КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН Российский патент 1997 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к технике электронных приборов сверхвысоких частот (СВЧ), а более конкретно к устройству магнетронных генераторов, и может быть использовано в радиолокации, связи и других областях техники для генерации перестраиваемых по частоте сигналов СВЧ.

Известен коаксиальный магнетрон (1), в котором содержатся катод, расположенная вокруг него внутренняя система резонаторов, внешняя резонаторная система, расположенная коаксиально относительно внутренней, при этом связь систем осуществляется при помощи щелевых прорезей, а перестройка внешнего резонатора выполняется поступательным перемещением кольцевого металлического настроечного элемента, связанного с микрометрическим винтом.

Существенным недостатком данной конструкции является то, что в конструкции перестраивающего элемента не предусмотрено эффективное подавление конкурирующих видов колебаний. Конструкции перестраиваемых коаксиальных магнетронов без элементов подавления конкурирующих видов колебаний, непосредственно расположенных на перестраивающем элементе, не нашли широкого применения.

Широкое распространение получили конструкции перестраиваемых коаксиальных магнетронов с двумя кольцевыми керамическими поглотителями, расположенными близ внутреннего и наружного краев кольцевого перестраивающего элемента.

Коаксиальный магнетрон (2), выбранный в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является одним из лучших вариантов такого типа конструкции. Он содержит катод, внутреннюю резонаторную систему и внешний коаксиальный резонатор, имеющий кольцевой перестраивающий элемент, содержащий аттенюатор, выполненный в виде двух керамических кольцевых поглотителей, в котором хотя бы одна внутренняя или внешняя поверхность имеет конусообразную форму.

К недостаткам конструкции с двумя поглотителями следует отнести невозможность достаточно жесткого и надежного крепления керамических поглотителей, что приводит к их перемещению и деформации металлического (как правило, довольно тонкого, медного) кольца перестройки при механических воздействиях и высоких скоростях перестройки частоты. Увеличение толщины металлического кольца перестройки приводит к ухудшению подавления конкурирующих видов колебаний и к увеличению массы перестраивающего элемента и, следовательно, к увеличению мощности, потребляемой приводом механизма перестройки, и нагрузок на элементы подвески механизма перестройки.

Таким образом, задача повышения скорости перестройки и улучшения воспроизводимости частоты при механических воздействиях и больших скоростях перестройки при одновременном хорошем подавлении конкурирующих видов колебаний не может быть успешно решена в рамках известных конструкций и остается весьма актуальной.

Целью изобретения является создание коаксиального магнетрона с повышенной скоростью перестройки частоты и(или) улучшенной воспроизводимостью частоты магнетрона при механических воздействиях или перестройке частоты.

Указанная цель достигается тем, что в коаксиальном магнетроне, содержащем катод, внутреннюю резонаторную систему и внешний коаксиальный резонатор, имеющий кольцевой перестраивающий элемент, содержащий поглотитель, перестраивающий элемент коаксиального резонатора выполнен в виде монолитного кольца из керамического поглощающего СВЧ- энергию материала, обращенный в сторону коаксиального резонатора, торец которого покрыт слоем металла толщиной не более 0,2 от толщины керамического перестраивающего элемента и не менее толщины скин-слоя этого металла на рабочей частоте магнетрона.

Предложенное изменение конструкции позволит, благодаря монолитности, легкости и прочности конструкции перестраивающего элемента, обеспечить успешную работу магнетрона при высоких скоростях перестройки частоты и исключить ухудшение воспроизводимости частоты при механических воздействиях и быстрой перестройке частоты из-за перемещения керамических поглотителей и деформации крепящих эти поглотители элементов конструкции. При этом предлагаемая конструкция сохраняет все преимущества лучших из известных конструкций по подавлению конкурирующих видов колебаний, так как керамический поглощающий материал обеспечивает подавление конкурирующих видов в зазорах между перестраивающим элементом и внутренней и наружной цилиндрическими стенками резонатора, а также во всей полости за кольцом перестройки.

Технических решений, содержащих сходные отличительные признаки, не обнаружено.

На чертеже изображен один из возможных вариантов предлагаемого коаксиального магнетрона.

