(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波ソースであって、
陽極リングから放射状に内部に伸長する複数の陽極翼を有し、陽極リングと、複数の陽極翼の中の隣接した翼との間で規定される空洞を有するマグネトロン、前記複数の陽極翼の1つは出力翼であり、それによって、高出力のマイクロ波信号は前記出力翼の各サイドのいずれかに配置された第１と第２の出力空洞中で発達され、前記出力翼はさらにその中央部分で開口を有している、及び
前記マグネトロンに結合した出力回路、前記出力回路は、前記第１と第２の出力空洞中に配置された第１および第２の結合ループを含む同軸伝送線を具備し、前記第１と第２の結合ループは、それぞれ、前記出力翼に接触することなく前記出力翼の前記開口を通って伸張する共通の中心部を共有し、前記共通の中心部分はそこから前記高出力のマイクロ波信号を通信することを可能とするために前記陽極リングの外方に伸張している、を備えたマイクロ波ソース。
【請求項２】
前記出力回路の前記同軸伝送線は、更に前記陽極リングの対応する開口に係合する外側ボディ部分を具備し、前記共通の中心部はそこの内部表面から間隔をおいて前記外側ボディ部分を通って実質的に伸張している、請求項1のマイクロ波ソース。
【請求項３】
前記第１および第２の結合ループは、前記陽極リングを係合する前記外側ボディ部分の端に結合される、請求項2のマイクロ波ソース。
【請求項４】
前記第１及び第２の結合ループは前記出力翼に実質的に垂直に向けられている、請求項１のマイクロ波ソース。
【請求項５】
前記同軸伝送線は、そこから前記高出力のマイクロ波信号を通信するためのアンテナを供する端部分をさらに具備する、請求項１のマイクロ波ソース。
【請求項６】
前記端部分はさらに誘電材料で構成されたドームを具備し、前記共通の中央部分は、前記外側ボディ部分を通り前記端部分の前記ドーム中へ伸張している、請求項５のマイクロ波ソース。
【請求項７】
前記端部分は、さらにテーパーを付けられた内部表面を具備し、前記共通の中央部分は前記テーパーをつけられた内部表面を係合するのに適している、請求項6のマイクロ波ソース。
【請求項８】
前記外側ボディ部分は実質的に円筒形状である、請求項２のマイクロ波ソース。
【請求項９】
前記陽極リングの外側ボディ部分は、前記陽極リングの前記対応する開口を係合するその端に配置された第一の一対の対向する切欠きを具備し、前記第一の一対の対向する切欠きは前記出力翼の端部分を係合し、それとの位置合せを供するのに適している、請求項１のマイクロ波ソース。
【請求項１０】
その端に配置され、前記第１の一対の対向する切り欠きに実質的に垂直に向けられた第２の一対の対向する切き欠きを具備し、前記第２の一対の対向する切り欠きは前記第１と第２の結合ループの各端を係合するのに適している、請求項９のマイクロ波ソース。
【請求項１１】
前記第１および第２の結合ループと前記共通の中心部分は電導性材料から成る単体構造を具備している、請求項１のマイクロ波ソース。
【請求項１２】
前記第１および第２の結合ループと前記共通の中心部分はＷ−形状の構造をしている、請求項１のマイクロ波ソース。
【請求項１３】
陰極の周囲でかつ陰極から間隔を開けて同心に配置された陽極リングを具備し、前記陽極リングはさらに、前記陰極の方に放射状に伸張する複数の陽極翼を備え、複数の陽極翼の中の隣接する翼の間で空洞が規定されるマグネトロンにおいて、
出力翼である前記複数の中の一つの陽極翼、高出力のマイクロ波信号は前記出力翼の各サイドのいずれかに配置された第１と第２の出力空洞で発達させられる、及び
前記第１と第２の両出力空洞からの前記高出力のマイクロ波信号を結合するための手段、
ここにおいて、前記結合手段は、それぞれ、前記第１および第２の出力空洞に配置された第１および第２の結合ループを含む同軸伝送線を具備する、
前記出力翼は、さらにその中心部で開口部を具備する、及び
前記第１および第２の結合ループは、前記出力翼に接触することなく前記出力翼の前記開口を通って伸張する共通の中心部分を共有し、前記共通の中心部分は、そこから前記高出力のマイクロ波信号を通信することを可能とするために前記陽極リングの外方に伸張している、
