(57)【要約】【課題】余分な製造工程が不要でありながら、スポーク形成までの時間を短縮することができるマグネトロン、および当該マグネトロンを用いたレーダ装置を提供する。【解決手段】カソードと複数のベーンの先端部分との距離を、軸まわりに１つ置きに変化させる。具体的には、カソードは、軸を中心軸とした柱状部材である基体金属を有し、基体金属の一部の箇所が、他の箇所よりも突出した構造を有する。例えば、多角形状のカソードを用い、側辺の数をベーンの数の半分とし、各側辺を、それぞれベーンの先端部分に対向させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状のカソードと、
内端部がそれぞれ前記カソードの側面に対向して配置された複数のベーンを有するアノードと、
を備えたマグネトロンであって、
隣接する前記ベーン間で、前記カソードの側面と前記内端部との距離が互いに異なることを特徴とするマグネトロン。
【請求項２】
前記ベーンは、前記距離が前記軸周りの回転方向に一つおきに同じであることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン。
【請求項３】
前記カソードは、角柱であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマグネトロン。
【請求項４】
前記ベーンの数は偶数であって、
前記角柱は、前記軸周りの側辺の数が前記ベーンの数の半分の数であることを特徴とする請求項３に記載のマグネトロン。
【請求項５】
前記カソードは、側面の一部が他の箇所よりも前記内端部に向かって突出している突出部を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマグネトロン。
【請求項６】
前記ベーンの数は偶数であって、
前記突出部の数は前記ベーンの数の半分であることを特徴とする請求項５に記載のマグネトロン。
【請求項７】
前記カソードは、側面に軸まわりに等間隔に形成された凹部または凸部を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマグネトロン。
【請求項８】
前記ベーンの数は偶数であって、
前記凹部または凸部の数は前記ベーンの数の半分であることを特徴とする請求項７に記載のマグネトロン。
【請求項９】
前記ベーンは、前記カソードの中心軸と同心の円周上に根元部を有し、
前記根元部から前記内端部までの距離が隣接間で互いに異なることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマグネトロン。
【請求項１０】
柱状のカソードと、
前記カソードの中心軸と同心の円周上に配置されるアノードシェルに形成された複数の共振器を有するアノードと、
を備えたマグネトロンであって、
隣接する共振器間の中間位置における内周壁間で、前記カソードの側面と前記内周壁との距離が互いに異なることを特徴とするマグネトロン。
【請求項１１】
前記カソードは、角柱であることを特徴とする請求項１０に記載のマグネトロン。
【請求項１２】
前記角柱は、軸周りの側辺の数が前記共振器の数の半分であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のマグネトロン。
【請求項１３】
前記共振器は、開口部が前記カソードの側面に向けられた、前記アノードシェルに形成された空洞部を有していることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載のマグネトロン。
【請求項１４】
互いに隣接する前記開口部の中間の位置に、前記角柱の側辺または側面を対向させて前記カソードが配置されていることを特徴とする請求項１３に記載のマグネトロン。
【請求項１５】
互いに隣接する前記開口部の中間の位置からずれて、前記角柱の側辺または側面を対向させて前記カソードが配置されていることを特徴とする請求項１３に記載のマグネトロン。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載のマグネトロンと、
前記マグネトロンから発生した電波を発射するアンテナと、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項１７】
前記電波によるエコー信号を受信する受信部を備えたことを特徴とする請求項１６に記載のレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マグネトロン、および当該マグネトロンを用いたレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーダ装置用の発振器は、大出力が得られるマグネトロンが広く用いられている。マグネトロンは、主発振モードとしてπモードと呼ばれる隣接する共振空洞間がπラジアンの位相差となるモードで発振させる。しかし、マグネトロンは、πモード以外にもπ−１モード等のスプリアスが多数発生する。
