RU2588039C1

RU2588039C1 - Magnetron

Info

Publication number: RU2588039C1
Application number: RU2015108122/07A
Authority: RU
Inventors: Олег Александрович Морозов; Александр Николаевич Каргин; Галина Павловна Савенко; Василий Васильевич Федотов; Павел Петрович Ратиловский; Борис Яковлевич Кистин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Магратеп" (ЗАО "НПП "Магратеп")
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2016-06-27

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering, particularly, to vacuum generators of microwave oscillations - magnetrons. Magnetron contains cathode leg, anode with resonator system and energy output, its cathode leg, which includes the cathode fixed on the holder additionally contains device for suppression of parasitic microwave radiation at operating frequency of the magnetron made up as coiled quarter-wave throttle structure comprising hollow cylindrical outer conductor short-circuited on one side and mounted coaxially on the cathode holder so that its short-circuited end wall is directed to the external end of cathode leg inside of which there is short-circuited at one side hollow cylindrical inner conductor mounted coaxially on the cathode holder so that its short-circuited end wall is directed to cathode of magnetron. In the second version, device for suppression of parasitic microwave radiation at operating frequency of the magnetron is made up as coiled quarter-wave throttle structure comprising short-circuited on one side hollow cylindrical outer conductor mounted coaxially on the cathode holder so that its short-circuited end wall is directed to the external end of cathode leg, inside of which there is a hollow cylindrical inner conductor, wherein the inner and outer conductors are connected to each other by means of inner annular projection made at the end of external cylindrical conductor connected to the first end of inner hollow cylindrical conductor.

EFFECT: technical result provides reduction of parasitic microwave radiation at cathode leg while maintaining low weight and dimension characteristics of the device.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, в частности к электровакуумным генераторам СВЧ-колебаний - магнетронам.The invention relates to electronic equipment, in particular to electric vacuum generators of microwave oscillations - magnetrons.

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.Currently, continuous magnetrons are widely used in domestic and industrial microwave ovens designed for heating through the action of microwave oscillations. At the same time, furnace magnetrons work under conditions of variable and inconsistent load, which creates significant reflections of microwave energy, and also leads to spurious generation and emission of side vibrations, the power levels of which exceed permissible norms. All these factors lead to a decrease in the reliability and durability of the magnetron, the power source and the equipment as a whole. In addition, the excess of the normalized levels of side fluctuations is a factor determining the inadmissibility of the device for operation.

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.An urgent task in the design and creation of continuous magnetrons used in household and industrial devices, in particular in microwave ovens, is the suppression of reverse microwave radiation at the working frequency of the magnetron, which occurs during its operation and seeps into the external environment through the cathode leg of the magnetron.

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.It is known that in order to suppress unwanted vibrations arising during the operation of the magnetron, various technical solutions are used, both circuitry, affecting the power supply and control circuits of the magnetron, as well as structural, implemented in the construction of elements and components of the magnetron, as well as components directly electromagnetically coupled to the magnetron .

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.The most common technical solution aimed at suppressing microwave backward radiation from the cathode legs of a magnetron is to install an external high-pass filter. However, when using magnetrons with high power (3-4 kW or more), a significant increase in the dimensions of such a filter is required due to the need to use elements designed to work with increased powers. This, in turn, requires an increase in the overall dimensions of the equipment in which magnetrons are used, which in most cases is problematic.

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.Structurally, the magnetron for microwave heating (RF patent for utility model No. 129294, priority date 01.25.2013, IPC H01J 25/00), comprising an anode block consisting of a cylinder, ten blades adjacent to one ends to the inner surface of the cylinder and located radially to the axis of the cylinder with the formation of their other ends coaxial with the cylinder of the anode hole, and two pairs of concentric annular ligaments connected to the respective ends of the blades through one with the formation of five connection points for each bundle, a cathode-heating unit, two pole pieces located coaxially with the cylinder of the anode block with through central holes, two ring magnets mounted on the pole pieces, and coaxial energy output, with the blades in the area of connection to the inner the surface of the cylinder is 30–60% lower than the height of the blades on the side of the anode hole, the annular ligaments are 15–20% of the height of the blades on the side of the anode hole, and the radius The total distance between the concentric annular ligaments is 15–20% of their height.

