от друга выполнены сквозные отверстия 6, каждое из которых вакуумно-плотно (например, за счет пайки) перекрыто диэлектрическим (например, керамическим) колпачком 7, выступающим радиально внутрь стабилизирующего резонатора 2.

Это более наглядно и детально показано на фиг.2. Естественно, в случае, когда в КМ используется вневакуумный стабилизирующий резонатор 2, необходимость в вакуумно-плотных колпачках 7 отпадает. В стабилизирующем резонаторе 2, с вневакуумной стороны диэлектрических колпачков 7 расположены участки 8 ферритовых стержней 9, закрепленных на опорах 10. На ферритовых стержнях 9 размещены катушки 11 подмагничивания.

Степень погружения ферритовых стержней 9 радиально вглубь стабилизирующего резонатора 2 устанавливается с учетом результатов экспериментов до достижения требуемого диапазона перестройки частоты и требуемой степени подавления паразитных видов колебаний. Число К ферритовых стержней 9 и отверстий 6 в стенке 3 выбрано из ряда простых чисел: K 5,7,11, т.е. некратным числу азимутальных вариаций электромагнитного поля паразитных видов колебаний H_mnp-E_mnp стабилизирующего резонатора 2. Это сделано ради разрушения присущего этим видам распределения полей.

Как видно на фиг.2, демонстрирующей возможность практической реализации предложенного устройства, диэлектрический колпачок 7 вакуумно-плотно соединен (например, спаян) с манжетой 12, которая вакуумно-плотно соединена (например, пайкой) с переходной втулкой 13. Внутри переходной втулки 13 установлен сменный регулировочный полый цилиндр 14, выбором высоты которого осуществляется при настройке регулировка глубины радиального погружения ферритового стержня 9 в стабилизирующий резонатор 2. Опора 10 установлена в упор на торец регулировочного цилиндра 14 и вместе с катушкой 11 подмагничивания закреплена в переходной втулке 13, например с помощью накидной гайки 15. Устройство закрепления и перемещения стержня 9 может быть и иным. Это не является принципиальным для реализации отличительных признаков предлагаемого изобретения. Существенной является форма участка 8 ферритового стержня 9. Из всего многообразия возможных форм этого участка следует выделить пластинчатую (см. фиг. 3), как дающую дополнительную возможность (степень свободы) в воздействии ферритового стержня 9 на электромагнитное поле рабочего и паразитных видов колебаний. При пластинчатой форме участка 8 регулировка может быть осуществлена за счет поворота стержня 9 вокруг собственной оси перед затяжкой накидной гайки 15. При этом плоскость пластинчатого участка 8 ферритового стержня 9 может быть установлена как перпендикулярно оси КМ, так и под углом к ней в пределах 45-90^о.

Коаксиальный магнетрон работает следующим образом.

При подаче на катушку 11 подмагничивания управляющего напряжения выбранной формы происходит изменение частоты генерируемых колебаний по определенному закону. Электромагнитное поле рабочего Но11-вида колебаний возмущается ферритовыми стержнями 9 азимутально симметрично.

Электромагнитные поля паразитных видов колебаний (H_mnp и E_mnp) из-за некратности индексов m и числа стержней К претерпевают возмущения, разрушающие азимутальную симметрию структуры поля. Это существенно снижает конкурентоспособность паразитных видов колебаний (например, на фронте модулирующего импульса), тем самым создаются благоприятные условия для устойчивого возбуждения рабочего вида колебаний.

Предлагаемый магнетрон обеспечивает:
расширение диапазона перестройки частоты КМ (плавной, скачковой, междуимпульсной) и повышение гибкости управления самим законом перестройки;
снижение конкурентоспособности паразитных видов колебаний и, как следствие, повышение устойчивости работы КМ и его электронного КПД, а также снижение уровней побочных колебаний в спектре излучения;
расширение возможностей в управлении "настройкой" магнетрона в процессе его изготовления, в том числе и на финишном этапе при выборе рабочих точек откачанного магнетрона;
возможность замены ферритовых стержней с катушками подмагничивания (в случае обнаружения в них дефекта) в готовом магнетроне;
возможность (например, для мощных КМ) введения проточного охлаждающего агента во вневакуумную полость диэлектрических колпачков (например, воздуха или кремний-органической жидкости с малыми потерями).

Использование: электронная техника, охватывающая генераторные электровакуумные приборы СВЧ (ЭВП СВЧ), в частности магнетроны, используемые в передатчиках радиолокационных станциях (РЛС). Сущность изобретения: коаксиальный магнитрон содержит стабилизирующий резонатор с отверстиями в наружной стенке и ферритовые стержни с катушками подмагничивания, а число K отверстий и стержней выбрано некратным числу азимутальных вариаций, подлежащих разрушению паразитных H_mnp и E_mnp видов колебаний стабилизирующего резонатора, это число K выбирается из ряда простых чисел: K- 5,7,11. При этом выступающая внутрь стабилизирующего резонатора часть ферритовых стержней может быть выполнена в форме пластины, плоскость которой осносительно оси магнетрона устанавливается под углом 45-90°. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН, содержащий стабилизирующий резонатор с отверстиями в наружной стенке и ферритовые стержни с катушками подмагничивания, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона перестройки частоты, повышения устойчивости работы магнетрона путем подавления паразитных H_mnp E_mnp видов колебаний, ферритовые стержни выполнены выступающими внутрь объема стабилизирующего резонатора и проходящими сквозь отверстия в его наружной стенке, при этом число К отверстий в стенке стабилизирующего резонатора и ферритовых стержней не кратно числу азимутальных индексов m паразитных видов колебаний и выбрано из ряда простых чисел: К 5,7,11. 2. Магнетрон по п.1, отличающийся тем, что выступающие внутрь стабилизирующего резонатора части ферритовых стержней выполнены в форме пластин, плоскость которых установлена под углом 45-90^o к оси магнетрона.