МАГНЕТРОН
MAGNETRON

Предлагаемое устройство относится к электровакуумной электронной технике, а более конкретно к магнетронам, в частности к коаксиальным магнетронам.
Известны магнетроны, содержащие катод, окружающую его резонаторную систему и вывод энергии, состоящий из выходного волновода и согласующего волноводного трансформатора. Как правило, для увеличения полосы согласования волноводный трансформатор состоит из нескольких секций в виде отрезков волноводов различных сечений. Ближайшая к резонаторной системе секция выполняется в виде отверстия той или иной формы (образующего диафрагму или отрезок волновода) в наружной стенке одного из резонаторов анодного блока в случае классического многорезонаторного магнетрона или в наружной стенке коаксиального резонатора в случае коаксиального магнетрона (см., например, В.Ф.Коваленко. Введение в электронику сверхвысоких частот.- М.: Сов. радио, 1955, стр.236-239).
Для обеспечения надежности соединения и исключения возможности образования паразитных полостей, могущих повлиять на параметры согласования, все секции согласующего трансформатора и выходной волновод обычно пропаиваются в местах стыка. Из магнетронов упомянутых выше конструкций наиболее близким к предлагаемому является магнетрон, известный из описания к патенту Российской Федерации №1840442, кл. Н01J 25/50 от 29.01.79.
Существенными недостатками указанных конструкций являются:
- отсутствие возможности оперативно корректировать параметры согласования каждого образца по результатам геометрического или электродинамического контроля его резонаторной системы и вывода энергии. Это обусловлено тем, что до пайки не обеспечивается надежный электродинамический контакт резонаторной системы и входящих в вывод энергии элементов, а после пайки практически невозможно провести распайку этих элементов и повторную пайку;
- возможность образования паразитных полостей, могущих повлиять на параметры согласования, в случае непропаев;
- высокая вероятность деформации или нарушения вакуумной плотности магнетрона в том случае, если резонаторная система и вакуумная оболочка, в которой жестко закреплен вывод энергии, изготовлены из материалов с различными коэффициентами теплового расширения (КТР).
Отклонения размеров резонаторной системы и вывода энергии от номинальных значений, которые, как правило, имеют место в изготовленном образце, а также непропаи в местах стыка приводят к отклонениям от номинальных значений выходных параметров образца, а в ряде случаев и к их несоответствию заданным требованиям. Это наиболее существенно при изготовлении магнетронов миллиметрового диапазона длин волн и особенно коаксиальных магнетронов, конструкция резонаторной системы которых сложна, состоит из большого числа деталей, соединяемых методами пайки или сварки, и реализовать требуемую точность изготовления не всегда возможно.
Таким образом, задачи сохранения целостности конструкции и уменьшения влияния на выходные параметры образцов магнетрона индивидуальных отклонений от номинальных размеров резонаторной системы и вывода энергии являются актуальными.
Техническими эффектами изобретения являются:
- сохранение целостности конструкции при изменении внешних условий, в том числе исключение деформации или нарушения вакуумной плотности магнетрона;
- уменьшение влияния неточностей изготовления резонаторной системы и вывода энергии на такие важнейшие параметры резонаторной системы, как контурный КПД (определяющий общий КПД и выходную мощность магнетрона), нагруженная и внешняя добротности (определяющие устойчивость рабочего вида колебаний и затягивание частоты), а также на другие параметры магнетрона, что позволяет получить более оптимальные их значения, повысить выход годных образцов и уменьшить их стоимость.
Эффект уменьшения влияния неточностей изготовления достигается коррекцией параметров согласования вывода энергии путем изменения размеров секций согласующего волноводного трансформатора по результатам контроля параметров резонаторной системы на завершающем этапе сборки магнетрона.
Таким образом, задача уменьшения влияния отклонений сводится к замене отдельных секций трансформатора, размеры которых не обеспечивают требуемые параметры резонаторной системы, на секции, размеры которых по результатам контроля параметров более соответствуют поставленной задаче.
