МАГНЕТРОН ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ Российский патент 2003 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к области электровакуумных приборов, конкретнее к магнетронам поверхностной волны (МПВ).

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" колебании, а на "-1-й" пространственной гармонике видов колебаний с низкими номерами, имеющих дублетный характер. В последнее время МПВ широко применяются для генерирования СВЧ-колебаний миллиметрового диапазона длин воли. Один из таких серийно выпускаемых МПВ выбран авторами в качестве прототипа [1].

Работа МПВ имеет ряд принципиальных отличий от работы "π-видных" магнетронов, связанных с дублетным характером рабочего вида колебаний - особенностями электронно-волнового взаимодействия при низкой величине магнитной индукции, малым разделением конкурирующих видов колебаний по частоте и анодному напряжению из-за невозможности применения связок. В связи с перечисленными специфическими особенностями одной из важнейших проблем, возникающих при проектировании МПВ, является разрешение конкуренции видов колебаний в пользу выбранного рабочего вида, иначе говоря, - обеспечение доминации рабочего вида колебаний над конкурирующими видами. Успешное решение этого ключевого вопроса обеспечивает существование рабочего вида колебаний в максимально широкой области магнитных полей и анодных токов, что дает необходимую свободу маневра при выборе рабочей точки и позволяет реализовать на рабочем виде колебаний максимальный КПД электронно-волнового взаимодействия.

Одним из способов обеспечения доминации рабочего вида колебаний в МПВ является правильный выбор параметра
μ = (L-t)/L (1),
где L - шаг резонаторной системы по аноду;
t - толщина ламели;
(L-t) - ширина СВЧ-промежутка.

Параметр μ является одной из основных характеристик пространства взаимодействия магнетрона, взаимно связывающий такие важные конструктивные параметры, как толщина (ширина) ламели 1 и шаг резонаторной системы L. При заданных значениях t и L величина μ определяет ширину СВЧ-промежутков, а следовательно, и время нахождения в этих промежутках сгруппированных электронных сгустков.

В "π-видных" магнетронах допускается весьма широкая регулировка параметра μ, в пределах 0,35≤μ≤0,7; при этом несколько меняется КПД, но доминация π-вида колебаний сохраняется. Можно считать, что регулировка μ в "π-видных" магнетронах влияет преимущественно на их "тонкие" параметры, например на интенсивность излучения высших гармоник [2]. В МПВ, напротив, лишь точный выбор μ определяет генерацию желательного вида колебаний и его доминацию над конкурирующими видами.

Проведенные авторами патентные исследования не выявили даже ясных качественных соображений о выборе μ в МПВ, не говоря уже о конкретной величине этого параметра. Заявляемое изобретение должно восполнить этот пробел.

МПВ по сравнению с "π-видными" магнетронами характеризуются более медленным движением электронных сгустков относительно ламелей. Соответственно, время τ пролета каждого электронного сгустка СВЧ-промежутка получается в МПВ больше, чем в "π-видном" магнетроне. Например, при μ=0,5 и работе на π-виде реализуется τ=t/4 (Т - период СВЧ-колебаний), а при работе на "-1-й" пространственной гармонике вида n=N/4 реализуется τ=3/8Т; при работе МПВ на видах с еще более низкими номерами, значение τ еще выше.

Желание увеличить КПД электронно-волнового взаимодействия в МПВ диктует необходимость увеличения τ, следовательно, и увеличения μ. Действительно, все известные МПВ имеют μ>0,5. Однако нельзя увеличивать значение τ беспредельно, поскольку при τ>Т/2 электронные сгустки на входе в СВЧ-промежуток и на выходе из него полностью или частично будут попадать в "ускоряющую" фазу ВЧ-поля вместо "тормозящей", что может привести к снижению КПД и даже к срыву генерации. Проведенные авторами экспериментальные обследования ряда МПВ показали в большинстве случаев полное отсутствие генерации тех видов колебаний, для которых τ>Т/2, и весьма малоинтенсивную генерацию видов, для которых величина τ находится в пределах 0,46T≤τ≤0,49T. Таким образом, верхний предел значения времени пролета τ для рабочего вида колебаний составляет величину τ_рв=0,45T. В этом случае реализуется доминация рабочего вида колебаний как над ближайшим низковольтным (более низкочастотным) видом, для которого значение времени пролета слишком велико, так и над ближайшим высоковольтным (более высокочастотным) видом, для которого время пролета меньше, чем для рабочего вида.