を具備する出力回路。
【請求項１４】
前記結合手段は前記陽極リングの対応する開口を係合する外側ボディ部分を具備する、請求項１３の出力回路。
【請求項１５】
前記第１および第２の結合ループは、前記陽極リングを係合する前記外側ボディ部分の端に結合される、請求項１４の出力回路。
【請求項１６】
前記第１及び第２の結合ループは、前記出力翼に実質的に垂直に向けられている、請求項１３の出力回路。
【請求項１７】
前記結合手段は、更にそこから前記高出力のマイクロ波信号を通信するためのアンテナを具備する、請求項１３の出力回路。
【請求項１８】
前記結合手段は、更に誘電材料で構成されたドームを具備し、前記アンテナは前記ドーム内に配置されている、請求項１７の出力回路。
【請求項１９】
前記出力翼に前記結合手段を整列させるための手段を更に具備する、請求項１３の出力回路。
【請求項２０】
前記第１および第２の結合ループと前記共通の中心部分は、導電性材料の単体構造を具備する、請求項１３の出力回路。
【請求項２１】
前記第１および第２の結合ループと前記共通の中心部分は、Ｗー形状の構成である、請求項１３の出力回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネトロンのような交叉フィールド(crossed field)装置に関する、
より詳しくは、本発明は、マグネトロンのRFエネルギー出力を結合(coupling)するための出力システムに関し、マグネトロンの望ましくない発信モードを減衰させる。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロンは、各種の用途（例えばレーダー）のための強力なマイクロ波エネルギーを生成するために共通して使われる交叉フィールド装置の一種である。マグネトロンは、典型的に、環状の陽極リングから放射状に伸びる複数の陽極翼(vanes)を具備する陽極構造の中心軸に沿って軸方向に伸びる円筒状の陰極を具備する。陰極表面と陽極構造の間で規定されるスペースは相互作用領域を提供し、電位は陰極および陽極の間に印加され、相互作用領域で放射状の電界を形成する。軸方向の磁場は、相互作用領域の外部に配置された磁石からの磁束の焦点を合わせる極片(pole pieces)によって、電界に垂直な方向に相互作用領域に供される。陰極は、陰極表面をそこから熱電子放出を引き起こすのに十分な温度まで加熱するために陰極の表面の下に配置された内蔵ヒーターを備えることができる。放射された電子は、軸方向の磁場のために相互作用領域で陰極の周囲の軌道を旋回させられ、その間、それらは、陽極構造上で動かされる電磁波と作用する。軌道を周回する電子は、電磁波にエネルギーを与え、強力なマイクロ波出力信号が発生する。
強力なマイクロ波出力信号を使用するために、出力回路が、マグネトロンからの出力信号を結合するための作用領域において、支持される電界或いは磁界（または両方）の場に接続される。典型的出力回路は、隣接した陽極翼の間で規定される陽極空洞のうちの1つに配置されるワイヤー・ループを具備する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
結合(coupling)の程度は、設計段階でまたはマグネトロンが製造されている「冷却試験」での直接調整としてのいずれかで、選択可能でなければならず、そして、かつて選択された定数を相対的に維持しなければならない。マグネトロンに関する共通の課題は、それらが所望のモード（πモードと呼ばれる）でなくてπ-1モードとして公知のモードにおいて、発振する傾向を有するとことである。πモードの発振を推進するための公知技術は、環状ストラップ(an annular strap)を提供することであり、それは陽極翼の交互の翼を結合する。πモードを推進するための他の技術は、高いQの外部共振空洞を使用することである。他の公知の技術は、例えば、そのダブレット(doublets )のどちらも、出力システムに軽く結合されたまま、或いは結合されないまま残されないようにして、π-1モードのフィールドを指向するように、π-1モードを抑制することに集中してきた。