Магнетрон Советский патент 1992 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к СВЧ прибо рам магнетронного типа, содержащим многоэтажную периодическую замедляющую систему со связками в длинном анодном блоке и переходное согласующее коаксиальное устройство вывода энергии.

Известна конструкция магнетрона, в котором высокочастотная мощность выводится в нагрузку с торца замедляющей системы через конусообразную коаксиальную линию, электрически и механически соединенную внешним проводником со связкой большего диаметра, а внутренним проводником - со связкой меньшего диаметра. Это переходное согласующее коаксиальное устройство вывода энергии обеспечивает рильную и равномерную по азимуту t связь вывода энергии с замедляющей системой магнетрона. Однако конструк ция такого магнетрона имеет ряд недостатков , а именно: конструкция переходного согласующего коаксиального устройства вывода энергии не обеспечивает получение одинаково сильной связи в широкой полосе частот для различных видов колебаний типа в магнетроне с многоэтажной периодической замедляющей системой. Это приводит к недостаточной загрузке конкурирующих видов колебаний и неустойчивой работе прибора на рабочем ТЕ.} («О) виде колебаний;2 торцовая связь вывода энергии с замедляющей системой не обеспечивает получение одинаковой нагруженной доб ротности рабочего ТЕдК вида колебаНИИ по всей й-пине многоэтажной замед ляющей системы, что приводит к сниже нию КПД прибора; торцовое переходное согласующее коаксиальное устройство вывода энергии имеет достаточно сильную электри ческую связь с катодом, что приводит к опасному и нежелательному при эксплуатации магнетрона излучению СВЧ мощности через катодные изоляторы, к ухудшению стабильности работы прибора и аппаратуры, к снижению КПД мощности и ТсДо; конусообразная коаксиальная линия торцового переходного согласующего устройства вывода энергии имеет относительно небольшую полосу согласования (особенно при больших диаметра связок), что ограничивает применение торцового устройства в магнетроне с многоэтажной замедляющей системой. Наиболее близким техническим реше нием является конструкция магнетрона с анодной замедляющей системой со связками и коаксиальным переходным согласующим устройством вывода энергии, которое соединено с одной связкой и корпусом замедляющей систе мы со стороны боковой части анодного блока о Такая конструкция магнетронаимеет следующие недостатки: связь вывода энергии с замедляющей системой осуществляется только в одном месте по ее длине Однако резонансные виды колебаний типа ТЕ,п N N 2 (т 0,1,2,.. .п 2 « ) многоэтажной замедляющей системы имеют неодинаковое распределение амплитуды высокочастотного поля по длине замедляющей системы. В связи с этим величина связи вывода энергии существенно не одинакова на различных видах колебаний, что не позволяет одновре загрузить рабочий вид менно хорошо колебаний и остальные конкурирующие виды. Магнетрон в этом случае работает неустойчиво и не отдает нуж ной мощности) пропускная способность переходного согласующего коаксиального устройства вывода энергии с сосредоточенной связью в одном каком-либо месте замедляющей системы недостаточна для реализации большой выходной мощности магнетрона с многоэтажной замедляющей системой типа двумерно-периодической или трехмернопериодимеской; сильная локализованная связь переходного согласующего устройства, если удается такую получить на рабочем виде колебаний, приводит к появлению азимутальной и осевой неоднородности (искажению) амплитуды высокочастотного поля, к неодинаковой нагруженной добротности рабочего вида колебаний по длине анодной системы и в конечном итоге к уменьшению КПД и мощности магнетрона. Целью изобретения является увеличение выходной мощности магнетрона с .устойчивым возбуждением на рабочем виде колебаний, а также увеличение связи и получение нагруженной добротности на конкурирующих видах колебаний, меньшей, чем на рабочем виде. Указанная цель достигается тем, что в магнетроне, содержащем анодную многоэтажную замедляющую систему со связками, коаксиальное согласующее переходное устройство вывода энергии, соединенное со связками, часть коаксиального переходного согласующего устройства выполнена в виде многоэтажной одномерйо-периодической коаксиальной ребристой замедляющей системы при этом периоды замедляющих систем равны между собой, а ребра замедляющей системы коаксиального переходного согласующего устройства расположе ны против связок анодной многоэтажной замедляющей системы и соединены с ними, причем максимальное число связанных этажей обеих систем выбран из условия, определяемого по формуле Р .