МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЙ МАГНЕТРОН С АСИММЕТРИЧНЫМ ВЫВОДОМ ЭНЕРГИИ Российский патент 2000 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к области электровакуумных приборов, в частности касается магнетронов, конкретнее - подавления мешающих видов колебаний в этих магнетронах.

Эффективное подавление мешающих видов колебаний чрезвычайно важно для улучшения выходных параметров магнетрона: достижения максимально возможных значений выходной мощности и КПД, снижения анодного напряжения и магнитной индукции (т.е. уменьшение габаритов и веса), создания запаса по зоне анодных токов и обеспечения устойчивой работы магнетрона на рассогласованную нагрузку с большим KCT_U.

В магнетронах, работающих на π-виде колебаний, широко известно подавление мешающих видов колебаний, носящих дублетный характер, заключающееся во внесении в резонаторную систему азимутальных неоднородностей различного типа [1 - 5]. Правильное расположение неоднородности относительно вывода энергии позволяет связать с нагрузкой обе компоненты дублетного мешающего вида. Оптимальное азимутальное взаиморасположение неоднородности и вывода энергии выбирается с учетом азимутальной периодичности мешающего вида колебаний и величины вносимой неоднородности. Недостатками данной конструкции являются, во-первых, искажение структуры ВЧ-поля π-вида колебаний азимутальной неоднородностью, что снижает электронный КПД магнетрона, и, во-вторых, то, что нагрузка компоненты дублета мешающего вида, не имеющей связи с нагрузкой, достигается ценой ослабления связи с нагрузкой другой компоненты.

Более совершенной разновидностью вышерассмотренного метода подавления мешающего вида колебаний является создание азимутальной неоднородности при помощи разрыва колец связи (связок) [6 - 8]. При этом искажение ВЧ-поля на π-виде является незначительным, поскольку на π-виде ВЧ-токи по связкам не протекают, в то же время для прочих видов колебаний разрыв связок представляет весьма сильную азимутальную неоднородность. Однако и в данном случае нагрузка одной из компонент дублета мешающего вида достигается ценой "разгрузки" другой компоненты, что является существенным недостатком всех ранее известных технических решений [1 - 8 и др.].

Что же касается азимутального угла, под которым азимутальная неоднородность расположена относительно вывода энергии, то в рассматриваемых аналогах указываются следующие углы: 45^o (или 135^o) [1,2,3,4,5], 90^o [6] и 180^o [7, 8]. В каждом из этих случаев может быть достигнут частичный эффект подавления конкретного мешающего вида колебаний, при этом оптимальный угол определяется как величиной неоднородности, так и азимутальной периодичностью мешающего вида колебаний.

Среди рассмотренных аналогов наиболее близким к заявляемому техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является конструкция, в которой разрыв двойных двухсторонних связок выполнен под углом в 90^o к выводу энергии [8]. Однако и в этом случае максимально возможная нагрузка обеих компонент мешающего вида колебаний не достигается; кроме того, выполнение разрывов над двумя соседними ламелями приводит к искажению структуры поля π-вида колебаний.

Эффективное подавление именно обеих компонент мешающего вида колебаний обеспечивается азимутальным совмещением разрыва связок и места подсоединения вывода энергии к резонаторной системе при полном разрыве замедляющей (резонаторной) системы в плоскости ее зеркальной симметрии. Конкретно же указанная цель достигается тем, что в магнетроне с асимметричным выводом энергии и анодной резонаторной системой с двойными двухсторонними связками (из каждой пары связок - верхней и нижней - одна связка припаяна ко всем четным ламелям, не касаясь всех нечетных, а другая связка припаяна ко всем нечетным ламелям, не касаясь четных), в которых около одной из ламелей выполнены разрывы, центральный проводник коаксиала вывода энергии кондуктивно соединен с той же ламелью, у которой выполнены разрывы связок, при этом разрывы выполнены в обеих не паянных к этой ламели связках, центр разрыва связок соответствует середине ламели, а ширина разрывов удовлетворяет условию
t ≥ l ≥ 1,67•S•f•10^-4,
где l - ширина разрыва связок, мм;
S - площадь поперечного сечения связки, мм²;
f - резонансная частота ближайшего к "пи"-виду колебаний коротковолнового вида колебаний, МГц;
t - толщина ламели непосредственно под разрываемой связкой, мм.

Кроме того, центральный проводник коаксиала вывода энергии с помощью "вилки" кондуктивно может быть соединен с двумя ламелями, соседними с той, у которой выполнены разрывы связок.

Кроме того, петлевой или щелевой вывод энергии может быть выполнен в резонаторе, у одной из ламелей которого выполнены разрывы связок.