出力回路は、しばしばRF構造において、発振する望ましくないモードを減衰する(damping)重大なソースである。π-1モードのダブレットの1つは、出力回路に軽く(lightly)結合されるかまたは全く結合されないままにおかれなければならず、それから、それはマグネトロンの内で発振を減衰する主ソースから効果的に開放される。この状況において、π-1モードは、そのフィールド・パターンが電子軌道を乱して、結果として電子軌道を支配するような範囲に振幅を組み込み得る。この種の妨害は、マグネトロンの安定した効果的な動作の等級を下げる傾向がある。π-1モード（例えば空洞の後ろの溝、ストラップーブレイク(strap-breaks)、その他）のフィールドの方向 (orientation)を実現する多様な公知の技術がある。しかし、これらの技術は、マグネトロンを複雑にしおよび製造費用を高くし、更にマグネトロンの共振特性を変えるインダクタンスと静電容量とを導入する。
【０００４】
したがって、マグネトロンの不所望の発振を効果的に減衰するために、  π-1モードの両ダブレットへの結合を維持するマグネトロンの出力システムを提供することが望まれる。また、造られることができ、マグネトロン構造から分離されて最適化された出力システムを提供し、製造装置の性能に整合したレベルを提供することが望まれる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の教示に従って、出力回路は、2つの隣接した陽極空洞と結合することを可能にするマグネトロンを提供し、それにより、隣接した陽極空洞の少なくとも1つ中のπ-1タブレットへの結合を確実にする。その結果、π-1モード・オリエンテーションのいかなる方法も実装することは不必要である。さらに、2つの隣接した陽極空洞は左右対称に装填される。したがって、πモード・フィールド・パターンは、単一の空洞のみに結合する(coupling)従来技術の結合方法に比して、RF構造の周囲でより均一である。
さらに、マグネトロンは、陰極の周囲で、間隔を置いて同心状に配置された陽極リングを具備する。陽極リングは、複数の陽極翼の中の隣接する陽極翼間に規定される空洞を有する陰極の方へ放射状に伸びる複数の陽極翼、を具備する。複数の陽極翼のうちの1つは、出力翼を提供し、それによって、高出力のマイクロ波信号は、出力翼のいずれかの各サイドに配置された第一と第二の出力空洞中に展開される。高出力マイクロ波信号は、それぞれ、第１と第２の出力空洞に配置された第１と第２の結合ループを含む同軸の伝送線によって、第1と第2の出力空洞の両方に結合される(coupled)。出力翼(output vane)は、それの中心部の開口部を具備する。第１と第２の結合ループは、出力翼にコンタクトすることなく出力翼の開口部を通って延びる共通の中心部を共有する。
共通の中心部は、そこから高出力のマイクロ波信号の通信を可能とするために陽極リングの外に伸びる。出力回路は、陽極リングを通って放射状に伸び、対応する穴を係合する外側ボディ部分を具備する。第１と第２の結合ループは、陽極リングを係合する外側ボディ部分の端に結合される。第１と第２の結合ループは、出力翼に実質的に垂直にされる。出力回路は、更にそこから高出力のマイクロ波信号を通信するためのアンテナを具備する。
【０００６】
マグネトロンのダブルループ出力システムは、以下の好ましい実施例の詳細な説明を考察することによって、付加される効果と目的の実現と同じように、当業者に完全に理解される。参照は図面の添付シートになされ、それは簡潔に最初に記載されている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、マグネトロンの望まれていない発振を効果的に減衰するためにπ-1モードでの結合を維持する、マグネトロンの出力システムの必要性を満たす。あとに続く詳細な説明において、同様の数字が、一つ以上の図に示めされた同様の要素を記述するために使用される。