Указанная замена может быть осуществлена, если секции не спаяны между собой, но имеют надежный электродинамический контакт. Такой контакт может быть реализован, если вывод энергии выполнен сборно-разборным с разделением выходного волновода и трансформатора, или секций трансформатора, или выходного волновода и секций трансформатора друг от друга зазорами, размер которых в направлении оси вывода энергии много меньше четверти рабочей длины волны, при этом влияние указанных зазоров на электродинамические параметры согласования устраняется расположением на торцах зазоров короткозамыкающих высокочастотных дросселей. Дроссели могут быть выполнены, например, в виде разомкнутых четвертьволновых волноводных или двухпроводных отрезков, полученных выбором размеров зазоров в направлениях, поперечных оси вывода энергии, близкими к четверти рабочей длины волны и выполнением вокруг зазоров размыкающих полостей с существенно большими размерами по сравнению с размером зазора в направлении оси вывода энергии (аналогично применению в микроволновых печах четвертьволновых короткозамыкающих дросселей на стыке дверцы и камеры). Это же решение одновременно обеспечивает эффект сохранения целостности конструкции.
На практике изменение размеров секций согласующего трансформатора с целью определения оптимальных для данного образца их значений может быть выполнено ступенчато, например, путем предварительного изготовления ограниченного набора секций с различными размерами и их поочередного опробования в процессе измерения электродинамических параметров резонаторной системы на завершающем этапе сборки магнетрона. Крепление выбранных для дальнейшей сборки секций может быть выполнено методами сварки или пайки в местах, отдаленных от контакта секций между собой.
На фиг.1 и 2 в качестве примеров изображены конструкции резонаторной системы классического и коаксиального магнетронов с двухсекционным трансформатором вывода энергии. Наружная стенка резонаторной системы 1 является одновременно частью вакуумной оболочки магнетрона. Секции 3 и 4 выполнены в виде отрезков прямоугольных волноводов с различными продольными и поперечными размерами волноводного канала. Секция 3 (с большими поперечными размерами волноводного канала) конструктивно выполнена как прямоугольное отверстие в торцовой стенке выходного волновода 2. Наружные размеры выходного волновода 2 выбраны таким образом, чтобы зазор 5 между секциями в направлении оси вывода энергии имел размер, много меньший четверти рабочей длины волны λ, а в направлениях, поперечных оси вывода энергии, имел размеры, близкие к четверти рабочей длины волны. Конфигурация наружной поверхности волновода 2 и отверстия в корпусе 1 для посадки волновода выполнена такой, что по торцам зазора образуются размыкающие полости 6 с существенно большими размерами по сравнению с размером зазора в направлении оси вывода энергии, что обеспечивает их существенно большие волновые сопротивления в каждом направлении возможного излучения волны по сравнению с волновыми сопротивлениями зазора в этом направлении. Поршень 7 обеспечивает перестройку частоты коаксиального магнетрона.
На фиг.3 изображена конструкция коаксиального магнетрона, в котором наружная стенка 8 резонаторной системы отделена от корпуса 1 кольцевым зазором (например, при изготовлении их из материалов с существенно разными коэффициентами теплового расширения). В этом случае зазоры между стенкой 8 и корпусом 1 исключают влияние корпуса на тепловое изменение размеров наружной стенки, а зазор между секциями 3 и 4 предохраняет магнетрон от деформации или нарушения вакуумной плотности.
Электродинамический контроль параметров резонаторной системы на завершающем этапе сборки магнетрона осуществляется до сварки буртов выходного волновода 2 и корпуса 1. При несоответствии параметров резонаторной системы требуемым значениям выходной волновод 2 заменяется на волновод с другими размерами секции 3. Наилучшим образом обеспечивающая заданные параметры согласования секция 3, объединенная с выходным волноводом 2, соединяется с корпусом 1 сваркой.