【０００３】
そこで、例えば、ベーンを連結するストラップに切れ目を設け、π−１モードのスプリアスを外部に漏洩しないようにする抑制する手法も提案されている（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−４３８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マグネトロンの課題の１つに立ち上がり時間がある。マグネトロンは、電圧を印加し始める時（立ち上がり時）、カソードから熱電子が放出されて電子雲が形成される。電子雲の分布は、時間経過とともに複数のベーン間の電位差によって偏りが生じ、最終的にベーンの枚数の半分の数だけ突出した高密度領域（スポーク）が形成される。スポークは、立ち上がり時には全く無い状態であり、上記電位差によって１つずつ徐々に形成されることになる。スポークが完全に形成される前に発振が起こった場合、基本周波数以外での輻射が生じる。また、その分だけエネルギを多く必要とする。
【０００６】
特許文献１のマグネトロンは、π−１モードのスプリアス漏洩を抑制するものであるが、スポークの形成時間を短縮するものではなく、スポークが形成される前に発生する発振成分を抑制するものではなかった。
【０００７】
そこで、この発明は、スポーク形成までの時間を短縮することができるマグネトロン、および当該マグネトロンを用いたレーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のマグネトロンは、柱状のカソードと、内端部がそれぞれ前記カソードの側面に対向して配置された複数のベーンを有するアノードと、前記カソードの軸方向に磁界を発生させる磁界発生部と、を備えている。そして、隣接する前記ベーン間で、前記カソードの側面と前記内端部との距離が互いに異なるものである。特に、主発振モードとしてπモードを用いる場合、カソード側面と内端部との距離は、軸周りの回転方向に１つおきに同じであることが望ましい。
【０００９】
例えば、複数のベーンの長さを１つ置きに長くして内端部の位置を１つ置きにカソードに近くしたり、カソードの基体金属の側面の一部をベーンの枚数の半分の数の箇所だけ外側に向かって突出させ、他の箇所よりもベーン先端部分に近くしたりする。この構成によれば、ベーン先端部分に遠い箇所よりも、先端部分に近い箇所から多く電子放出が発生するため、立ち上がり時から既に一部の箇所が突出した分布の電子雲が形成される。特に、ベーンの枚数の半分の数の箇所だけ距離が短い箇所を設ければ、立ち上がり時からπモードに似た電子雲の分布が形成される。よって、スポークが形成されやすくなり、スポークが完全に形成されるまでの時間が短縮される。スポークが完全に形成されるまでの時間が短縮されると、スポークが形成される前に発生する発振成分を抑えることができ、その分のエネルギ消費も抑えることができる。
【００１０】
また、上記構成によれば、カソードに塗布する電子放出物質のパターニングを行う等の余分な工程が不要となる。特に、基体金属の側面の一部を箇所だけ突出させる構成では、アノード側を加工、変更する必要もない。
【００１１】
基体金属の側面の一部をベーンの枚数の半分の数の箇所だけ突出させる構造として、具体的には、角柱のカソードを用い、側辺の数をベーンの数の半分とし、各側辺が、それぞれベーンの内端部に対向していればよい。
【００１２】
また、柱形状（中空の筒状のものを含む。）のカソードを用い、回転方向に等間隔に配列された複数の凹部または凸部を側面に有する構造であってもよい。この場合、凹部または凸部の数をベーンの数の半分とし、各凸部が、それぞれベーンの先端部分に対向する。
【００１３】
また、マグネトロンが円筒形状のアノードシェルに複数の共振器を有する構造であっても、例えば角柱のカソードとし、軸周りの側辺の数が共振器の数の半分である構造とすれば、上述と同様にスポークが形成されやすくなる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、カソード側の電子放出物質のパターニングを行う等の余分な製造工程が不要でありながら、スポーク形成までの時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係るマグネトロンの横断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るマグネトロンの縦断面図である。
【図３】マグネトロンの平面図において、立ち上がり時の電子雲の分布を示した図である。
【図４】第２の実施形態に係るマグネトロンの横断面図である。
【図５】第３の実施形態に係るマグネトロンの横断面図である。