Н -- , Moitc .(1 + in),.h. -Де PMQKC максимальное число связанных этажей; ,1, - индекс конкурирующего вида колебаний волны типа ТЕ; hjJ - высота этажа анодной за медляющей системы (расстояние между связками этажей, равное расстоянию между ребрами коаксиальной ребристой сиетемы); Н- длина анодной замедляющей системы. Указанная цель достигается также тем, что замедляющая система коаксиального переходного согласующего устройства выполнена с кольцевыми ре рами разногодиаметра о На фиг. 1 представлен один из возмож ных вариантов констоукции магнетрона с коаксиальным переходным согласующим устройством вывода энергии, выполн нным в виде многоэтажной одномерно периодической замедляющей системы типа коаксиальной ребристой структуры; на фиг. 2 - то же, вид сверху. Магнетрон содержит анодную многоэтажную замедляющую систему 1, состо ящую из нескольких этажей парных связок 2, периодически расположенных по всей длине анодной замедляющей системы 1 на расстоянии h между этажамио Анодная замедляющая системй 1 электрически связана с коаксиал ным переходным согласующим устройством 3 вывода энергии, встроенным в анодную систему 1. Коаксиальное переходное согласующее устройство 3 (коаксиал) вывода энергии частично выполнено в виде гладкой коаксиальной линии, а частично - в виде коаксиальной ребристой системы (одномерно-перийдйческой замедляющей системы), состоящей из кольцевых ребер , периодически расположенных на внутреннем проводнике 5 коаксиального переходного согласующего устройства 3. Кольцевые ребра Moryt также располагаться на -внешнем проводнике с его внутренней стороны 7, При этом период h коаксиальной ребристой системы равен периоду h анодной замедляющей системы 1, а ребра и связки 2 соответствующих этажей обеих замедляющих систем расположены друг против друга и посредством проводников 8 механически и электрически соединены между собой через отверстия 9 выполненные во внешнем проводнике 6 коаксиального переходного согласующего устройства 3 и в анодной замедляющей системе 1. Катод 10 магнетрона расположен коаксиально аноднойзамедляющей системе, . . . . .; ; „. v ;; : Максимальное число связанных этажей обеих замедляющих систем выбрано по формуле: Н + где P/wQKC максимальное число связанных этажей; ,1, 2.., индекс конкурирующего вида колебаний типа KQ - высота этажа анодной замедляющей системы ; Н - длина анодной замедляющей системы. Формула выведена с учетом фазовых и амплитудных характеристик распределения в л;окочастотного поля по длине анодной системы конкурирующего вида колебаний волны типа ТЕ Коаксиальная ребристая cHcteMa связана с анодной системой на той асти длины анода, где мгновенное аспределение высокочастотного поя /конкурирующего вида изменяет доль оси свою амплитуду, но не меяет фазы. Эта часть длины анода составляет Н еличину --- т + m 710 Согласно широкоизвестному условию устойчивого возбуждения и генерации мощности на рабочем виде колебаний (например, на If О - виде), конкурирующие виды необходимо связывать с выводом энергии сильнее, чем рабочий вид колебаний, так чтобы выполня лись соотношения: 2Q.H(TE.) и(ТЕой), где Q,(TE) - нагруженная добротность конкурирующих видов колебаний; Q(TE j - нагруженная доброт2. ность рабочего О вида колебанийо Для этого в конструкции магнетрона коаксиальная ребристая система переходного согласующего устройства 3 -выполнена с кольцевыми ребрами разного диаметра, что позволяет осуи;ествить селективную связь в видах колебаний TEj при согласовании и настройке коаксиальной ребристой структуры . Коаксиальная ребристая система переходного согласующего устройства вывода энергии имеет ряд полос пропускания: в длинноволной части первой полосы пропускания для нулевой пространственной гармоники структуры поля в системе приближается к структуре волны ТЕМ коаксиальной линии, во второй ,и последующих полосах пропускания распространяются волны, подобные синфазным волнам типа TM(j регулярного коаксиального волновода Поэтому свойства коаксиальной ребрис той системы-в этих полосах пропускания близки к свойствам диафрагмированного волновода с центральным отверстием связи. Так как период коаксиальной ребристой системы соответствует