На фиг.4 изображена конструкция магнетрона, в котором вывод энергии имеет зазор между выходным волноводом и трансформатором, предохраняющий от деформации или нарушения вакуумной плотности. Толщина цилиндрической стенки волновода 2 и размеры отверстия в корпусе 1 выбраны таким образом, чтобы размер зазора 5 между выходным волноводом и трансформатором в направлении оси вывода энергии был много меньше четверти рабочей длины волны, размеры зазора в направлениях, поперечных оси вывода энергии, были близки к четверти рабочей длины волны и чтобы вокруг зазора образовались размыкающие полости 6 с существенно большими размерами по сравнению с размером зазора в направлении оси вывода энергии.
При возбуждении рабочего вида колебаний магнетрона заявляемой конструкции высокочастотные токи, протекающие по поверхностям резонаторной системы, согласующего трансформатора и выходного волновода, не встречают большого сопротивления при прохождении через указанные зазоры, т.к. на торцах зазоров расположены короткозамыкающие высокочастотные дроссели. Таким образом, между соединяемыми узлами магнетрона обеспечивается надежный электродинамический контакт, практически эквивалентный контакту, достигаемому при качественной пайке. При этом наличие зазоров и возможность разборки и замены отдельных элементов вывода энергии, устраняя указанные выше недостатки паяных конструкций, позволяет реализовать составляющие заявляемый технический эффект преимущества магнетрона:
- сохранение целостности конструкции при изменении внешних условий, в том числе исключение деформации или нарушения вакуумной плотности магнетрона;
- уменьшение влияния неточностей изготовления резонаторной системы и вывода энергии и тем самым создание условий для достижения более высоких параметров магнетрона.
В качестве примера конкретной реализации заявляемого изобретения приводим результаты измерения параметров изготовленного образца импульсного перестраиваемого коаксиального магнетрона 8 мм диапазона длин волн, в котором обеспечивается перестройка рабочей частоты в диапазоне от 34800 до 37200 МГц, конструкция которого иллюстрируется фиг.2. В этом образце секция 4, выполненная в наружной стенке коаксиального резонатора, имеет поперечные размеры волноводного канала 7×1 мм и осевой размер 0,3 мм. Секция 3, объединенная с выходным волноводом 2 круглого сечения диаметром 8 мм, отделена от секции 4 зазором с размером вдоль оси вывода 0,1 мм и размером 2,1 мм в направлениях, поперечных оси вывода энергии. Конфигурация наружной поверхности волновода 2 и посадочного отверстия корпуса 1 выполнена такой, что по торцам зазора образуются размыкающие полости 6 с поперечными размерами 3 мм и осевыми размерами 0,5 мм. Секция 3 изготовлена в нескольких вариантах, отличающихся поперечными и осевыми размерами волноводного канала. Конкретные размеры 3-х изготовленных вариантов приведены в табл.1.
Таблица 1
Размеры волноводного канала
Значения размеров, мм
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
Размер широкой стенки
7
7
7
Размер узкой стенки
1,0
1,2
1,4
Размер вдоль оси волновода
2,1
2,05
2,02
Результаты измерения контурного КПД резонаторной системы в диапазоне ее перестройки на завершающем этапе сборки образца магнетрона при поочередной установке волноводов с указанными вариантами выполнения размеров волноводного канала секции согласующего трансформатора и измерения общего КПД этого образца в диапазоне его перестройки при работе в режиме генерации с установленной в нем секцией трансформатора с размерами волноводного канала 3-го варианта приведены в табл.2.
Таблица 2
Частота магнетрона, ГГц
Контурный КПД,%
Общий КПД, %
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
Вариант 3
34,8
30,0
43,5
54,1
16,5
35,2
33,3
43,1
55,3
18,4
35,6
34,5
44,0
58,9
19,8
36,0
35,1
42,2
61,7
19,9
36,4
36,4
41,3
61,5
20,0
36,8
35,2
41,3
60,3
20,7
37,2
35,0
40,1
60,5
20,6
Реализованные в образце в результате подбора оптимальных параметров согласования значения КПД и диапазона перестройки, находящиеся на уровне лучших достижений, свидетельствуют об эффективности применения заявляемого технического решения.