【図６】第４の実施形態に係るマグネトロンの横断面図である。
【図７】他の例のマグネトロンに係る構造を示す横断面図である。
【図８】従来のマグネトロンと本発明の第２の実施形態に係るマグネトロンの出力比較図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係るマグネトロンについて説明する。図１は、第１の実施形態に係るマグネトロンの構造を示す横断面図（図２のＢ−Ｂ断面図）であり、図２は、縦断面図（図１のＡ−Ａ断面図）である。
【００１７】
本実施形態に係るマグネトロンは、柱状のカソード３と、カソード３の中心軸と同心の内周面を有する円筒形状のアノードシェル２１と、内端部２２１がそれぞれカソード３の側面に対向して配置されている複数の直方体形状のベーン２２と、隣接するベーン間とアノードシェルの内周壁により形成される複数の共振空洞２３と、各ベーンを連結するストラップ２４と、アノードシェルの上面および下面に設置されるポールピース４と、を備えている。
【００１８】
カソード３は、ニッケルを主成分とした柱状部材である基体金属３１と、基体金属３１の表面に塗布された電子放出物質（エミッタ）３２からなり、側面が各ベーン２２の先端部分（内端部２２１）に対向するように設置されている。マグネトロンは、各ベーン２２の先端部分とカソード３の側面により囲まれる空間で作用空間１１を形成している。
【００１９】
各ベーン２２は、アノードシェルの内周壁（カソードの中心軸と同心の円周上）に根元部２２２を有し、マグネトロンを平面視して、回転方向に１つ置きにストラップ２４に連結されている。つまり、隣接するベーン２２は、異なるストラップ２４により連結され、その結果、隣接する２つの共振空洞２３の間がπラジアンの位相差となるように構成される。
【００２０】
なお、アノードは、アノードシェルの内周壁に根元部を有するベーンを設けた構造に限らず、厚みのある円筒の一部に空洞を形成する構造であってもよい（図７を参照）。
【００２１】
磁性体からなるポールピース４は、アノードシェル２１の上面および下面で固定されており、図示しない永久磁石や電磁石により、上記中心軸と平行な磁界を作用空間１１内に発生させる磁界発生部となる。
【００２２】
マグネトロンは、カソード３を加熱し、アノードに電圧を印加すると、カソード３から熱電子が放出され、この熱電子がベーン２２の先端部分に向かって進行する。熱電子は、上記磁界によりフレミングの法則に従って進行方向が曲げられ、作用空間１１を周回する。この熱電子が共振空洞２３内にエネルギを与えることにより高周波振動が生じる。また、カソード表面には、熱電子の粗密（電子雲）が形成される。電子雲の分布は、時間経過とともにベーン間の電位差によって偏りが生じ、πモードでは、最終的にベーンの枚数の半分の数だけ突起状の高密度領域（スポーク）が形成される。このスポークが作用空間１１内を周回することで、高周波振動が持続する。発生した電磁波（マイクロ波）は、不図示のアンテナから外部に発射され、受信部にエコー信号が受信される。レーダ装置に用いられるマグネトロンでは、電圧をパルス状に印加することにより、パルス状のマイクロ波を発生させる。立ち上がり時（電圧を印加し始める時）には、毎回、上述のようなスポーク形成までの過程が繰り返し行われる。
【００２３】
ここで、第１の実施形態に係るマグネトロンは、基体金属３１の一部の箇所が、他の箇所よりもベーン先端部分に向かって突出した突出部を有する構造である。具体的には、基体金属３１は、軸周りに、ベーンの枚数の半分の側辺を有する正多角柱である。図１では、ベーンの数が１２本（偶数本）であり、基体金属３１の側辺の数が６つである正六角柱の例を示している。正六角柱の側辺が、それぞれベーンの先端部分に対向するように設置されている。正六角柱の基体金属３１の表面には、エミッタ３２が均一に塗布されており、カソード３全体として、正六角柱の形状となっている。
【００２４】
図３の平面図を参照して、立ち上がり時の電子雲の分布について説明する。同図の平面図において、カソード３の六角形の頂点（側辺）は、他の側面の箇所よりもベーン２２の先端部分に近くなっている。そのため、立ち上がり時から、他の側面の箇所よりも各頂点から多くの熱電子が放出され、同図に示すように、電子雲１０１は、立ち上がり時から各頂点で突起状の分布形状を有することになる。
【００２５】
このように、第１の実施形態のマグネトロンは、立ち上がり時からベーンの枚数の半分の数だけ突起状の電子雲１０１が形成され、πモードに似た電子雲が形成されることになる。そのため、スポークが形成されやすくなり、スポークが完全に形成されるまでの時間が短縮される。スポークが完全に形成されるまでの時間が短縮されると、スポークが形成される前に発生する発振成分を抑えることができ、その分のエネルギ消費も抑えることができる。
【００２６】
