ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН Советский патент 1995 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к электронной технике и, в частности, к коаксиальным магнетронам (КМ), используемым в радиолокационных станциях (РЛС) различных назначений, включая морские навигационные РЛС.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей коаксиального магнетрона за счет двухчастотной двухканальной работы.

На фиг. 1 схематично показана в продольном разрезе конструкция предлагаемого КМ; на фиг. 2 вариант исполнения КМ с единым катодом.

КМ (фиг. 1) содержит первый код 1 и анодный блок 2 с анодной замедляющей системой (АЗС) 3, имеющей частоту рабочего π -вида колебаний f₁. АЗС 3 связана со стабилизирующим резонатором (СР) 4 посредством аксиальных щелей связи 5, прорезанных в стенке анодного блока 2 и возбуждающих в СР 4 Н_01р-вид (например, Н₀₁₂-вид) колебаний на частоте f₁. В стенке 6 СР 4 выполнена щель связи 7, возбуждающая выходной прямоугольный волновод 8 на частоте f₁ посредством, например, четвертьволнового трансформатора 9. В анодном блоке 2 у торцов АЗС 3, как обычно, расположены служащие традиционным целям наконечники 10, 11 и традиционный СВЧ-поглотитель 12, подавляющий "щелевой резонанс". Второй блок 13, гальванически контактирующий с анодным блоком 2, снабжен дополнительной (второй) лопаточной замедляющей системой 14, рассчитанной для работы на частоте f₂ при π -виде колебаний, и вместе с вторым катодом 15 образует "второй этаж" КМ. Каждая четная лопатка 16 второй анодной замедляющей системы 14 контактирует (например, за счет паяного соединения) со стенкой анодного блока 13. Каждая же соседняя, нечетная, лопатка 17 снабжена радиальным участком 18, располагаемым бесконтактно в отверстии 19, выполненном в стенке анодного блока 13. Радиальный участок 13 лопатки 17 выступает в СР 4 и гальванически контактирует с аксиальным участком, например штырем 20, образуя в результате этого петлю связи 21, возбуждающую в СР 4 колебания ТЕМ₀₀₁-вида на частоте f₂. Для вывода СВЧ-сигнала на частоте f₂ СР 4 снабжен вторым выходным прямоугольным волноводом 22, связанным с СР 4 посредством щели 23, например, через четвертьволновой (на частоте f₂) трансформатор (на частоте f₂) трансформатор 24.

Так как соответствующие Е- и Н-компоненты СВЧ-полей ТЕМ₀₀₁- м ТК_01р-видов колебаний ортогональны, то для связи волновода 22 с полями ТЕ₀₀₁-вида СР 4 во избежание такой связи с полями ТЕ_01р-вида волновод 22 расположен так, что его широкие стенки лежат в плоскостях, перпендикулярных оси СР 4, тогда как волновод 8 во избежание связи с полями ТЕМ₀₀₁-вида колебаний имеет расположение широких стенок (как обычно в КМ) в плоскостях, параллельных оси СР 4. Соответственно и щели связи 7 и 23 расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.

На фиг. 1 показан также бесконтактный поршень перестройки 25, снабженный СВЧ-дросселями 26, 27, рассчитанными на частоту f₂ ТЕМ₀₀₁-вида колебаний в обеспечение СВЧ-контакта на этом виде колебания, на поля же ТЕ_01р-вида колебаний (на частоте f₁) дроссели 26, 27 вообще не влияют, так как не пересекаются СВЧ-токами ТЕ_01р-видов.

Поршень 25 со стороны запоршневой полости 28 снабжен СВЧ-поглотителями 29, 30 для подавления паразитных видов колебаний ТМ_mnр и ТЕ_mnр СР 4, не оказывая воздействие на ТЕМ₀₀₁-вид колебаний, являющийся рабочим видом на частоте f₂. Полюсный наконечник 31, как и полюсные наконечники 10, 11, служит для формирования требуемого статического магнитного поля в анодном блоке 13. При этом следует заметить, что полюсный наконечник 11 (промежуточный между "этажами" КМ) может содержать и промежуточный магнит (фиг. 1 не показан). Существенным с позиции обеспечения двухчастотной генерации является коррективный выбор диаметров D_н и D_в и высоты L_р (фиг. 1) СР 4.

