КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН Российский патент 2009 года по МПК H01J25/55 

Предлагаемое устройство относится к магнетронным генераторам, а более конкретно к коаксиальным магнетронам, и может быть использовано в радиолокации, системах радиоуправления, связи и в других областях техники для генерации высокостабильных по частоте сигналов СВЧ.

Известен коаксиальный магнетрон (КМ) или магнетрон с коаксиальным резонатором (см., например. Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями, т.2 - М.: Издательство иностранной литературы, 1961 г., стр.119-129; Электронные приборы СВЧ: Учебное пособие для вузов/Березин В.М., Буряк B.C., Гутцайт Э.М., Марин В.П. - М.: Высш. шк., 1985, стр.110-112). Он содержит катод, окружающую его резонаторную систему (PC), состоящую из коаксиального резонатора (КР), расположенного на его внутренней цилиндрической стенке анодного резонаторного блока с ламелями и выполненными в этой стенке щелями связи. Вывод энергии магнетрона расположен на наружной цилиндрической стенке КР.

Как правило, PC магнетронов, в том числе и КМ, изготавливается из меди как материала с наилучшим комплексом параметров, требуемых для резонаторных систем электровакуумных приборов СВЧ (см. Голант М.Б., Маклаков А.А., Шур М.Б. Изготовление резонаторов и замедляющих систем электронных приборов. - М.: Сов. радио, 1969). Медь является немагнитным материалом, обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, высокими вакуумными свойствами, легко подвергается пайке, сварке и различным видам механической и химической обработки и т.д. Равноценной замены меди до настоящего времени не нашлось и магнетроны с резонаторными системами, изготовленными из других материалов, широкого распространения не получили.

Существенным недостатком магнетронов, у которых PC изготовлена из меди, является сильная зависимость их рабочей частоты от температуры, что обусловлено большим коэффициентом теплового расширения (КТР) меди. Эта зависимость характеризуется такими параметрами частотной стабильности, как температурный коэффициент частоты и выбег частоты, типичные значения которых для магнетронов с медными PC соответственно составляют (1,5÷1,8)·10^-5·f/градус и (1÷2)·10^-4·f, где f - частота генерации.

В этой связи применение в приемопередающей аппаратуре магнетронов с медными PC требует использования технически сложных, крупногабаритных и дорогостоящих устройств автоматической подстройки частоты в передатчике или в приемнике.

Таким образом, задача повышения температурной стабильности частоты магнетронов и, в частности коаксиальных магнетронов, является актуальной.

Возможность управления температурной стабильностью частоты генерации коаксиальных магнетронов основана на различном по величине и характеру влиянии на указанную частоту ряда размеров PC. Наиболее сильно частота генерации изменяется при изменении диаметра наружной цилиндрической стенки и осевого размера (расстояния между торцовыми стенками) КР.

Тем самым задача повышения температурной стабильности частоты сводится к уменьшению температурных изменений указанных размеров, что может быть достигнуто выполнением деталей PC, определяющих эти размеры, из материалов с малыми КТР.

В патенте Российской Федерации №2024101, кл. H01J 25/50 от 08.10.86 представлена принятая за прототип конструкция КМ с вакуум-плотной наружной цилиндрической стенкой коаксиального резонатора, изготовленной из металлизированной керамики. Применяемые в конструкциях магнетронов и других электровакуумных приборах СВЧ керамические материалы имеют существенно меньший по сравнению с медью КТР. Однако в описании изобретения вопросы влияния КТР материалов на стабильность частоты магнетрона не рассматриваются, а величина КТР керамики рассматривается как фактор, влияющий на вакуумную плотность магнетрона. В качестве технического эффекта применения керамики для изготовления наружной стенки коаксиального резонатора декларируется увеличение широкополосности выходного устройства и упрощение его конструкции.