Предложенное техническое решение принципиально отличается от ранее известных [6 - 8] азимутальным совмещением разрыва связок и вывода энергии. Другим существенным отличием заявляемого решения является создание полного разрыва замедляющей системы путем выполнения разрыва в обеих связках, не паянных к ламели, выбранной за зеркальную плоскость симметрии при ширине разрывов в соответствии с предложенным соотношением. Этот второй отличительный признак также является исключительно важным, так как без полного разрыва замедляющей системы азимутальное совмещение вывода энергии и разрыва связок не обеспечит максимальную, нагрузку через вывод энергии обеих компонент дублета мешающего вида колебаний.

Полный разрыв замедляющей системы в магнетроне с двойными двухсторонними связками реализуется путем разрыва связок у одной из ламелей, причем разрываются обе не паянные к этой ламели связки (т.е. с обеих сторон анода), а ширина разрывов должна быть достаточно большой для минимизации емкостной связи в месте разрыва. Отметим, что разрыв только одной связки не обеспечивает полного разрыва системы при любой ширине разрыва связки.

Указанная емкость вычисляется как емкость плоского конденсатора, т.е. по формуле

где C - рассчитываемая емкость, фарады;
S - площадь поперечного сечения связки, м²;
l - ширина разрыва связки, м.

Соответственно, модуль величины емкостного сопротивления , характеризующий степень эффективности разрыва замедляющей системы, вычисляется как обычно

где f - резонансная частота мешающего вида колебаний, Гц.

Подставляя сюда величину C из формулы (1), получим

Необходимая для полного разрыва замедляющей системы минимальная величина была определена экспериментально на "холодных" измерениях следующим образом.

Условием полного разрыва системы является смещение резонансной частоты одной из компонент дублета мешающего вида в точку дисперсионной характеристики, соответствующую сдвигу фазы на ячейку

где ϕ - сдвиг фазы на одну ячейку замедляющей системы;
N - число резонаторов магнетрона;
n - целое число, равное числу замедленных длин волн, укладывающихся по окружности анода на мешающем виде колебаний (при отсутствии разрывов связок и иных азимутальных неоднородностей).

Зная расчетную или снятую экспериментально дисперсионную характеристику, нетрудно найти на ней частоту, соответствующую данному фазовому сдвигу ϕ. Увеличивая постепенно ширину разрывов связок l и проводя при каждом значении l контрольные замеры резонансных частот обеих компонент мешающего вида с фиксацией азимутального распределения поля, можно наглядно наблюдать постепенное смещение резонансной частоты одной из компонент дублета мешающего вида колебаний в длинноволновую сторону с постепенным же изменением азимутальной структуры ВЧ-поля; при этом другая компонента сохраняет неизменными как резонансную частоту, так и азимутальное распределение ВЧ-поля. Одновременно при каждом значении l вычисляется по формуле (3) значение . Как только резонансная частота смещающейся компоненты дублета достигнет значения, соответствующего фазовому сдвигу, удовлетворяющему условию (4), задачу создания идеального разрыва замедляющей системы можно считать решенной, а соответствующую данному значению l величину - достаточной.

Конкретные исследования, проведенные на различных типах магнетронов по описанной методике, показали, что для полного разрыва резонаторной системы необходимо значение ≥ 3•10⁹ Ом, при этом
l ≥ 3•10⁹•8,86•S•2π•f•10^-12 (5),
где l - ширина разрыва связки, м;
S - площадь поперечного сечения связки, м²;
f - резонансная частота мешающего вида колебаний, Гц.

После некоторых преобразований формула (5) примет следующий окончательный вид
l ≥ 1,67•S•f•10^-4, (6)
где l - ширина разрыва связки, мм;
S - площадь поперечного сечения связки, мм²;
f - резонансная частота мешающего вида колебаний, МГц.

Следует отметить, что расчет минимально допустимой величины l необходимо проводить на частоте ближайшего к π-виду коротковолнового вида , поскольку в подавляющем большинстве случаев именно этот вид конкурирует с π-видом. При этом в каждом случае берется частота сместившейся компоненты дублета, так как нагруженность неискаженной компоненты от эффективности разрыва системы не зависит. Увеличение l свыше рассчитанного таким образом минимально допустимого значения позволяет распространить полный разрыв системы в область более высоких частот, что полезно для подавления более коротковолновых видов колебаний. Однако необходимо помнить, что увеличение l свыше толщины ламели t нежелательно ввиду возможного при этом нарушения структуры поля π-вида. Впрочем, конкретный расчет, проведенный по формуле (6) для различных типов магнетронов 10-12-сантиметрового диапазона длин волн, показал, что в зависимости от геометрии связок минимально допустимое значение l колеблется в пределах 0,6 - 0,9 мм, при этом во всех случаях t ≥ 1,2 мм. Таким образом, в большинстве реальных случаев значение l может быть увеличено относительно минимально допустимого не менее чем на 40%, что вполне достаточно для создания полного разрыва системы во всей полосе пропускания. В тех же редких случаях, когда минимально допустимое значение l сравнимо с t (это возможно, например, в магнетронах со сверхнизким анодным напряжением, когда толщина ламели мала), увеличивать l не стоит, ограничиваясь при этом максимальным подавлением обеих компонент дублета вида и несколько менее эффективным подавлением более коротковолновых видов.