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.This technical solution is a magnetron operating at a frequency of 915 MHz and providing an output power of more than 4 kW, with an axial arrangement of the cathode leg and energy output. In the design of the prototype, no means have been implemented to suppress microwave backward radiation from the cathode leg, therefore, to ensure the operation of this magnetron in domestic and industrial microwave ovens, an external high-pass filter is required.

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.The disadvantage of this design is that when the magnetron, made in accordance with the prototype, the reverse microwave radiation from the cathode legs must be completely suppressed by an external filter, while taking into account the high output power of the magnetron, the dimensions of such a filter need to be significantly increased, which makes it difficult the use of such a design in a number of furnaces.

Для подавления нежелательных СВЧ-колебаний интерес представляют технические решения, представляющие собой различные дроссельные структуры по причине простоты их реализации и надежности блокирования.To suppress unwanted microwave oscillations, technical solutions representing various choke structures are of interest because of the simplicity of their implementation and the reliability of blocking.

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.At the same time, the use of such technical solutions in small-sized microwave devices operating in vibrations with a sufficiently large wavelength appears to be difficult, since it is necessary to increase the size of the device due to its long length to accommodate a quarter-wave choke.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение простой конструкции магнетрона, обеспечивающей значительное снижение паразитного СВЧ-излучения с катодной ножки, при сохранении малых массогабаритных характеристик прибора.The technical result of the invention is to obtain a simple magnetron design, which provides a significant reduction in parasitic microwave radiation from the cathode legs, while maintaining small mass and size characteristics of the device.

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.The technical result is achieved in that the first embodiment of the invention provides a magnetron containing a cathode leg, an anode with a resonator system and energy output, while its cathode leg, including a cathode mounted on a cathode holder, further comprises a device for suppressing stray microwave radiation on the working magnetron frequency, made in the form of a rolled up quarter-wave throttle structure, including a short-circuited, on one side, hollow cylindrical outer conductor fixed coaxially to the core STUDIO cathode in such a manner that its short-circuited end wall directed toward the outer end of the cathode legs in the cavity which is short-circuited on the one hand a hollow cylindrical inner conductor, coaxially mounted on the cathode holder so that its short-circuited end wall directed to the cathode of the magnetron.

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.In a second embodiment of the invention, there is provided a magnetron comprising a cathode leg, an anode with a resonator system and energy output, the cathode leg including a cathode mounted on a holder, further comprises a device for suppressing spurious microwave radiation at the magnetron operating frequency, made in the form of a rolled-up quarter-wave throttle structure, including a short-circuited, on one side, hollow cylindrical outer conductor fixed coaxially to the cathode holder so that it is short-circuited the end wall is directed to the outer end of the cathode leg, in the cavity of which a hollow cylindrical inner conductor is located, while the inner and outer conductors are interconnected by means of an inner annular protrusion made on the end of the outer cylindrical conductor connected to the first end of the inner hollow cylindrical conductor.

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.The principle of operation of the rolled quarter-wave throttle structure proposed in the first and second embodiments of the invention is similar to the principle of operation of the coaxial quarter-wave resonator. The input impedance of this structure tends to infinity, since the total length of the conductors of the throttle structure is selected approximately equal to a quarter of the wavelength in free space. Thus, the plane of the throttle structure facing the radiation source becomes reflective to it. This allows you to reliably cut off the reverse microwave radiation from the cathode legs of the magnetron. At the same time, the use of a rolled design of the throttle structure allows you to save the overall dimensions of the magnetron.

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.The use of the invention allows to obtain a magnetron with high power and at the same time having low levels of microwave return radiation, which makes it possible to install external high-pass filters designed for significantly lower power compared to the prototype.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показан первый вариант выполнения изобретения, обозначены следующие позиции:The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a first embodiment of the invention, the following positions are indicated:

1 - анод с резонаторной системой;1 - anode with a resonator system;

2 - катодная ножка;2 - cathode leg;

3 - цилиндрический держатель катода;3 - cylindrical cathode holder;

4 - катод;4 - cathode;

5 - полюсный наконечник;5 - pole tip;

6 - внешний цилиндрический короткозамкнутый проводник;6 - external cylindrical short-circuited conductor;

7 - внутренний цилиндрический короткозамкнутый проводник;7 - inner cylindrical short-circuited conductor;

8 - вывод энергии магнетрона.8 - output of magnetron energy.