Как конструкция КМ, обеспечивающая температурную стабильность генерируемой частоты, данная конструкция характеризуется существенными недостатками:

- керамическая наружная стенка коаксиального резонатора является частью вакуумной оболочки магнетрона, при этом применение других, более перспективных с точки зрения стабильности частоты, но не вакуум-плотных материалов (например, молибдена), невозможно;

- детали, изготовленные из материалов с различными КТР, имеют непосредственный механический контакт (зазоры между этими деталями отсутствуют). Применение несогласованных материалов с высокой теплопроводностью при отсутствии зазоров может приводить к деформациям и нарушению вакуумной плотности магнетронов при их изготовлении или эксплуатации. Согласованные с керамикой по КТР металлы характеризуются значительно меньшей по сравнению с медью теплопроводностью, что ухудшает отвод тепла. Обычно применяемая в электровакуумных приборах СВЧ алюмооксидная керамика также характеризуется низкой теплопроводностью, а бериллиевая керамика является токсичной. Высокая теплопроводность материалов особенно необходима в магнетронах миллиметрового диапазона длин волн, в которых тепловые нагрузки, как правило, велики;

- изготовление керамических деталей сложной формы вызывает значительные трудности. Так, например, к керамике неприменим такой прогрессивный вид механической обработки как электроэрозия, а значительные деформации и усадки керамических деталей при спекании требуют применения шлифовки, что в труднодоступных местах деталей не всегда возможно;

- отсутствие зазоров влияет на температурные изменения размеров деталей, изготовленных из материалов с различными КТР, что приводит к увеличению температурных изменений размеров деталей, изготовленных из материалов с низкими КТР. Это снижает эффект компенсации температурного изменения частоты генерации.

Техническим эффектом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение температурной стабильности частоты генерации коаксиального магнетрона без ухудшения других его параметров.

Повышение температурной стабильности частоты генерации в коаксиальном магнетроне достигается тем, что наружная цилиндрическая стенка коаксиального резонатора или наружная цилиндрическая стенка и жестко прикрепленные к ней одна или обе торцовые стенки коаксиального резонатора выполнены из материала с меньшим КТР, чем КТР материалов других частей резонаторной системы, при этом стенки, выполненные из материала с меньшим КТР, отделены от примыкающих к ним других частей резонаторной системы и корпуса магнетрона зазорами.

В частности, наружная цилиндрическая стенка и при необходимости торцовые стенки коаксиального резонатора могут быть изготовлены из молибдена или керамики, а другие части резонаторной системы, а также теплоотводящий корпус магнетрона, являющийся частью его вакуумной оболочки, - из металла с высокой электропроводностью и теплопроводностью, например, из меди, при этом одна или обе торцовые стенки коаксиального резонатора могут быть жестко прикреплены к его наружной цилиндрической стенке. Стенки, изготовленные из материала с малым КТР, отделены от примыкающих к ним других частей PC и корпуса магнетрона зазорами.

Для обеспечения малых высокочастотных потерь внутренние поверхности стенок могут иметь плотно прилегающее покрытие металлом с большой электропроводностью. Толщина покрытия должна быть не более 0,2 от толщины стенки и не менее, чем в 2-3 раза превышать глубину проникновения электромагнитного поля в этот металл на рабочей частоте магнетрона (толщину скин-слоя).

Наличие в заявляемой конструкции КМ зазора между наружной цилиндрической стенкой коаксиального резонатора и корпусом магнетрона создает дополнительные возможности для подавления паразитных не π-видов колебаний.

Известно (см. Силин Р.А. Методы подавления паразитных видов колебаний. Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1976, №11, стр.8), что наиболее эффективное подавление паразитных не π-видов колебаний в КМ осуществляется при наличии в центральной части наружной цилиндрической стенки КР протяженной азимутальной щели с размером в осевом направлении КР, много меньшим рабочей длины волны, и размером в радиальном направлении, близким к четверти длины волны основного паразитного вида колебаний, при наличии с внешней стороны стенки примыкающей к щели полости с высокочастотным поглотителем. Исходя из наличия вывода энергии и механической целостности стенки азимутальная протяженность щели может быть выбрана меньше половины длины окружности или же может быть выполнено несколько щелей с перемычками между ними. При этом важно, чтобы щели находились в максимумах осевых токов наиболее опасных паразитных видов колебаний при их наиболее опасной азимутальной ориентации. Так как обычно в КМ наиболее опасными паразитными видами являются виды с числом максимумов осевых токов 2 и 4, а наиболее опасной азимутальной ориентацией их является нахождение максимума в области вывода энергии, то одинарная щель должна располагаться напротив вывода энергии и иметь длину не менее радиуса наружной стенки. При изготовлении нескольких щелей перемычки между ними не должны располагаться напротив и под 90 градусов относительно вывода энергии при той же суммарной азимутальной протяженности.

На фигурах 1÷3 изображены различные варианты резонаторной системы заявляемой конструкции магнетрона.

