МАГНЕТРОН ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ С АСИММЕТРИЧНЫМ ЩЕЛЕВЫМ ВЫВОДОМ ЭНЕРГИИ Российский патент 2003 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к области электровакуумных приборов, в частности магнетронов поверхностной волны (МПВ), конкретнее к повышению их КПД.

Конструкция МПВ принципиально мало чем отличается от конструкции "π-видных" магнетронов и характеризуется наличием ламельной резонаторной системы без связок, обычного катода, постоянных магнитов с относительно небольшой энергией и асимметричного щелевого вывода энергии. С целью укрупнения геометрических размеров, в частности шага резонаторной системы, МПВ работают не на "π-виде" колебаний, а на "-1-ой" пространственной гармонике видов колебаний с низкими номерами, имеющих дублетный характер. В последнее время МПВ широко применяются для генерирования СВЧ- колебаний миллиметрового диапазона длин волн. Один из таких серийно выпускаемых МПВ выбран авторами в качестве прототипа [1].

КПД является важнейшей энергетической характеристикой магнетрона и достижение как можно большего КПД, несомненно, является актуальной задачей. Особенно остро стоит этот вопрос в МПВ, КПД которых сравнительно невелик. Одной из причин, ограничивающих КПД магнетрона, является наличие асимметричного вывода энергии, искажающего в той или иной степени выходной резонатор, что приводит к нарушению азимутальной симметрии резонаторной системы.

Негативную роль реактивности, вносимой выводом энергии в выходной резонатор, можно пояснить следующим образом. Происходящее при этом изменение собственной частоты выходного резонатора приводит и к изменению резонансной частоты вида колебаний в целом. Новой резонансной частоте вида колебаний будет соответствовать и новый сдвиг фазы на ячейку в неискаженной части резонаторной системы (в соответствии с дисперсионной характеристикой), а на искаженном выходном резонаторе происходит скачок фазы ±ψ, дополняющий полное изменение фазы по окружности анода до значения 2πn. Таким образом, условие резонанса азимутально симметричной системы
ϕ₀N = 2πn (1)
трансформируется в новое условие резонанса
ϕ′N±ψ = 2πn (2),
где ϕ₀- сдвиг фазы на ячейку резонаторной системы на резонансной частоте вида колебаний в магнетроне с идеальной азимутальной симметрией;
ϕ′- сдвиг фазы на ячейку резонаторной системы на резонансной частоте вида колебаний в неискаженной части системы магнетрона с локально нарушенной азимутальной симметрией;
N - число резонаторов магнетрона;
n - номер вида колебаний;
±ψ- скачок фазы на искаженном резонаторе.

По мере возрастания вносимой в выходной резонатор дополнительной реактивности и соответствующего возрастания скачка фазы ψ условие замкнутости электронного потока (ϕN = 2πn) все более нарушается, что ведет к снижению электронного КПД, а при ψ→±π электронно-волновое взаимодействие становится невозможным. Поэтому при большой величине ψ следует принимать меры по компенсации вносимой реактивности.

