CN1172340A - 高频振荡装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高频振荡装置,形成M型(磁场作用于与电子移动方向即电场作用方向相垂直的方向的坡印廷形)叉指(叉指型)谐振结构,在低工作电压下能获得70%以上的高效率。该高频振荡装置包括灯丝、阳极、天线,其中阳极包括上谐振板、下谐振板、中央谐振板,并在所述灯丝和阳极之间设置发射体,该发射体接收从所述灯丝发射的热能,在所述作用空间中发出热电子。

Description

高频振荡装置

本发明涉及在保持低电压下稳定的工作特性的同时具有高效率和输出的高频振荡装置。

在现有技术中，这种高频振荡装置，如图1所示，沿着轴芯方向以等间隔配置多个(偶数)叶柱15，所述叶柱15设在由铜管等形成的圆筒状阳极筒体13内，形成多个谐振腔以保持高频成分，并由所述阳极筒体13和叶柱15构成阳极16。

内外侧均压环15a、15b分别连接配置在每个所述叶柱15顶端附近的上下位置，以便改变电容获得预定的谐振频率。在所述阳极筒体13中心轴的附近，所述多个叶柱15的顶端与灯丝17之间形成作用空间。

在所述作用空间12内，与所述阳极筒体13同轴地配置着卷绕成螺旋状的灯丝17，所述灯丝17由钨W与氧化钍混合烧结而成以产生高热能。

在所述灯丝17的两端固定着上、下端板20、21，以防止无助于振荡的损耗电流的热电子向中心轴方向辐射。在所述下端板21的中央，作为中央支撑杆的钼制第一阴极支撑杆23，穿过形成在所述中央的通孔，被焊接在所述上端板20的下端。钼制的第二阴极支撑杆25被焊接在所述下端板21的底面。

其中，所述第一阴极支撑杆23沿着所述灯丝17的中心轴并支撑所述上端板20。所述第一阴极支撑杆23、第二阴极支撑杆25，穿过在固定支撑高频振荡装置的绝缘陶瓷27上形成的通孔，与连接在电源端子30b、32b的外部连接端子29、31电气连接，作为向所述灯丝17供给电流的灯丝电极。

扼流圈30、32的一端同所述外部连接端子29、31电气连接，所述扼流圈30、32的另一端与设在盒式滤波器侧壁的电容器34相连接，在所述扼流圈30、32内，沿着所述扼流圈30、32的纵向插有吸收噪声的铁氧体30a、32a。

在所述阳极筒体13的两侧开口部焊接有磁体的漏斗状上、下极片33、35，所述上、下极片33、35形成磁路，以便于在由所述灯丝17和叶柱15所形成的作用空间12内均匀地形成磁通。

在所述上、下极片33、35的上下位置分别气密地焊接有上、下屏蔽罩37、39，为了使所述阳极筒体13内处于密封真空状态，在所述上、下屏蔽罩37、39的上下位置分别气密地焊接着天线陶瓷45和绝缘陶瓷27。

在所述上、下屏蔽罩37、39的外侧面上设置着环状的磁体41、43，以便在所述阳极筒体13内保持预定的磁场分布。在构成高频振荡装置输出部的所述上屏蔽罩37的上部开口端上接合着使下述的天线罩绝缘的圆筒状天线陶瓷45。

在图中，在所述天线陶瓷45的上侧顶端联结着铜制排气管47。在所述排气管47内侧的中央附近，用以输出谐振腔内振荡微波的天线49从所述叶柱15引出，并通过所述上极片33的通孔且在轴向上延长，所述天线49的端部固定在所述排气管47内。

在所述排气管47的外侧面，具有保护所述排气管47的焊接部，防止由电场集中所引起的放电，并起到高频天线的作用。而且，在起到发射微波到外部的窗口作用的天线陶瓷45及其上面，覆盖着天线罩51。

在所述阳极筒体13的外部设有上、下轭部53、55，所述上、下轭部53、55为了连接回归的磁通而决定所述阳极筒体13内的磁通量。多个铝散热片57通过固定于所述阳极筒体13和下轭部55的夹紧部件55a配合设置在所述阳极筒体13和下轭部55之间，并同所述磁体41、43，由形成磁路的上、下轭部53、55所覆盖。

如图2、3所示，所述阳极16的半径是r_a，所述灯丝17的半径是r_c。

在具有上述构成的高频振荡装置中，首先，当通过外部连接端子29、31供电时，按所述外部连接端子29→第一阴极支撑杆23→上端板20→灯丝17→下端板21→第二阴极支撑杆25→外部连接端子31形成闭合回路，向所述灯丝17提供工作电流进行加热。

当所述灯丝17被加热时，在高温下开始向作用空间12内放出热电子。

此时，通过施加在所述第二阴极支撑杆25和阳极16上的驱动电压，在灯丝17的表面和叶柱15之间的作用空间12内形成强电场，所述强电场从叶柱15出发而到达灯丝17。

另一方面，从两个磁体41、43发出的磁通被分隔在由上、下轭部53、55、上、下极片33、35和作用空间12形成的磁回路内，而在作用空间12内形成高磁通密度。

因此，从高温的灯丝17的表面发射到作用空间12中的热电子，由于作用空间12内存在的强电场的作用而向着叶柱15或阳极筒体13的方向前进，同时由于作用空间12内存在的强磁通密度而受到垂直于前进方向的力，因电子向阳极16方向前进，故使电子进行圆周运动。