периоду многоэтажной замедляю щей системы магнетрона, то путем сог ласования входных проводимостей коаксиальной ребристой системы и замедляющей системы на каждом этаже (изменением диаметра кольцевых ребер) возможно добиться наилучших фазовых условий, при которых энергия на всех этапах колебаний ТЕ многоэтажной замедляющей системы почти полностью трансформируется в ребристую коаксиальную систему При этом волны типа ТЕrtin преобразуются в волны типа ТМ о( и ТЕМ коаксиальной лиНИИ, и вся энергия передается в нагрузку. Предлагаемая конструкция магнетрона с коаксиальной ребристой системой переходного согласующего устройства вывода энергии позволяет увеличить мощность, КПД и устойчивость работы магнетронов с многоэтажными двумернопериодическими, трехмерно-периодическими замедляющими системами, имеющими длинный анодный блок за счет увеличения в широкой полосе частот связи со всеми видами колебаний и загрузить не только рабочий вид колебаний, но и конкурирующие, выполнив важнейшие условия работы магнетрона: где нагруженная добротность рабочего вида колебаний; Q Ц1 - нагруженная добротность конкурирующего вида коле-, баний. Конструкция предлагаемого магнетрона с такой распределенной связью переходного согласующего устройства вывода энергии позволяет также получить дополнительные положительные эффекты: получить более равномерную загрузку многоэтажной замедляющей системы по длине анодного блока, что позволяет увеличить контурный КПД (и как следствие полный КПД прибора); повысить пропускную способность переходного устройства за счёт снижения нагрузки на каждом этапе коаксиальной ребристой системы и улучшения условий рассеяния тепловой энергии; увеличить стабильность работы прибора на рабо,чем виде колебаний (стабильность частоты); уменьшить влияние фазы и КСВН нагрузки за счет перераспределения связи, на всю длину анодной системы; уменьшить связь с катодом за счет лучшей осевой и азимутальной однородности амплитуды высокочастотного поля нагруженной замедляющей системы;повысить механическую устойчивость выходного устройства вывода энергии и прибора в целом; исключить необходимость применения селективных фильтров„ При исследовании и испытании предлагаемой конструкции магнетрона. 1 имеющей многоэтажную трехмерно-перио дическую замелляющую систему; получе ны характеристики, превосходящие по параметрам наружной добротности характеристики в сравнении с магнетронами, не имеющими переходного coi- ласующего устройства типа коаксиальной ребристой системы Выходная мощность и устойчивость работы предлага емой конструкции увеличены в несколь ко раз по сравнению с известными конструкциями магнетронов. 0 2.О Повышение технического уровня данного магнетрона по сравнению с базовым объектом позволяет расширить область его применения в народном хозяйстве, в частности в сельском хозяйстве, по внедрению новых высокоэффективных технологических процессов обработки сельскохозяйственных изделий, в СВЧ нагревательных устройствах по обработке мясных и рыбных продуктов и т„д,;

lo МАГНЕТРОН, содержащий анодную многоэтажную замедляющую систему со связками, соаксиальное переходное согласующее устройство вывода энергии, соединенное со связками, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходной мощности магнетрона с устойчивым возбуждением на рабочем виде колебаний, часть коаксиального переходного согласующего устройства выполнена в виде многоэтажной одномерно-периодической ребристой замедляющей системы, при этом периоды замедляющих систем равны между собой, а ребра замедляющей системы коаксиального переходного согласующего устройства расположены против связок анодной многоэтажной замедляющей системы и соединены с ними, причем максимальное число связанных этажей обеих систем выбрано из условия: Н () «аис где Рддакс - максимальное число связанных этаже.й; ,1, - индекс конкурирующего а о а вида колебаний волны типа ТЕ; hj, - высота этажа анодной многоэтажной замедляющей системы (расстояние между связками этажей, равное расстоянию между ребрами коаксиальной ребристой системы); Н - длина анодной замедляющей системыо 2о Магнетрон по п,1, отличающийся тем, что, с целью увеличения связи и получения нагруженной добротности на конкурирующих видах колебаний меньше чем на рабочем виде, замедляющая система коаксиально: го переходного согласующего,устройства выполнена с кольцевыми ребрами разного диаметра

Фиг. Т