Пусть заданы рабочие частоты f₁ и f₂ (f₂ < f₁) и требуемые выходные параметры и режим КМ (мощности, напряжения анода) на каждой из частот f₁ и f₂. Тогда размеры и число лопаток (резонаторов) замедляющих систем 3 и 14 анодных блоков 2 и 13 соответственно, а также размеры катодов 1 и 15 выбираются исходя из автономного набора параметров и режимов на частоте f₁ для анодного блока 1 и на частоте f₂ для анодного блока 13. В результате такого выбора определяется внутренний диаметр D_в СР 4. При этом величина D_в для весьма широкого набора параметров и режимов на частотах f₁ и f₂ может быть выбрана одинаковой по всей высоте L_р общего (единого) СР 4. Не меняя сущности предложенной конструкции, диаметр D_в в пределах высоты анодного блока 1 может быть выбран неравным диаметру D_в в пределах высоты анодного блока 13. Для простоты и наглядности дальнейшего рассмотрения можно применять D_в const.

Принципиальным для реализации изобретения является то, что высота L_р СР 4 выбирается равной половине длины ТЕМ волны при заданной частоте f₂:
L_p= (1) где с скорость света в вакууме.

Это соответствует низшему резонансу ТЕМ₀₀₁-вида колебаний СР 4 на высоте f₂ (которая, как видно из соотношения (1), не зависит от диаметров D_н и D_в СР 4). Если высота L_р выбрана из выражения (1), то для обеспечения работы СР 4 на Н_01р-виде колебаний на заданной частоте f₁ значения D_н находят из решения уравнения
(2) где х₀₁ табулированный первый корень волнового уравнения I^'_о(х)N^'_o (D_н/D_в˙х)I^'_o(D_н/D_в˙х)N^'_o х;
I^'_o, N^'_o производные функции Басселя и Неймана нулевого порядка; р 2,3.

Значения корней x₀₁ табулированы для различных D_н/D_в и, следовательно, по найденному из уравнения (2) х₀₁ и известному D_в определяется D_в.

На фиг. 2 показан фрагмент предложенного устройства КМ в варианте исполнения, предусматривающем объединение катодов 1 и 15, например, посредством металлического цилиндра 32 в единый катод, находящийся под единым потенциалом.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) работает следующим образом. При подаче напряжения анода U_а только на катод 1 в замедляющей системе 3 возбуждается π-вид колебаний посредством щелей связи 5 в СР 4 Н_01р-вид на частоте f₁. Так как СВЧ-токи во всех стенках СР 4 на Н_01p-виде колебаний являются только кольцевыми, то они пересекают только щель связи 7 с волноводом 8 и не пересекают щель связи 23 с волноводом 22. Тем самым СВЧ-сигнал на частоте f₁ поступает только в волновод 8. В то же время силовые линии магнитного СВЧ-поля Н_01р-вида, лежащие только в радиальных плоскостях, не охватываются петлями связи 21 и тем самым не возбуждают СВЧ-токов в лопатках 17 анодной замедляющей системы 14, т. е. последняя оказывается "развязанной" с СР 4, когда в нем существуют колебания Н_01р-видов. Таким образом, наличие "второго этажа" (анодной замедляющей системы 14) не оказывает влияние на работу КМ на частоте f₁ при соответствующем резонансе Н_01р-видов колебаний СР.

Если подать напряжение анода только на катод 15, то в АЗС 14 возбудится π -вид колебаний на частоте ≈f₂ (например, в 3 раза более низкой, чем f₁) и посредством петель связи 21 и СР 4 возбудится резонанс ТЕМ₀₀₁-вида колебаний, так как СР 4 на частотк f₂ выполнен полуволновым:
L_p=
СВЧ-поля ТЕМ₀₀₁-вида колебаний ортогональны полям Н_01р-видов, и, соответственно, в СР 44 по боковым стенкам текут только продольные СВЧ-токи, а по торцовым только радиальные. (Это означает, что продольные СВЧ-токи ТЕМ₀₀₁-вида колебаний не пересекают щелей связи 5 анодного блока 2 и не возбуждают на частоте f₂ замедляющую систему 3. Таким образом, эта система 3 оказывает "развязанной" с СР 4, когда он резонирует на частоте f_2. Аналогичным образом СВЧ-токи ТЕМ₀₀₁-вида колебаний СР 4 не пересекают щель связи 7 с выходным волноводом 8. Соответственно, в волновод 8 не проникает СВЧ-энергия на частоте f₂. Кроме того, если f₂ < f₁, то волновод 8, рассчитанный на канализацию СВЧ-сигнала на частоте f₁ может быть запредельным для частоты f₂. Щель же связи 23 волновода 22 пересекается СВЧ-токами ТЕМ₀₀₁-вида колебаний СР 4. Соответственно, СВЧ-сигнал на частоте f₂ будет проходить в волновод 22.