最初に図1-3を参照して、出力回路２０に結合した例示的なマグネトロン10が図示されている。マグネトロン10は、外部表面11および内部表面13を有する環状の陽極リング12を具備する。陽極リング12は、通常、電気的に導電性材料から成る。複数の放射状に向けられた陽極翼14は、陽極リング12の内部表面13から、各々内部に伸びている。陽極翼14は、通常、矩形で、それぞれ内部表面13において、提供された対応する溝15に嵌入される。図示を容易とするのために、陽極翼14の一部のみが図示されているが、陽極翼は、陽極リング12の内部表面13の全周のまわりで間隔を置いて設置されることが認識されなければならない。公知技術であるように、隣接した陽極翼14の側と陽極リング12の対応する内部表面とによって、部分的に境を接するスペースは、マグネトロンの空洞を規定する。望ましいπ-1作動モードにおいて、代替の陽極翼14は、同じRFポテンシャルである。それゆえに、マグネトロンは、陽極翼14の代替のものを各々結合し、同じRFポテンシャルにそれらを維持し、そしてπとπ-1作動モードの周波数間での分離を維持するストラップ(straps)16、18を更に含む。
活動中のマグネトロンは、さらに追加の要素(例えば、陰極および陽極の間で規定される相互作用領域に磁束を結合するように配置された陽極翼14と磁気極片の各々の先端のスペース内部に配置される陰極のような)を具備することは、当業者により認められなければならない。
マグネトロンのこれらの、そして他の既知の面は、図および説明の容易さのために本願明細書において、省略されている。この種の既知の面を示している従来のマグネトロンの例は、米国特許第5,894,199号において、提供されており、それは本願明細書に引用されここに取り込まれる。
【０００８】
陽極翼14の一つは、出力翼17を提供する。陽極上を移動する電磁気信号は、出力翼17に直接隣接する出力空洞で最大のパワーレベルを確立する。出力翼17は、翼の中央に配置され、陽極リング１２の内部表面13に境を接する切欠き19を除いて、他の陽極翼14のサイズ及び形において、似ている。更に後述するように、切欠き19は各出力空洞からの電磁気エネルギーを誘導結合することを可能とする。円形を有する放射状の穴(bore)21は、外の表面11から内部の表面13まで陽極リング12によって、完全に伸びる。穴21は、出力翼が、放射状穴２１のそばの内部表面１３に規定される円形開口を二つの実質的に等しい半球状部分に分割するように、出力翼17の切欠き19と位置合せされ配置されている。
出力回路20は、一般に円筒ハウジング（後述される）の中心を通って軸方向に伸び、マグネトロン１０の出力空洞内に配置された結合部分34への同軸接続を提供する出力ワイヤー30を具備する。結合部分34は、出力翼17の切欠き19を通って伸び、二つの横の棒(side legs)と中心の棒によりＷ状に形成された丸くなった末端(図１，２に最も良く示される)を有している。結合部分34の中心棒は、同軸接続の中心導体32を提供するように、近位の方向に結合部分34から軸方向に伸びる。更に後述するように、結合部分34は、出力翼17に接触せず、むしろ、出力翼に対して実質的に垂直な平坦領域を規定する。結合部分34は、そこで一つのサイドレッグと出力翼17に直節隣接する第1の出力空洞中の中心レッグとにより規定される第一の結合ループと、そして、他のサイドレッグ34bと出力翼１７に直接隣接する第二の出力空洞中の中心レッグとにより規定される第2の結合ループとを形成する。出力ワイヤー30は、例えば、動作必要条件(例、コスト、振動、反復、溶解点、蒸気圧、熱膨張係数、その他)に従って選ばれた銅又は銀メッキされた銅のような、導電性材料により構成される。出力ワイヤー30は、打ち抜き器、電界放電装置（EDM）、レーザ加工機、或いは所望の形態を得るための他の既知の製造技術を使用して、導電性材料シートから製造されることができる。