Конкретно в МПВ, где рабочий вид колебаний расщеплен на дублет, описанный механизм относится лишь к нагруженной компоненте дублета, поскольку ненагруженная компонента остается невозмущенной. Это определяет разнос компонент дублета по частоте, тем больший, чем больше искажен выходной резонатор. Иначе говоря, условие резонанса для ненагруженной компоненты всегда записывается как ϕ₀N = 2πn (1), а для нагруженной компоненты - как ϕ′N±ψ = 2πn (2).
При ψ→±π электронно-волновое взаимодействие становится для нагруженной компоненты невозможным; в этом случае в электронно-волновом взаимодействии участвует лишь ненагруженная компонента, для которой условие замкнутости электронного потока всегда идеально выполняется, а ее резонансная частота определяет частоту генерации. Что же касается нагруженной компоненты, то за ней остается единственная функция отвода энергии в нагрузку, но и с этим она справляется много хуже, чем при малых значениях ψ. КПД магнетрона при этом существенно падает. Максимальный КПД в МПВ может быть реализован при минимально возможном значении ψ(ψ→0).
Аналитическое выражение для фазового скачка можно получить, приравняв между собой левые части равенств (1) и (2), откуда следует
|Ψ| = |ϕ₀-ϕ′|•N (3)
Значение ψ может быть экспериментально определено на холодных измерениях следующим образом. Измеряются резонансные частоты f₀ ненагруженных компонент дублетов всех видов колебаний, для которых значения ϕ₀ = 2πn известны, что и позволяет построить на графике точную дисперсионную характеристику. Далее измеряется резонансная частота f' нагруженной компоненты исследуемого вида колебаний, для которой значение ϕ = ϕ′ неизвестно. Однако, поскольку точка (ϕ′, f′) должна лежать на том же графике, то знания одной только координаты f' достаточно для нанесения точки на график и определения оттуда второй координаты, то есть значения ϕ′. Далее по формуле (3) рассчитывается величина Ψ.
Описанная методика проиллюстрирована графиком на фиг.1, на котором построена (по ненагруженным компонентам) дисперсионная характеристика одного из разрабатываемых на предприятии МПВ 8-миллиметрового диапазона длин волн (N= 16), причем эти компоненты отмечены на графике точками. На тот же график нанесены и нагруженные компоненты, помеченные крестиками. Проекции точек (f₀, ϕ₀) и крестиков (f′, ϕ′) на ось ординат дают значения ϕ₀ и ϕ′.
Формула (3), равно как и фиг.1, наглядно показывают, что при фиксированном N значение ψ определяется только двумя факторами:
1) величиной вносимой в выходной резонатор реактивности, контролируемой по частному разносу компонент дублета;
2) крутизной дисперсионной характеристики на исследуемом виде колебаний.

Следует отметить, что при одинаковом частотном разносе компонент дублета значение ψ тем меньше, чем ниже номер вида колебаний n ввиду более пологого характера дисперсии. В этом состоит одно из преимуществ работы на видах с низкими номерами: даже значительные азимутальные неоднородности не приводят в этом случае к большим скачкам фазы.

Конкретные значения ψ в разобранном примере составили:
на виде n=5-190^o
на рабочем виде n=4-120^o
на виде n=3-30^o
Во всех случаях, когда значение ψ на рабочем виде колебаний велико, требуется принимать меры по его снижению, иначе КПД магнетрона будет низким. Практически эта задача сводится в МПВ к максимальному приближению частоты f' к частоте f₀ путем компенсации дополнительной реактивности, вносимой в выходной резонатор выводом энергии, иначе говоря, - к получению минимально возможного частотного разноса компонент дублета.

В общем случае, величина и знак дополнительно вносимой в выходной резонатор реактивности определяются степенью искажения этого резонатора выходным устройством. В МПВ используется только один вид вывода энергии - щелевой, что несколько упрощает задачу, делая ее однотипной для всех МПВ. Свойства щелевого вывода энергии таковы, что f'<f₀, т.е. частоту нагруженной компоненты дублета рабочего вида колебаний требуется увеличивать до ее совпадения с частотой f₀ или хотя бы до ее максимально возможного приближения к частоте f₀. Многочисленные попытки авторов решить эту задачу изменениями выходного устройства оказались малоэффективны, особенно с учетом необходимости одновременного получения заданного значения внесенной добротности Q_вн. Поэтому было найдено другое, более эффективное и одновременно более конструктивно простое решение, составляющее сущность заявляемого изобретения: объем индуктивной части выходного резонатора уменьшается до получения как можно меньшей разницы резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний, а именно:

где f₀ - резонансная частота ненагруженной компоненты дублета рабочего вида колебаний;
f' - резонансная частота нагруженной компоненты дублета рабочего вида колебаний.

В этом случае требуемое увеличение резонансной частоты нагруженной компоненты дублета рабочего вида колебаний реализуется увеличением собственной частоты выходного резонатора путем изменения его геометрических размеров, конкретно - уменьшением объема его индуктивной части. При этом восстанавливается нарушенная азимутальная симметрия резонаторной системы (электрическая, а не геометрическая), фазовый скачок ψ ликвидируется или низводится до минимального уровня, что позволяет реализовать максимальную эффективность электронно-волнового взаимодействия, а, проще говоря, - максимальный КПД.