Коаксиальный магнетрон содержит катод 1, внутреннюю резонаторную систему 2, внешний коаксиальный резонатор 3, имеющий кольцевой перестраивающий элемент 4, который одновременно является поглотителем, так как выполнен в виде монолитного кольца (толщиной 4 мм) из керамического поглощающего СВЧ-энергию материала (кермет АН-50М). Обращенный в сторону коаксиального резонатора торец монолитного керамического кольца покрыт слоем 5 меди толщиной 0,2 мм, т. е. имеющим толщину не более 0,2 от толщины перестраивающего элемента и не менее толщины скин-слоя этого металла на рабочей частоте магнетрона (≈ 1 мкм). Со стороны второго торца керамический перестраивающий элемент припаян к металлическим или керамическим стержням 6, через которые он приводится в движение при перестройке частоты.

Способ покрытия керамического кольца слоем металла не имеет принципиального значения. Могут быть использованы химические, электрохимические и другие виды осаждения, напыление в вакууме, пайка или приварка фольги и др. Максимальная толщина покрытия ограничена 0,2 толщины керамического перестраивающего элемента, так как дальнейшее увеличение толщины слоя металла приводит к значительному увеличению массы перестраивающего элемента, что увеличивает потребляемую приводом механизма перестройки мощность и увеличивает нагрузки на элементы подвески перестраивающего элемента. Кроме того, увеличение толщины покрытия снижает эффективность подавления конкурирующих видов колебаний магнетрона. Минимальная толщина покрытия определяется необходимостью экранировки (защиты) СВЧ-поля от поглощающего воздействия на него керамического перестраивающего элемента. Скин-слой металла исключает недопустимо большие потери СВЧ-энергии на рабочей частоте.

При работе магнетрона перестраивающий частоту коаксиального магнетрона элемент 4 приводится в движение через стержня 6. Но даже при очень высокой скорости перестройки частоты и при значительных механических воздействиях перестраивающий элемент или его части благодаря высокой жесткости монолитной конструкции не могут деформироваться или перемещаться относительно друг друга, приводя к ухудшению воспроизводимости частоты или разрушению перестраивающего элемента, как это имеет место при использовании конструкции прототипа.

В то же время при работе магнетрона перестраивающий элемент, являющийся торцевой стенкой коаксиального резонатора 3, испытывает воздействие электромагнитного СВЧ-поля, которое благодаря использованию металлического покрытия 5 слабо проникает на рабочей частоте в керамический элемент 4, в то время как поля конкурирующих видов колебаний, способные проникнуть в зазоры между перестраивающим элементом и цилиндрическими стенками коаксиального резонатора 3, эффективно взаимодействуют с керамическим поглотителем, полностью исключая возбуждение магнетрона на этих видах колебаний.

Таким образом, сохраняя все достоинства прототипа в части подавления конкурирующих видов колебаний, предлагаемый магнетрон имеет существенные преимущества, особенно при быстрой перестройке частоты и механических воздействиях.

Использование: в технике СВЧ- приборов, в частности в магнетронных генераторах. Сущность изобретения: в коаксиальном магнетроне, содержащем катод, внутреннюю резонаторную систему и внешний коаксиальный резонатор с перестраивающим элементом, содержащим поглотитель, перестраивающий резонатор выполнен в виде кольца из керамического поглощающего материала, а его торец, обращенный к коаксиальному резонатору, покрыт слоем металла толщиной не более 0,2 от толщины перестраивающего элемента и не менее толщины скин-слоя этого металла на рабочей частоте магнетрона. 1 ил.

Коаксиальный магнетрон, содержащий катод, внутреннюю резонаторную систему и внешний коаксиальный резонатор, имеющий кольцевой перестраивающий элемент с поглотителем, отличающийся тем, что перестраивающий элемент коаксиального резонатора выполнен в виде монолитного кольца из керамического поглощающего материала, обращенный в сторону коаксиального резонатора торец которого покрыт слоем металла толщиной не более 0,2 толщины перестраивающего элемента и не менее толщины скин-слоя этого металла на рабочей частоте магнетрона.