На фиг. 2 показан второй вариант выполнения изобретения, обозначены следующие позиции:In FIG. 2 shows a second embodiment of the invention, the following positions are indicated:

2 - катодная ножка;2 - cathode leg;

5 - полюсный наконечник;5 - pole tip;

9 - внутренний кольцевой выступ внешнего цилиндрического короткозамкнутого проводника;9 - inner annular protrusion of the outer cylindrical squirrel-cage conductor;

h - зазор между вторым торцом внутреннего цилиндрического проводника и короткозамкнутой торцевой стенкой внешнего цилиндрического проводника.h is the gap between the second end of the inner cylindrical conductor and the short-circuited end wall of the outer cylindrical conductor.

На фиг. 3 показан график значений амплитудно-частотной характеристики сигнала на катодной ножке магнетрона.In FIG. Figure 3 shows a graph of the amplitude-frequency characteristics of the signal on the cathode leg of the magnetron.

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.Shown in FIG. 1, the invention made in accordance with the first embodiment operates as follows. Two cylindrical short-circuited conductors are mounted coaxially on the cylindrical cathode holder 4 in the cathode leg 2: external 7 and internal 6. In this case, the external conductor with the short-circuited end wall faces the terminals of the cathode leg 2, and the inner conductor located in its cavity faces the cathode 4. Between the second the end face of the inner cylindrical conductor and the short-circuited end wall of the outer cylindrical conductor sets a gap for the passage of oscillations of the working frequency of the magnetron. When the magnetron is operating, microwave radiation at the working frequency, seeping from the side of the cathode 4 through the gap between the pole piece 5 and the cylindrical holder 3 of the cathode 4, encounters a throttle structure formed by the external 7 and internal 6 conductors, and is reflected from it. Thus, it is possible to achieve attenuation of microwave radiation of the cathode leg of the magnetron more than 25 dB.

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.Shown in FIG. 2, the invention made in accordance with the second embodiment, according to the principle of operation, fully corresponds to the first embodiment. An exception is that the throttle structure is mounted on the cylindrical cathode holder by means of an external conductor 7, which in turn is connected to the inner conductor 6 by means of an inner annular protrusion 9 formed on the end of the outer cylindrical conductor 7 connected to the first end of the inner hollow cylindrical conductor 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.The throttle structure was measured on a prototype magnetron operating at a frequency of 915 MHz, manufactured in accordance with the first embodiment of the invention. The measurement was carried out using a network analyzer Rohde & Schwarz ZND. A signal was supplied via a coaxial cable from the anode side, and a signal attenuation was recorded using a communication loop located near the cathode leg on the outside.

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.An experimental verification confirmed the resonance properties of the proposed throttle structure, providing attenuation of more than 25 dB. A graph of the amplitude-frequency characteristics of the signal on the cathode leg of the magnetron is shown in FIG. 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.Thus, the use of the present invention makes it possible to obtain a simple magnetron design that provides a significant reduction in parasitic microwave radiation from the cathode leg, regardless of the magnitude of the output power and thereby eliminates the need for large external filters, and thereby achieve a reduction in the overall dimensions of the device.

Claims

1. A magnetron containing a cathode leg, an anode with a resonator system and an energy output, characterized in that its cathode leg, including a cathode mounted on a cathode holder, further comprises a device for suppressing spurious microwave radiation at a magnetron operating frequency, made in the form of a coiled a quarter-wave throttle structure, including a short-circuited, on one side, hollow cylindrical outer conductor fixed coaxially to the cathode holder so that its short-circuited end wall is on ravlena to the outer end of the cathode legs in the cavity which is short-circuited on the one hand a hollow cylindrical inner conductor, coaxially mounted on the cathode holder so that its short-circuited end wall directed to the cathode of the magnetron.

2. A magnetron containing a cathode leg, an anode with a resonator system and an energy output, characterized in that the cathode leg including a cathode mounted on a holder further comprises a device for suppressing spurious microwave radiation at the operating frequency of the magnetron, made in the form of a rolled up quarter-wave throttle a structure comprising a short-circuited, on one side, hollow cylindrical outer conductor fixed coaxially to the cathode holder so that its short-circuited end wall is directed toward External Expansion cathode end legs, in which the cavity is a hollow cylindrical inner conductor, the inner and outer conductors are interconnected by means provided on the end face of the external cylindrical conductor internal annular projection connected to the first end of the inner hollow cylindrical conductor.