また、第１の実施形態のマグネトロンでは、カソード側の電子放出物質のパターニングを行う等の余分な工程は不要である。第１の実施形態のマグネトロンは、基体金属の形状が六角柱になっていることから、エミッタをベタ塗りする塗布工程で、結果としてカソード３全体が六角柱の形状となり、カソードと複数のベーンとの距離が、軸周りに１つ置きに同じである構造とすることができる。また、第１の実施形態のマグネトロンでは、アノード側は何ら加工、変更する必要もない。
【００２７】
次に、図４は、第２の実施形態に係るマグネトロンの構造を示す平面図である。なお、図１と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
図４に示すマグネトロンは、図１に示したカソード３に代えて、柱状（円筒形状）のカソード５を備えている。カソード５は、カソード３と同じくニッケルを主成分とした柱状部材である基体金属５１と、基体金属５１の表面に塗布されたエミッタ５２からなり、側面が各ベーン２２の先端部分に対向するように設置されている。マグネトロンは、各ベーン２２の先端部分とカソード５の側面により囲まれる空間で作用空間１１を形成する。
【００２９】
第２の実施形態に係るマグネトロンも、基体金属５１の一部の箇所が、他の箇所よりもベーン先端部分に向かって突出した突出部を有する構造である。すなわち、基体金属５１は、マグネトロンを平面視して、軸周りに等間隔に配列された複数の凹部および凸部を側面に有し、凸部および凹部は、それぞれベーン２２の半分の数からなる。図４では、ベーンの数が１２本であり、凸部および凹部がそれぞれ６つである例を示している。各凸部および凹部が、それぞれベーン２２の先端部分に対向する。なお、同図の例では、凹部および凸部を設ける例を示しているが、凹部または凸部のいずれか一方を設ける（円柱形状の側面に溝を設ける、または突起を設ける）構造であってもよい。
【００３０】
上記構成によれば、基体金属５１の側面の凸部は、他の側面の箇所（凹部）よりもベーン２２の先端部分に近くなっており、隣り合うベーン２２どうしでは、基体金属５１との距離が異なる。そのため、図４に示すように、立ち上がり時から、凸部と、当該凸部に対向するベーン２２との間で多くの熱電子が放出され、電子雲１０２は、やはり突起状の分布形状を有することになる。
【００３１】
このように、第２の実施形態のマグネトロンにおいても、立ち上がり時からベーンの枚数の半分の数だけ突起状の分布形状を有した電子雲１０２が形成され、πモードに似た電子雲が形成されることになる。そのため、スポークが形成されやすくなり、スポークが完全に形成されるまでの時間が短縮される。
【００３２】
また、第２の実施形態のマグネトロンにおいても、カソード側の電子放出物質のパターニングを行う等の余分な工程は不要であり、アノード側は何ら加工、変更する必要もない。
【００３３】
次に、図５は、第３の実施形態に係るマグネトロンの構造を示す平面図である。なお、図４と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３４】
図５に示すマグネトロンは、図４に示したカソード５と同じ構造である円筒形状のカソード９を備えている。カソード９も、ニッケルを主成分とした柱状部材である基体金属９１と、基体金属９１の表面に塗布されたエミッタ９２からなり、側面が各ベーン２２の先端部分（アノード）に対向するように設置されている。
【００３５】
図５に示すカソード９は、図４と同様に凸部がベーン２２に対向して設置されているが、凹部は、ベーン２２の間、つまり共振空洞２３に対向して設定されている。
【００３６】
この場合においても、基体金属９１の側面の凸部は、他の側面の箇所（凹部）よりもベーン２２の先端部分に近くなっており、立ち上がり時から、凸部と、当該凸部に対向するベーン２２との間（この場合、凸部の中央付近）で多くの熱電子が放出され、電子雲１０３は、やはり突起状の分布形状を有することになる。
【００３７】
このように、第３の実施形態のマグネトロンにおいても、立ち上がり時からベーンの枚数の半分の数だけ突起状の分布形状を有した電子雲１０３が形成され、πモードに似た電子雲が形成されることになる。そのため、スポークが形成されやすくなり、スポークが完全に形成されるまでの時間が短縮される。
【００３８】
また、第３の実施形態のマグネトロンにおいても、カソード側の電子放出物質のパターニングを行う等の余分な工程は不要であり、アノード側は何ら加工、変更する必要もない。
【００３９】
次に、図６は、第４の実施形態に係るマグネトロンの構造を示す平面図である。なお、図１と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４０】