На фиг.1 изображена PC с жестким соединением торцовых стенок 1 и 2 с внутренней цилиндрической стенкой КР 3. Наружная цилиндрическая стенка 4, изготовленная из материала с малым КТР, отделена от остальных элементов PC и теплоотводящего корпуса 5 магнетрона зазорами. Эластичная манжета 6 обеспечивает крепление стенки 4, не влияя на температурные изменения элементов PC и устраняя механические напряжения между ними. Азимутальная щель 7 и высокочастотный поверхностный поглотитель 8 обеспечивают подавление паразитных видов колебаний. Применение высокочастотного поглотителя, расположенного на поверхности корпуса магнетрона, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью, существенно повышает механическую и тепловую устойчивость заявляемого магнетрона по сравнению с КМ, в которых применяются керамические объемные поглотители (см., например, патент Российской Федерации №1840442, кл. H01J 25/50 от 29.01.79).

Дополнительное уменьшение температурных изменений осевого размера КР, а следовательно и генерируемой частоты, может быть достигнуто жестким соединением торцовых стенок с наружной цилиндрической стенкой, при этом внутренняя цилиндрическая стенка КР должна быть отделена от торцовых стенок кольцевыми зазорами. Это показано на фиг.2, где торцовые стенки 1 и 2 жестко соединены с наружной цилиндрической стенкой 4 и отделены зазорами от внутренней цилиндрической стенки 3 и теплоотводящего корпуса 5.

Фиг.3 иллюстрирует конструкцию PC перестраиваемого KM, в которой торцовая стенка 1 выполнена подвижной в виде бесконтактного поршня, а торцовая стенка 2 жестко соединена с наружной цилиндрической стенкой 4.

Внутренние поверхности стенки 4 (фиг.1), стенок 1, 2 и 4 (фиг.2) и стенок 2 и 4 (фиг.3), изготовленных из материалов с малым КТР, имеют покрытие 9 металлом с большой электропроводностью.

Способ покрытия не имеет принципиального значения. Такое покрытие может быть изготовлено методами диффузионной сварки, пайки фольги, химического, электрохимического осаждения или другими достаточно широко используемыми в электронной технике методами. Максимальная толщина покрытия ограничена 0,2 толщины стенки, так как дальнейшее увеличение толщины слоя металла с большим КТР приводит к увеличению результирующего КТР всей стенки и к уменьшению технического эффекта, а также к возможным нарушениям конструкции из-за возникающих при изменении температуры стенки механических напряжений. Минимальная толщина покрытия определяется 2-3 толщинами скин-слоя, т.е. слоя, в котором в основном сосредоточены высокочастотные токи резонатора, и дальнейшее уменьшение толщины покрытия приведет к резкому увеличению высокочастотных потерь в резонаторе и к ухудшению параметров магнетрона.

При включении магнетрона в режим генерации начинается электронная бомбардировка поверхности анода, в результате которой начинается прогрев резонаторной системы, приводящий к увеличению размеров образующих ее деталей пропорционально КТР и увеличению температуры, что приводит к уменьшению частоты генерации. Так как в КМ частота генерации в основном определяется резонансной частотой КР, то в этом процессе определяющую роль играют размеры КР и в первую очередь диаметр наружной цилиндрической стенки и осевой размер КР. Уменьшение относительных изменений этих размеров вследствие уменьшения КТР материала, из которого изготовлена наружная цилиндрическая стенка, приводит к уменьшению изменения частоты генерации, т.е. повышает температурную стабильность частоты генерации магнетрона. Прикрепление к наружной цилиндрической стенке торцовых стенок увеличивает эффект. При этом теплопроводность материала, из которого изготовлена наружная цилиндрическая стенка, играет подчиненную роль, т.к. основные тепловые потоки, определяющие нагрев резонаторной системы, проходят на теплоотводящий корпус мимо этой детали. При медленном по сравнению с временем прогрева магнетрона изменении температуры окружающей среды температура всех деталей, образующих PC, изменяется одинаково и относительное изменение размеров PC и ее резонансной частоты определяется только КТР материалов, из которых изготовлены детали.

