МАГНЕТРОН
MAGNETRON

Изобретение относится к электронной технике, в частности к электровакуумным генераторам СВЧ-колебаний - магнетронам.
В настоящее время магнетроны непрерывного действия широко используются в бытовых и промышленных СВЧ-печах, предназначенных для нагрева посредством действия СВЧ-колебаний. При этом печные магнетроны работают в условиях переменной и несогласованной нагрузки, что создает значительные отражения СВЧ-энергии, а также приводит к возникновению паразитной генерации и излучению побочных колебаний, уровни мощности которых превышают допустимые нормы. Все эти факторы обуславливают снижение надежности и долговечности магнетрона, источника питания и аппаратуры в целом. Кроме того, превышение нормируемых уровней побочных колебаний является фактором, определяющим недопустимость устройства к эксплуатации.
Актуальной задачей при проектировании и создании магнетронов непрерывного действия, использующихся в бытовых и промышленных приборах, в частности в СВЧ-печах, является подавление обратного СВЧ-излучения на рабочей частоте магнетрона, которое возникает при его работе и просачивается во внешнюю среду через катодную ножку магнетрона.
Известно, что для подавления нежелательных колебаний, возникающих при работе магнетрона, используются различные технические решения, как схемотехнические, влияющие на цепи питания и управления магнетрона, так и конструктивные, реализуемые в конструкции элементов и узлов магнетрона, а также компонентов, непосредственно электромагнитно связанных с магнетроном.
Наиболее распространенным техническим решением, направленным на подавление обратного СВЧ-излучения с катодной ножки магнетрона, является установка внешнего высокочастотного фильтра. Однако при использовании магнетронов с высокой мощностью (3-4 кВт и более) требуется значительное увеличение габаритов такого фильтра из-за необходимости использования элементов, рассчитанных на работу с повышенными мощностями. Это, в свою очередь, требует увеличения габаритных размеров аппаратуры, в которой используются магнетроны, что в большинстве случаев является проблематичным.
Конструктивно наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом изобретения) является магнетрон для микроволнового нагрева (патент РФ на полезную модель №129294, приоритет от 25.01.2013, МПК H01J 25/00), содержащий анодный блок, состоящий из цилиндра, десяти лопаток, примыкающих одними концами к внутренней поверхности цилиндра и расположенных радиально к оси цилиндра с образованием другими их концами соосного с цилиндром анодного отверстия, и двух пар концентричных кольцевых связок, соединенных с соответствующими торцами лопаток через одну с образованием пяти мест соединения на каждую связку, катодно-подогревательный узел, два расположенных соосно с цилиндром анодного блока полюсных наконечника со сквозными центральными отверстиями, два кольцевых магнита, установленные на полюсные наконечники, и коаксиальный вывод энергии, при этом лопатки в области присоединения к внутренней поверхности цилиндра выполнены высотой на 30÷60% меньше высоты лопаток со стороны анодного отверстия, кольцевые связки выполнены высотой 15÷20% от высоты лопаток со стороны анодного отверстия, а радиальное расстояние между концентричными кольцевыми связками составляет 15÷20% от их высоты.
Данное техническое решение представляет собой магнетрон, работающий на частоте 915 МГц и обеспечивающий выходную мощность более 4 кВт, с аксиальным расположением катодной ножки и вывода энергии. В конструкции прототипа не реализованы средства для подавления обратного СВЧ-излучения с катодной ножки, следовательно, для обеспечения работы данного магнетрона в бытовых и промышленных СВЧ-печах необходима установка внешнего высокочастотного фильтра.
Недостатком данной конструкции является то, что при работе магнетрона, выполненного в соответствии с прототипом, обратное СВЧ-излучение с катодной ножки полностью необходимо подавлять за счет внешнего фильтра, при этом учитывая высокую выходную мощность магнетрона, габариты такого фильтра требуется значительно увеличить, что делает затруднительным использование такой конструкции в ряде печей.
Для подавления нежелательных СВЧ-колебаний интерес представляют технические решения, представляющие собой различные дроссельные структуры по причине простоты их реализации и надежности блокирования.
В то же время использование подобных технических решений в малогабаритных СВЧ-приборах, работающих на колебаниях с достаточно большой длиной волны, представляется затруднительным, так как для размещения четвертьволнового дросселя требуется увеличивать размеры прибора из-за его большой длины.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение простой конструкции магнетрона, обеспечивающей значительное снижение паразитного СВЧ-излучения с катодной ножки, при сохранении малых массогабаритных характеристик прибора.
Технический результат достигается тем, что в первом варианте изобретения предлагается магнетрон, содержащий катодную ножку, анод с резонаторной системой и вывод энергии, при этом его катодная ножка, включающая катод, закрепленный на держателе катода, дополнительно содержит устройство для подавления паразитного СВЧ-излучения на рабочей частоте магнетрона, выполненное в виде свернутой четвертьволновой дроссельной структуры, включающей короткозамкнутый с одной стороны полый цилиндрический внешний проводник, закрепленный соосно на держателе катода таким образом, что его короткозамкнутая торцевая стенка направлена к внешнему концу катодной ножки, в полости которого расположен короткозамкнутый с одной стороны полый цилиндрический внутренний проводник, закрепленный соосно на держателе катода таким образом, что его короткозамкнутая торцевая стенка направлена к катоду магнетрона.