出力回路20は、マグネトロンから結合される電磁エネルギーを伝送する伝送線を提供する同軸セクションと、出力回路からの電磁エネルギーを放出する放射セクションとを含む、さらに2つのセクションを具備する。同軸セクションは、物理的にマグネトロン10に接続される受け口(socket)端22を具備する。受け口端は、陽極リング12の放射状穴21に直接係合する大きさの円筒形である。簡潔に図4および5に示すように、受け口端22の端は、4つの均一間隔に配置された放射状の溝23a、23bおよび25a,25bを有する。溝23a、23bは、各々出力ワイヤ３０のサイドレッグ34a、34bに係合する（図4を参照）。溝25a、25bは、それぞれ、実質的に陽極12の内部表面13と同一平面である受口端22の端で、出力翼17のテーパーを付けた尾部部分17a、17bと係合する(図５参照)。
サイドレッグ34a、34bは、受け口端22と陽極リングとの間の係合によって、陽極リング12の内部の表面（すなわち各々のそれぞれの出力空洞の側壁）とそこで効果的に電気接触する。尾部部分17a、17bと溝25a、25b間、及びサイドレッグ34a、34bと溝23aと溝23bとの間の係合が切抜きワイヤー30に出力翼17の角度関係を制御することが認識されなければならない。本発明の好適な実施例において、出力翼17は、マグネトロン10と出力回路20の間で、最大の結合を達成するために垂直（すなわち90°）の向きに定められる、しかし、該角度は所望のように結合の角度を変化させるために選択されることができることは認識されなければならない。さらに、出力ワイヤー30、受け口端22および出力翼17の自己ジギング(self-jigging)の性質は、速くて、反復可能で低額製造費用に向いている。
図1-3に再び戻って、出力回路の同軸セクションは、さらに受け口端22で軸方向に連結される円筒部分24、26を具備する。
円筒部分24、26と受け口端22は、同軸伝送線のための外側導体となることそして、導電性材料の単一の部材から機械加工されることができることが認識されなければならない。ソケット端22および円筒部分24は、出力ワイヤー30の中心導体32から間隔を置かれた共通のトンネル27を有する。円筒部分24、26の間のほぼ境界で、該トンネルは円筒部分26の内で拡大されたトンネル領域29を外見上規定するために広がる。
出力ワイヤ30は、この領域地域のより大きい幅に、30にもWaresを打電する。同軸伝送線の送信特性は、出力ワイヤーおよびトンネル領域27、29の寸法により決定されこと、及びしたがって、所望の性能を実現するために当業者により選択され得ることが、認識されなければならない。
円筒部分24は、受け口端22の径より大きい外径を有し、放射部の穴２１に受け口端を挿入する際の陽極リング12の外部表面11に対するストッパーとして役立つ。
放射セクションは円筒部分28を有するRF透過ドームを具備する。
円筒部分28は、誘電材料（例えばアルミナまたはべりリア磁器）から成る。円筒部分28は、拡大されたトンネル領域29の幅からより小さい径にテーパー付けられる内部スペースを具備する。出力ワイヤー30は、中心導体32より幅広の近端(proximal end)36を有する。近端36は、円筒部分28の内部スペースの中に伸び、小さくなった径のスペース内にぴったりと保持さる。したがって、出力ワイヤー30の近端36は、放射( launch )セクションの誘電体円筒部分28により囲まれるスペース中に、導電性円筒部分26から伸長し、同軸伝送線から伸長するアンテナを規定する。マグネトロン10から同軸伝送線を通って、伝えられる電磁気エネルギーは、外部送信システムにRF信号の形で近端36から放射する。放射セクション部分の円筒部分28は、マグネトロン10の内の真空を囲むのに役立つ。
【０００９】
出力ワイヤ３０と外部伝送システム間の結合の制御と反復性は、RF透過ドームの中に絶えず配置されている近端36に依存する。
結合34と近位端36により供されるアンテナプローブとの結合ループを含め、単一構造の出力ワイヤー30を提供することによって、プローブアンテナの配置における許容限界(tolerances)は、実質的に減少され、マグネトロンの結合上でのより多くの制御が達成される。出力回路20は、独立してテストし最適化され得るように、マグネトロン10から完全に分離して構築されることができる。これは、結合要素のようなパラメータのプロセス制御を強化する。同軸の外部送信システムまたは導波管壁に出力ワイヤー30を直接に電気接続するような、放射するプローブ結合の他の出力回路20に結合する他の形式が都合よく利用され得ることは、認識されなければならない。