Проведенные эксперименты показали, что в магнетронах с двойными двухсторонними связками задача создания идеального разрыва замедляющей системы всегда решается независимо от типа используемых резонаторов (лопаточные, каплевидные, "щель - отверстие" и др.) при условии разрыва обеих не паянных к одной из ламелей связок и достаточной ширине разрывов согласно соотношению (6). При этом резонансная частота одной из компонент дублета смещается в точку дисперсионной характеристики, определяемую условием (4), резонансная частота другой (неискаженной) компоненты по-прежнему соответствует точке дисперсионной характеристики ϕ = 2πn/N.

Согласно граничным условиям на разрыве все виды колебаний имеют максимум электрического поля в месте разрыва. Поэтому нулевой угол α между разрывом связок и выводом энергии обеспечивает максимальную нагрузку всех видов колебаний, в том числе и сместившихся по частоте компонент. Если угол α = 90^o (как в прототипе), то нагрузка отстроившихся по частоте компонент будет неполной, а при α = 180^o (как в аналогах [6, 7]) нагруженными будут только неискаженные компоненты, а отстроившиеся по частоте компоненты окажутся полностью разгруженными. Угол α = 0^o, обеспечивающий максимальную нагрузку всех видов колебаний, безусловно является оптимальным. Если конструкция вывода энергии не позволяет точно выдержать угол α = 0^o, то следует выбрать минимально возможное значение этого угла.

Заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию "новизна", поскольку проведенные авторами патентные исследования показали, что ни в прототипе, ни в других аналогах нулевой угол между разрывом связок и выводом энергии не применяется.

Другим существенным отличием от прототипа и аналогов является осуществление полного разрыва замедляющей системы, реализуемое путем разрыва обеих не паянных к определенной ламели связок при ширине разрывов в соответствии с соотношением (6). Полный разрыв замедляющей системы помимо максимальной нагрузки всех видов колебаний (выбором угла α =0^o) позволяет также осуществить максимальное разделение резонансных частот компонент дублета, превращая их, по сути, в два независимых вида колебаний и исключая тем самым возможность их cовместной взаимоподдерживающейся генерации, что неизбежно при малом частотном разделении компонент дублета.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 9.

На фиг. 1 - 4 изображены снятые экспериментально картины азимутального распределения стоячих волн электрического ВЧ-поля (радиальная составляющая) относительно разрыва связок для обеих компонент мешающего вида колебаний (с указанием их резонансных частот) в одном из обследованных магнетронов с N = 20. Азимутальное месторасположение разрыва связок отмечено на чертежах стрелкой с индексом "P". Фиг. 1 - 4 пронумерованы в порядке постепенного нарастания эффективности разрыва системы. Фиг. 1, 2 соответствуют разрыву только одной связки при ширине разрыва 0,35 мм (фиг. 1) и 0,6 мм (фиг. 2). Фиг. 3, 4 соответствуют разрыву обеих не паянных к одной из ламелей связок при ширине разрывов 0,3 мм (фиг. 3) и 0,6 мм (фиг. 4). Фиг. 4 соответствует случаю полного разрыва замедляющей системы, при этом резонансная частота сместившейся в длинноволновую сторону компоненты соответствует условию (4), что было определено по дисперсионной характеристике, построенной на фиг. 5, и дополнительно подтверждено осциллограммой азимутального распределения ВЧ-поля, имеющего 1 период модуляции в отличие от неискаженной компоненты дублета, где ВЧ-поле имеет 2 периода модуляции. Фиг. 4 наглядно подтверждает, что при полном разрыве замедляющей системы обе компоненты дублета вида действительно имеют максимум электрического поля в месте разрыва, поэтому азимутальное совмещение вывода энергии и разрыва связок обеспечивает максимально возможную нагрузку обеих компонент через вывод энергии.

Фиг. 6 - 9 иллюстрируют взаиморасположение разрыва связок и вывода энергии при различных конструкциях последнего. На чертежах схематически изображены часть резонаторной системы, разрывы связок и подсоединения выводов энергии разных типов, где
1 - ламель, около которой разорваны связки;
2 - ламели, соседние с той, около которой разорваны связки;
3 - связки;
4 - разрыв связки;
5 - корпус анода;
6 - центральный проводник коаксиала вывода энергии;
7 - наружный проводник коаксиала вывода энергии;
8 - петля связи;
9 - щелевой вывод энергии.