Вносимые в выходной резонатор изменения не должны затрагивать пространство взаимодействия и вывод энергии. Конструкции выходного резонатора схематически изображены на фиг. 2-4. Фиг.2 показывают обычную конструкцию, а фиг. 3-4 - 2 варианта предлагаемой конструкции, дающие одинаковое уменьшение объема резонатора и, соответственно, одинаковый конечный результат. Вариант, представленный на фиг.3а, кажется более простым, но его прямое использование приводит к утолщению щели связи, т.е. к возрастанию значения О_вн (щель связи является запредельным волноводом). Для сохранения прежнего значения Q_вн требуется доработка толщины щели связи до прежней величины, а такая доработка во многих случаях затруднительна (фиг.3б). В этом плане вариант, представленный на фиг.4, выглядит предпочтительней, т.к. щель связи в этом случае не меняется.

Степень изменения собственной частоты выходного резонатора различна в разных конкретных ситуациях в зависимости от исходного значения ψ, но во всех случаях она поддается примерному расчету, что потом уточняется и при необходимости корректируется на холодных измерениях по вышеописанной методике.

В заключении следует указать, что частотный разнос компонент дублета является надежным инструментом оценки фазового скачка только при отсутствии в резонаторной системе дополнительных азимутальных неоднородностей. Допустим, например, что в системе, помимо вывода энергии, имеется еще одна дополнительная азимутальная неоднородность. В этом случае в системе существуют 2 скачка фазы ψ₁ и ψ₂, а условие замкнутости волны для нагруженных компонент дублета запишется в виде
ϕ′N±ψ₁±ψ₂ = 2πn (4)
Можно, в частности, выбрать такую величину этой дополнительной неоднородности и такое ее азимутальное местоположение, когда ψ₁ = -ψ₂. Тогда скачок фазы ψ₁ компенсируется согласно формуле (4) обратным скачком ψ₂, частотный разнос компонент дублета сводится к минимуму, а значение ϕ в однородных частях системы будет таким же, как и в системе с идеальной азимутальной симметрией, в которой фазовые скачки отсутствуют (ϕ′ = ϕ₀). Однако в данном случае малость частотного разноса компонент дублета не говорит о малости фазового скачка, а лишь означает итоговую взаимную компенсацию двух скачков, что для электронно-волнового взаимодействия далеко не то же самое, хотя и может дать частичный положительный эффект (электронные сгустки, вышедшие из синхронизма с волной после первого скачка, возвращаются в нужную фазу ВЧ-поля вторым скачком, но все же синхронизм не реализуется по всей окружности анода).

Таким образом, измерение значения ψ по вышеописанной методике должно проводиться обязательно на качественно изготовленном анодном блоке, т.е. при отсутствии в резонаторной системе дополнительных азимутальных неоднородностей.

Несмотря на кажущуюся простоту предложенного технического решения, проведенные авторами патентные исследования выявили его новизну. Полезность заявляемого изобретения также не вызывает сомнения, поскольку оно позволяет существенно увеличить КПД МПБ.

Экспериментальная проверка заявляемого изобретения была проведена на одном из разрабатываемых на предприятии МПВ 8 - миллиметрового диапазона длин волн. Данный МПВ при N=16 работает на виде колебаний n=4 (ϕ₀ = 90^°) и имеет при Q_вн=100 значение ψ = 120^°(f₀-f'=450 МГц), что совершенно неудовлетворительно, и именно из-за этого магнетрон имеет низкий КПД=5-7%. Три изготовленных экспериментальных образца с уменьшенным объемом индуктивной части выходного резонатора показали ψ=36^o (f₀-f'=100 МГц) и КПД=15-20%. Таким образом, реализация предложенного технического решения повысила КПД в 3 раза.

Источник информации
1. Электронная техника, серия 1, Электроника СВЧ, 12, 1972, с. 39.

Изобретение относится к электровакуумным приборам, в частности к магнетронам поверхностной волны (МПВ). Техническим результатом является повышение КПД. Сущность решения в том, что объем индуктивной части выходного резонатора уменьшается до получения как можно меньшей разницы резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний, а именно

где f_o - резонансная частота ненагруженной компоненты дублета рабочего вида колебаний; f^' - резонансная частота нагруженной компоненты дублета рабочего вида колебаний. 4 ил.

Магнетрон поверхностной волны с асимметричным щелевым выводом энергии и ламельной резонаторной системой, отличающийся тем, что объем индуктивной части выходного резонатора уменьшен до получения как можно меньшей разницы частот между компонентами дублета рабочего вида колебаний, а именно

где f_o - резонансная частота ненагруженной компоненты дублета рабочего вида колебаний;
f' - резонансная частота нагруженной компоненты дублета рабочего вида колебаний.