Исходя из указанных распределений СВЧ-токов на Н_01р-и ТЕМ₀₀₁-видах колебаний, легко видеть, что физически бесконтактный дроссельный поршень 25 обеспечивает СВЧ-контакт при перестройке ТЕМ₀₀₁-виде колебаний, так как дроссели 26 и 27 рассчитаны на частоту f₂. На Н_01р-виде колебаний физическая бесконтактность поршня не играет роли (как и в обычном КМ), так как кольцевые СВЧ-токи не пересекают зазора между поршнем 25 и СР 4. Если же в СР возбудятся какие-либо паразитные Н_mnр- или Е_mnр-виды колебаний, то бесконтактный поршень 25 для этих видов колебаний не "запирает" поля и токи этих видов в СР 4, и следовательно, СВЧ-поглотители 29, 30 в запоршневой полости 28 будут подавлять указанные паразитные виды колебаний.

Наконец, если подать напряжения U_а1 и U_а2, в частном случае U_а1 U_а2 (это всегда выполняется для фиг. 2) одновременно на катоды 1 и 15, то предложенный КМ будет работать одновременно на двух существенно различных частотах f₁ и f₂, каждой из которых соответствует свой вид колебаний в СР 4, а именно на частоте f₁ Н_01р (например Н₀₁₂ или Н₀₁₃, а на частоте f₂ ТЕМ ₀₀₁. При этом в силу взаимной ортогональности соответствующих полей этих видов взаимного влияния друг на друга указанные виды колебаний оказывать не должны.

При перемещении поршня перестройки 25 частоты f₁ и f₂ будут изменяться с различной "крутизной". Это означает, что при работе КМ можно в определенной степени изменять и "разнос" частот f₁-f₂.

Предложенная конструкция обладает следующими преимуществами: во-первых, обеспечивается возможность работы КМ автономно как на частоте f₁, так и на частоте f₂ с перестройкой каждой из них; во-вторых, обеспечивается поочередная работа на частотах f₁, f₂ с весьма существенным различием (например, в 2-3 раза) в значениях этих частот; указанный переход с частоты f₁ на частоту f₂ может быть осуществлен периодически, от импульса к импульсу, скачком или по любому наперед выбранному коду; в-третьих, обеспечивается возможность одновременной работы на двух частотах f₁ и f₂ с канализацией соответствующих СВЧ-сигналов в автономных СВЧ-трактах.

Положительный эффект состоит в обеспечении широких возможностей работы одного и того же КМ на существенно (в 2-3 раза) различных частотах, в уменьшении массы и габаритов приемно-передающего устройства РЛС и, как следствие, в использовании единого двухчастотного магнетрона вместо традиционно применяемых двух автономных приборов различных диапазонов волн.

Использование: электронная техника. Сущность изобретения: коаксиальный магнетрон (КМ) содержит катод, анодный блок (АБ) с замедляющей системой и синфазными щелями связи в стенке АБ, стабилизирующий резонатор (СР) с рабочим видом колебаний H_01p на частоте f₁ , перестраиваемый бесконтактным поршнем, и выходной волновод, канализирующий СВЧ-сигнал на частоте f₁ . В КМ введен дополнительный катод, а АБ снабжен дополнительной (второй) лопаточной замедляющей системой с частотой f₂ . Каждая четная лопатка дополнительной замедляющей системы гальванически контактирует со стенкой АБ, а каждая нечетная безконтактна. Каждая неконтактирующая с АБ лопатка снабжена радиальным участком, выступающим сквозь отверстие, выполненное в стенке АБ, в СР. Выступающий в СР участок лопатки отформован в виде петли связи, лежащей в плоскости лопатки и возбуждающей в СР ТЕМ₀₀₁-вид колебаний на частоте f₂ . СР, поршень перестройки которого выполнен дроссельным, снабжен дополнительным (вторым) выходным волноводом, широкие стенки которого располагаются в плоскостях, перпендикулярных оси СР. СР выполнен с высотой L_p , которую находят из определенного выражения. 2 ил.

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН, содержащий катод, анодный блок с замедляющей системой на частоте f₁ и выполненными в его стенке щелями связи со стабилизирующим резонатором с рабочим видом колебаний H_01р при р=2,3, поршень и выходной волновод, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет двухчастотной двухканальной работы, в магнетрон введены дополнительные катод и лопаточная замедляющая система на частоте f₂, размещенные в анодном блоке, гальванически связанном с каждой четной лопаткой, а каждая нечетная лопатка снабжена петлей связи со стабилизирующим резонатором на виде колебаний ТЕМ₀₀₁, снабженным дополнительным волноводом на частоте f₂, при этом выполнены соотношения


где L_р высота стабилизирующего резонатора, м;
с скорость света, м/с;
x₀₁ первый корень волнового уравнения для ТЕ_mn волн в коаксиальной линии

D_н, D_в наружный и внутренний диаметры стабилизирующего резонатора, м;
производные функции Бесселя и Неймана нулевого порядка;
p число вариаций поля ТЕ_01р вида колебаний по высоте стабилизирующего резонатора.