При этом фиг. 6 соответствует кондуктивному соединению центрального проводника коаксиала вывода энергии к ламели, у которой выполнены разрывы связок; фиг. 7 соответствует кондуктивному соединению с помощью "вилки" центрального проводника коаксиала вывода энергии к двум ламелям, соседним с той, у которой выполнены разрывы связок; фиг. 8, 9 соответствуют выполнению петлевого (фиг. 8) и щелевого (фиг. 9) вывода энергии в резонаторе, у одной из ламелей которого выполнены разрывы связок.

Таким образом, заявляемое техническое решение отличается от ранее известных и конструктивно, и по существу, благодаря чему реализуется более эффективное подавление мешающих видов колебаний. Применение заявляемой конструкции будет особо эффективным в магнетронах, работающих на нагрузку с большим KCT_U, в первую очередь - в магнетронах для микроволновых печей.

Испытания изготовленных авторами экспериментальных образцов магнетронов с разрывами связок предложенного типа показали, что заявляемое техническое решение позволяет:
1. Понизить на 30 - 40% внесенную добротность без изменения предельного KCT_U нагрузки и повысить за счет этого КПД магнетрона как благодаря увеличению контурного КПД, так и в ряде случаев электронного КПД.

2. Уменьшить диаметр катода и повысить за счет этого КПД магнетрона, сохраняя его работоспособность на нагрузку с предельным KCT_U.

3. При равных прочих условиях повысить предельный KCT_U, на который магнетрон может устойчиво работать при круговом изменении фазы нагрузки.

4. Увеличить значение анодного тока, при котором срывается генерация рабочего вида колебаний, что позволяет или выбрать рабочую точку с большим значением анодного тока (повысить выходную мощность), сохраняя запас по зоне токов и работоспособность магнетрона на нагрузку с предельным KCT_U, или обеспечить требуемые параметры магнетрона при меньшем значении магнитной индукции.

Источники информации.

1. Патент Великобритании 681422. Начало действия патента 27.02.48 г. (аналог).

2. Патент Великобритании 768564. Начало действия патента 9.04.54 г. (аналог).

3. Патент США 2829306. Начало действия патента 1.04.58 г. (аналог).

4. Патент США 3536953. Начало действия патента 14.09.68 г. (аналог).

5. Патент России 2014664. Начало действия 2.07.91 г. (аналог).

6. Патент ФРГ 1037023. Начало действия патента 12.10.53 г.(аналог).

7. Патент ФРГ 975447. Начало действия патента 4.10.50 г. (аналог).

8. Патент ФРГ 1297767. Начало действия патента 22.08.60 г. (прототип).

Изобретение относится к конструкции магнетрона, а именно к подавлению мешающих видов колебаний в этих магнетронах. Технический результат - подавление обеих компонент дублета мешающего вида колебаний обеспечивается азимутальным совмещением разрыва связок и места подсоединения вывода энергии к резонаторной системе при полном разрыве замедляющей системы в плоскости ее зеркальной симметрии. В магнетроне с асимметричным выводом энергии и анодной резонаторной системой с двойными двухсторонними связками (из каждой пары связок - верхней и нижней - одна связка припаяна ко всем четным ламелям, не касаясь всех нечетных, другая пара связок припаяна ко всем нечетным ламелям, не касаясь четных) около одной из ламелей выполнены разрывы. Вывод энергии выполнен около ламели, у которой выполнены разрывы связок. При этом разрывы выполнены в обеих не паянных к этой ламели связках, центр разрыва связок соответствует середине ламели, а ширина разрывов выбирается из приведенного соотношения. 9 ил.

Многорезонаторный магнетрон с асимметричным выводом энергии и анодной резонаторной системой с двойными двусторонними связками, в которых у одной из ламелей выполнены разрывы, причем из каждой пары связок - верхней и нижней - одна связка припаяна ко всем четным ламелям, не касаясь всех нечетных, а другая связка припаяна ко всем нечетным ламелям, не касаясь четных, отличающийся тем, что вывод энергии подсоединен к резонаторной системе под минимально возможным углом к ламели, у которой выполнены разрывы связок, при этом разрывы выполнены в обеих не паянных к этой ламели связках, центр разрывов соответствует середине ламели, а ширина разрывов удовлетворяет условию
t ≥ l ≥ 1,67 • S • f • 10^-4,
где l - ширина разрывов связок, мм;
S - площадь поперечного сечения связки, мм²;
f - резонансная частота ближайшего к π-виду коротковолнового вида колебаний, МГц;
t - толщина ламели непосредственно у разрыва связки, мм.