Проведенные расчеты резонансной частоты коаксиального магнетрона 8 мм диапазона длин волн, работающего на π-виде колебаний анодного блока и Н₀₁₁ виде коаксиального резонатора, показали, что:

- температурный коэффициент частоты (ТКЧ) магнетрона с медной PC равен минус 0,55÷0,6 МГц/градус;

- ТКЧ магнетрона при изготовлении наружной цилиндрической стенки коаксиального резонатора из молибдена, а других частей резонаторной системы из меди составляет 0,2÷0,25 МГц/градус, т.е. в 2÷3 раза меньше;

- ТКЧ магнетрона при изготовлении наружной цилиндрической и торцовых стенок коаксиального резонатора из молибдена, а других частей резонаторной системы из меди составляет 0,13÷0,15 МГц/градус, т.е. в 4÷5 раз меньше.

Для экспериментальной проверки заявляемого технического эффекта были изготовлены образцы одного из вариантов предлагаемого КМ, отличающиеся от образцов серийного КМ 8 мм диапазона длин волн тем, что медная деталь, образующая наружную цилиндрическую стенку коаксиального резонатора, была заменена на молибденовую аналогично тому, как это показано на фиг.1. Деталь имела полученное диффузионной сваркой медное покрытие внутренней поверхности толщиной 0,5 мм при общей толщине детали 3,25 мм, что составляет 0,15 от толщины детали.

Сравнительные данные измерений ТКЧ и выбега частоты образцов серийного и предлагаемого магнетронов приведены в таблице. Из таблицы следует, что в результате модификации значения указанных параметров уменьшились почти в 3 раза. Эти данные также подтвердили результаты проведенных расчетов ТКЧ и показали, что медное покрытие внутренней поверхности толщиной 0,15 от толщины детали не оказывает существенного влияния на температурные изменения размеров молибденовой детали.

Другие параметры магнетрона не изменили своих значений.

 Наименование образцаПараметрТКЧ, МГц/°СВыбег частоты, МГцОбразец серийного КМ- 0,6- 18,5Образец предлагаемого КМ- 0,22- 6,5

Таким образом, сохраняя все параметры серийного магнетрона, предлагаемый магнетрон значительно превосходит его по стабильности частоты генерации.

Изобретение предназначено для использования в области радиотехники, а именно: в радиолокации, системах радиоуправления, связи и в других областях техники для генерации высокостабильных по частоте сигналов СВЧ. Техническим результатом является повышение температурной стабильности частоты. Технический результат достигается тем, что коаксиальный магнетрон содержит анодный резонаторный блок с ламелями и коаксиальный резонатор, коаксиально расположенные и разделенные цилиндрической стенкой с выполненными в ней щелями связи. Наружная цилиндрическая стенка коаксиального резонатора или наружная цилиндрическая стенка и жестко прикрепленные к ней одна или обе торцовые стенки коаксиального резонатора изготовлены из материалов с меньшим коэффициентом теплового расширения, чем у материалов других частей резонаторной системы. Стенки из материалов с меньшим коэффициентом теплового расширения отделены от примыкающих к ним других частей резонаторной системы и корпуса магнетрона зазорами. При изготовлении наружной цилиндрической стенки коаксиального резонатора или наружной цилиндрической стенки и жестко прикрепленных к ней одной или обеих торцовых стенок из молибдена или керамики, указанные стенки имеют внутреннее покрытие медью толщиной не более 0,2 толщины стенок, но не менее 2-3 толщин скин-слоя меди на рабочей частоте магнетрона. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Коаксиальный магнетрон, содержащий коаксиально расположенные и разделенные цилиндрической стенкой с выполненными в ней щелями связи анодный резонаторный блок с ламелями и коаксиальный резонатор, отличающийся тем, что наружная цилиндрическая стенка коаксиального резонатора или наружная цилиндрическая стенка и жестко прикрепленные к ней одна или обе торцовые стенки коаксиального резонатора изготовлены из материалов с меньшим коэффициентом теплового расширения, чем коэффициент теплового расширения материалов других частей резонаторной системы, при этом стенки из материалов с меньшим коэффициентом теплового расширения отделены от примыкающих к ним других частей резонаторной системы и корпуса магнетрона зазорами.2. Магнетрон по п.1, отличающийся тем, что наружная цилиндрическая стенка коаксиального резонатора или наружная цилиндрическая стенка и жестко прикрепленные к ней одна или обе торцовые стенки коаксиального резонатора изготовлены из молибдена или керамики и имеют внутреннее покрытие медью толщиной не более 0,2 толщины стенок, но не менее 2-3 толщин скин-слоя меди на рабочей частоте магнетрона.