図６に示すマグネトロンは、アノードシェル２１の内周壁から、内端部がそれぞれカソード７の側面に対向して配置されている複数の直方体形状のベーン６２Ａとベーン６２Ｂとを備えている。ベーン６２Ａとベーン６２Ｂは軸周りに１つ置きに設置されている。ベーン６２Ａとベーン６２Ｂは、根元部から内端部までの距離が互いに異なる。ベーン６２Ａは、ストラップ２４Ａに連結されており、ベーン６２Ｂは、ストラップ２４Ｂに連結されている。
【００４１】
カソード７は、上述と同様に、ニッケルを主成分とした円柱形状の部材である基体金属７１と、基体金属７１の表面に塗布されたエミッタ７２からなり、側面が各ベーン６２Ａおよびベーン６２Ｂの先端部分に対向するように設置されている。
【００４２】
第４の実施形態では、突出する長さの長いベーン６２Ａと長さの短いベーン６２Ｂとが１つ置きに交互に設置されており、隣り合うベーンどうしでは、基体金属７１との距離が異なる。同図の例では、ベーンの数が１２本であり、長いベーン６２Ａが６本、短いベーン６２Ｂが６本である例を示している。つまり、基体金属７１との距離が近いベーンは、全体のベーンの半分の数を有する。
【００４３】
そのため、図６に示すように、立ち上がり時において、距離が近いベーン６２Ａに対向する側面から多くの熱電子が放出され、電子雲１０４は、やはり突起状の分布形状を有することになる。
【００４４】
このように、第４の実施形態のマグネトロンにおいても、立ち上がり時からベーンの枚数の半分の数だけ突起状の分布形状を有した電子雲１０４が形成され、πモードに似た電子雲が形成されることになる。そのため、スポークが形成されやすくなり、スポークが完全に形成されるまでの時間が短縮される。
【００４５】
なお、上記各実施形態では、主発振モードとしてπモードを用いるため、回転方向に１つ置きに距離が変化する例を示したが、この例に限るものではない。他のモードを用いる場合、例えば２つ置きに距離が短くなる等の態様であってもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、アノードシェルの内周壁からベーンを突出させる構造のマグネトロンを示したが、本発明は、以下の様な構造のマグネトロンにも適用可能である。図７（Ａ）および同図（Ｂ）は、他の例のマグネトロンに係る構造を示す平面図である。図７（Ａ）および同図（Ｂ）に示すアノードは、厚みのある円筒形状のアノードシェル７１に複数の共振器７を有する。共振器７は、空洞部７３と開口部７５からなる。開口部７５は、カソード３の側面に向けられている。同図（Ａ）および同図（Ｂ）に示す例では、角柱形状のカソード３の側辺の数が共振器７の数の半分である。なお、側辺の数は、πモード以外であればこの例に限るものではない。また、角柱形状に限らず、図４や図５に示したような凹部または凸部を有する形状であってもよい。
【００４７】
図７（Ａ）の例では、カソード３は、アノード側の互いに隣接する開口部７５の中間位置７２に、側辺（または側面）が対向するように設置されている。同図（Ｂ）の例では、カソード３は、側辺（または側面）が中間位置７２からずれて設置されている。
【００４８】
いずれの場合においても、アノード側の隣り合う内周壁（中間位置における内周壁面）同士では、基体金属３１との距離が異なる。そのため、立ち上がり時において、内周壁と距離が近いカソードの側面から多くの熱電子が放出され、電子雲は、やはり突起状の分布形状を有することになる。
【００４９】
次に、従来のマグネトロンと本発明のマグネトロン（一例として上記第２の実施形態について示す。）の特性の差について説明する。図８は、従来のマグネトロンの特性と第２の実施形態に係るマグネトロンの特性の比較図である。図８（Ａ）は従来のマグネトロンの出力の時間軸特性を示す図であり、同図（Ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るマグネトロンの出力の時間軸特性を示す図である。
【００５０】
図８に示すように、従来のマグネトロンでは、出力が上昇してスポークが形成されるまで２０〜３０ｎｓ程度の時間がかかっているが、本発明の第２の実施形態に係るマグネトロンでは、スポークが形成されるまで１０〜２０ｎｓ程度の時間に短縮されている。よって、上述したように、本発明のマグネトロンは、スポークが形成される前に発生する発振成分を抑えることができ、エネルギ消費も抑えることができる。
【００５１】
なお、本実施形態では、パルス駆動を行うレーダ装置用のマグネトロンについて説明したが、連続波で駆動するマグネトロンについても、本発明の適用は可能である。
【符号の説明】
【００５２】
３…カソード
４…ポールピース
１０１…電子雲
１１…作用空間
２１…アノードシェル
２２…ベーン
２３…共振空洞
２４…ストラップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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