Нижний предел величины τ для рабочего вида колебаний определяется следующими соображениями.

Уменьшение времени пролета на рабочем виде за счет уменьшения μ автоматически приводит к уменьшению этого времени и на конкурирующих видах. При этом доминация рабочего вида над ближайшим высоковольтным видом сохраняется, а доминация рабочего вида над ближайшим низковольтным видом нарушается, как только значение времени пролета промежутка на этом виде достигнет величины τ_нв= 0,46Т. Это соответствует значению времени пролета промежутка на рабочем виде τ_рв≅0,43T, что и следует считать нижним пределом.

Таким образом, экспериментальные исследования, проведенные на основании вышеизложенного качественного анализа, показали, что доминацию выбранного рабочего вида колебаний в МПВ обеспечивают значения μ, дающее значение времени пролета τ на рабочем виде колебаний в пределах
0,43Т≤τ_рв≤0,45Т (2),
в чем и состоит физический смысл изобретения. Окончательная же формулировка изобретения должна определять допустимые пределы изменения параметра μ, связывающего между собой основные конструктивные признаки пространства взаимодействия. Найти эти пределы несложно, поскольку в любом магнетроне значения τ и μ связаны между собой простым очевидным соотношением
τ = (n/N±m)μT (3),
где N - число резонаторов;
n - номер рабочего вида колебаний, равный числу волн суммарного поля, укладывающихся по окружности анода;
±m - номер рабочей пространственной гармоники.

Для конкретного случая МПВ, где m=-1, можно, таким образом, записать

или

Используя выражения (2) и (5), получаем пределы изменения μ, обеспечивающие в МПВ генерацию рабочего вида колебаний и его доминанте над конкурирующими видами:

С учетом того, что, сущность изобретения состоит в том, что толщина ламелен t и шаг резонаторной системы L взаимно связаны соотношением

Проведенные авторами патентные исследования выявили новизну предложенного технического решения, так как предложенное в формуле изобретения соотношение (7) ранее было неизвестно. Полезность изобретения также очевидна, поскольку оно позволяет реализовать наилучшие электрические параметры МПВ на заранее намеченном виде колебаний, что во многих случаях очень важно.

Кроме статистической обработки результатов исследований нескольких известных и разработанных авторами МПВ, была проведена дополнительная экспериментальная проверка предложенного соотношения (6) на одном из разрабатываемых на предприятии МПВ 8-миллиметрового диапазона длин волн. Этот МПВ при N=16 должен был работать на виде колебаний n=4 (при конкурирующих видах n=3 и n= 5) Рассчитанные по формуле (6) пределы изменения μ, определяющие генерацию и доминацию того или иного вида колебаний, составили:
для вида n=3 - 0,53≤μ≤0,554;
для вида n=4 - 0,57≤μ≤0,6;
для вида n=5 - 0,62≤μ≤0,65.

Было изготовлено 10 магнетронов с первоначально выбранным значением μ= 0,62. Они показали явную доминацию вида n=5, а планируемый вид n=4 возбудился лишь на двух изделиях и имел низкий КПД, вид n=3 немного просматривался только на одном изделии.

После корректировки значения μ до величины μ=0,58 все изготовленные 10 магнетронов уже показали явную доминацию вида n=4, а виды n=3 и n=5 имели крайне низкий КПД.

Полученные экспериментальные результаты находятся в хорошем соответствии с формулой (7).

Изобретение относится к электровакуумным приборам, конкретнее к магнетронам поверхностной волны. Техническим результатом является обеспечение доминации рабочего вида колебаний над конкурирующими видами. Приведено математическое соотношение для выбора толщины ламелей и шага резонаторной системы, обеспечивающее оптимальные рабочие характеристики магнетрона.

Магнетрон поверхностной волны, имеющий ламельную резонаторную систему, отличающийся тем, что толщина ламелей и шаг резонаторной системы взаимно связаны соотношением

где N - число резонаторов;
n - номер рабочего вида колебаний;
L - шаг резонаторной системы;
t - толщина ламелей.