上記の通りに、出力ワイヤー30の結合部分34は、出力翼17に接触しないが、その代わり陽極リング12の内部表面13に、固定される。結合部分34により規定される結合ループは、ほとんど独占的に磁場と結合し、出力空洞中の電場にはほとんど結合しない。隣接空洞中のπモードの磁場が逆位相(anti-phase)にあるとき、2つの結合ループ中の誘導電流は中心導体32に合流する(sum down)。結合ループの形は、それぞれの出力空洞（すなわち、内部表面13に隣接している）の後の大きい領域を包囲し、そこでは磁場は最も強く、前（すなわち、出力翼の最奥の先端に隣接）ではそうではなく、磁場が最も弱い。結合ループのための他の形は、また、マグネトロン・システムの共振特性と所望の動作に依存して利用できる。
【００１０】
【発明の効果】
2つの隣接空洞中への結合によって、空洞はより左右対称に負荷される。このように、πモード・フィールド・パターンは、単一の出力空洞のみが結合のために利用される既知の結合方法よりも、RF構造のまわりでより均一である。さらに、π-1ダブレット(doublets)のいずれかを全く結合されないことはもはや可能ではない。なぜならば、いずれのダブレットも同時に両結合ループでフィールド・ヌル(field null)を有することができないからである。したがって、π-1モード・オリエンテーションのいずれの方法も実行する必要はない。このことにより製造コストは低くなる。結合要素の制御に対する全体的な強化は、したがって、使用装置の冷却試験の間、結合を調整する必要性をなくし、製造コストをさらに安くする。
【００１１】
本発明に従って構成された実際の使用装置において、-66dBcのπ-1放射レベルが達成された。通常の条件で、-45dBcのπ-1放射レベルは、十分であるとみなされ、通常、モード・オリエンティング技術(mode orienting techniques)を使用して達成される。-60dBcより大きなレベルは、優秀であるとみなされ、それがモード-オリエンティング技術を必要とせずに達成されたと仮定するとより印象的である。
このように、マグネトロンのためのダブルループ出力システムの好適な実施例を説明したように、該システムにおいて、利点が達成されることは、当業者に明らかであることが、また認識されなければならない。種々の変更、適用および他の実施例は、本願発明の範囲と趣旨の範囲内でなされることができる。本発明は、更に請求項により定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】マグネトロンと出力システムの平面図である。
【図２】本発明に従って出力システムが結合されるマグネトロンの部分的な斜視図である、
【図３】図1の断面3-3によるマグネトロンおよび出力システムの部分側面図である。
【図４】出力システムの同軸伝送線の中心導体の 取付けを示す出力システムの分解図である。
【図５】図5はマグネトロンの陽極への出力システムの取り付けを示す分解図である。
【符号の説明】
１０…マグネトロン、１１…外部表面、１２…陽極リング、１３…内部表面、１４…陽極翼、１５…溝、１６…ストラップ、１７…出力翼、１７ａ，ｂ…テーパーを付けた尾部部分、１８…ストラップ、１９…切り欠き、２０…出力回路、２１…放射状の穴、２２…受け口端、２３ａ，ｂ…放射状の溝、２４…円筒部分、２６…導電性の円筒部分、２７…トンネル、２８…誘電体円筒部分、２９…トンネル領域、３０…出力ワイヤ、３１３２…中心導体、３４…結合部分、３４ｂ…サイドレッグ。
【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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