Во втором варианте изобретения предлагается магнетрон, содержащий катодную ножку, анод с резонаторной системой и вывод энергии, при этом катодная ножка, включающая катод, закрепленный на держателе, дополнительно содержит устройство для подавления паразитного СВЧ-излучения на рабочей частоте магнетрона, выполненное в виде свернутой четвертьволновой дроссельной структуры, включающей короткозамкнутый с одной стороны полый цилиндрический внешний проводник, закрепленный соосно на держателе катода таким образом, что его короткозамкнутая торцевая стенка направлена к внешнему концу катодной ножки, в полости которого расположен полый цилиндрический внутренний проводник, при этом внутренний и внешний проводники связаны между собой посредством выполненного на торце внешнего цилиндрического проводника внутреннего кольцевого выступа, соединенного с первым торцом внутреннего полого цилиндрического проводника.
Принцип действия свернутой четвертьволновой дроссельной структуры, предлагаемой в первом и во втором вариантах изобретения, аналогичен принципу действия коаксиального четвертьволнового резонатора. Входное сопротивление данной структуры стремится к бесконечности, поскольку суммарная длина проводников дроссельной структуры подбирается приблизительно равной четверти длины волны в свободном пространстве. Таким образом, плоскость дроссельной структуры, обращенная к источнику излучения, становится отражающей для него. Это позволяет надежно отсечь обратное СВЧ-излучение с катодной ножки магнетрона. В то же время использование свернутой конструкции дроссельной структуры позволяет сохранить габаритные размеры магнетрона.
Использование предлагаемого изобретения позволяет получить магнетрон, обладающий высокой мощностью и в то же время имеющий низкие уровни обратного СВЧ-излучения, что дает возможность устанавливать внешние высокочастотные фильтры, рассчитанные на значительно меньшую мощность по сравнению с прототипом.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показан первый вариант выполнения изобретения, обозначены следующие позиции:
1 - анод с резонаторной системой;
2 - катодная ножка;
3 - цилиндрический держатель катода;
4 - катод;
5 - полюсный наконечник;
6 - внешний цилиндрический короткозамкнутый проводник;
7 - внутренний цилиндрический короткозамкнутый проводник;
8 - вывод энергии магнетрона.
На фиг. 2 показан второй вариант выполнения изобретения, обозначены следующие позиции:
2 - катодная ножка;
3 - цилиндрический держатель катода;
5 - полюсный наконечник;
6 - внешний цилиндрический короткозамкнутый проводник;
7 - внутренний цилиндрический короткозамкнутый проводник;
9 - внутренний кольцевой выступ внешнего цилиндрического короткозамкнутого проводника;
h - зазор между вторым торцом внутреннего цилиндрического проводника и короткозамкнутой торцевой стенкой внешнего цилиндрического проводника.
На фиг. 3 показан график значений амплитудно-частотной характеристики сигнала на катодной ножке магнетрона.
Показанное на фиг. 1 изобретение, выполненное в соответствии с первым вариантом, работает следующим образом. На цилиндрический держатель катода 4 в катодной ножке 2 соосно устанавливаются два цилиндрических короткозамкнутых проводника: внешний 7 и внутренний 6. При этом внешний проводник короткозамкнутой торцевой стенкой обращен к выводам катодной ножки 2, а находящийся в его полости внутренний проводник - к катоду 4. Между вторым торцом внутреннего цилиндрического проводника и короткозамкнутой торцевой стенкой внешнего цилиндрического проводника устанавливается зазор для прохождения колебаний рабочей частоты магнетрона. При работе магнетрона СВЧ-излучение на рабочей частоте, просачивающееся со стороны катода 4 через зазор между полюсным наконечником 5 и цилиндрическим держателем 3 катода 4, встречает на своем пути дроссельную структуру, образованную внешним 7 и внутренним 6 проводниками, и отражается от нее. Таким образом удается добиться ослабления СВЧ-излучения катодной ножки магнетрона более 25 дБ.
Показанное на фиг. 2 изобретение, выполненное в соответствии со вторым вариантом, по принципу действия полностью соответствует первому варианту исполнения. Исключение составляет то, что дроссельная структура закреплена на цилиндрическом держателе катода посредством внешнего проводника 7, который в свою очередь связан с внутренним проводником 6 посредством выполненного на торце внешнего цилиндрического проводника 7 внутреннего кольцевого выступа 9, соединенного с первым торцом внутреннего полого цилиндрического проводника 6.
Измерение дроссельной структуры проводилось на макетном образце магнетрона, работающего на частоте 915 МГц, изготовленном в соответствии с первым вариантом предлагаемого изобретения. Измерение осуществлялось с помощью анализатора цепей Rohde&Schwarz ZND. Подавался сигнал по коаксиальному кабелю со стороны анода, и с помощью петли связи, расположенной около катодной ножки с внешней стороны, регистрировалось ослабление сигнала.
Экспериментальная проверка подтвердила резонансные свойства предлагаемой дроссельной структуры, обеспечивающей ослабление более 25 дБ. График значений амплитудно-частотной характеристики сигнала на катодной ножке магнетрона показан на фиг. 3.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения дает возможность получить простую конструкцию магнетрона, обеспечивающую значительное снижение паразитного СВЧ-излучения с катодной ножки вне зависимости от величины выходной мощности и за счет этого снимающую необходимость применения крупногабаритных внешних фильтров, и тем самым достигнуть уменьшения массогабаритных характеристик прибора.