此时，电场施加在电子上的力和磁通密度施加在电子上的力都通过作用空间12并保持均衡。

当电子在作用空间12内作圆周运动时，通过与阳极16内的谐振器10的相互作用，在谐振器10内保持RF电磁场。

此时，电子在把电势能转换为动能后，把动能的70％左右转换为RF电磁能，使剩余的30％左右的动能与叶柱15冲撞而转换成热能。

此时，在谐振器10内产生的RF电磁场发射通过天线49而发射到外部。当在灯丝17和叶柱15的两端施加4KV的工作电压Va时，高频振荡装置具有70％以上的高效率。

因此，在微波炉中，降低所述高频振荡装置的工作电压Va的理由是为了通过节省结构和供电电路的成本、降低噪音、降低与低电压相关的各个绝缘电路的成本，以及提高效率而在稳定性和经济上提供各种优点，因此最大限度地降低工作电压Va是重要的。

如上所述，高频振荡装置的工作启动电压Vst、即从所述灯丝17开始发射电子的电压Vst，由下式(1)表示： $\mathrm{Vst}=-\frac{{\mathrm{\ω}}_H\·\mathrm{\ω}\·{r_a}^2\·m}{e\·n}(1-\frac{{r^2}_c}{{r^2}_a})-\frac{{\mathrm{\ω}}^2\·{r^2}_c\·m}{n^2}----\left(1\right)$

其中，ω _H＝(e·B)/m

      ω＝2πf(f为工作频率)

      n(＝N/2)是叶柱个数的半数

r_a是从灯丝的中心到叶柱的距离

r_c为灯丝的半径

e为电子的电荷量(1.62×10^-19库仑)

m为电子的质量

ω_H约为1.3～2ω，以550V工作的高频振荡装置的工作启动电压Vst为12～20V。

如式(1)所示，如果要降低高频振荡装置的工作启动电压Vst，就应增加叶柱15的数量N，或加大从灯丝17的中心到叶柱15的距离r_a。

当增加叶柱15的数量N时，由于制造上的问题和破坏振荡模式的跳模现象，使高频振荡装置振荡时的稳定性变差。为了降低4KV的高频振荡装置的电压，在550V的工作条件下叶柱15的数量N应增加约53倍，因此由增加阳极16的厚度和多个叶柱15导致效率的降低。

当减小从灯丝17的中心到叶柱15的距离时，就使热电子易于从所述灯丝17的表面发出，虽然能降低高频振荡装置的工作电压，却会增加电子到达叶柱15瞬间的漂移速度而增加热损失，同时降低效率。

若对此进行详细描述，下述公式(2)表示随着电子的漂移速度的提高而损失的热能(Wdiss)：

Wdiss＝(1/2)m·V²  …………………(2)

其中，m是电子的质量，V是电子的漂移速度。

下面的式(3)表示电子具有的电势转换为RF电磁能的比例，即电子效率η_e， ${\mathrm{\η}}_e=1-\frac{\mathrm{Wdiss}}{e\·\mathrm{Va}}----\left(3\right)$

其中，e是电子的电荷量，Va是阳极的工作电压。

因此，如式(2)、(3)所示，当减小从灯丝17的中心到叶柱15的距离r_a时，电子的漂移速度增大而增加损失，并降低高频振荡装置的效率。

因此，现有的4KV高频振荡装置，在降低工作电压时，存在效率减小到55％以下的问题。

本发明正是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种高频振荡装置，它形成M-型(磁场作用于与电子的移动方向即电场的作用方向相垂直的方向的坡印廷波(forward wave)型)的叉指(组合成指状)谐振结构，在低工作电压下，也能得到70％以上的高效率。撑杆供电后发热；阳极，在离所述灯丝的预定距离内被隔离配置而形成作用空间来产生微波；天线，导出从所述阳极产生的微波，其特征在于，所述阳极包括：上谐振板，具有朝向下方的叶柱以形成一个谐振器；下谐振板，具有朝向上方的叶柱以形成一个谐振器；中央谐振板，设在所述上谐振板和下谐振板之间以分隔两个谐振器。并且，在所述灯丝和阳极之间设有发射体，所述发射体接收从所述灯丝发射的加热能量而在所述作用空间中发出热电子。

下面是附图的简要说明：

图1是现有高频振荡装置的纵向截面图；

图2是图1的A-A向截面图；

图3是图2的B-B向截面图；

图4是本发明涉及的一实施例的高频振荡装置的纵向截面图；

图5是图4的C-C向截面图；

图6是图4的C-C向的电子群形成图；

图7是本发明涉及的一实施例的阳极的分解透视图；

图8是本发明中所使用的天线和谐振器的耦合图；

图9是来自阴极的指状延迟系统的组合图；

图10是本发明涉及的一实施例的高频振荡装置的供电电路图。

下面参照附图对本发明的一个实施例进行详细说明。

对于与现有构成相同的部分，省略重复说明。

如图4所示，阴极102和阳极104设置在位于中心的作用空间100的两侧，所述阳极104为谐振器106的基体，所述谐振器106具有与在所述作用空间100内运动的电子相互作用而形成的RF电磁场，两个谐振器106形成在上下部，具有多个叶柱108而形成一个所述谐振器。

阴极102包括：螺旋状或板状的灯丝114，由施加于所述灯丝114供电端的第一、第二外接端子110、112的外部电源而发热；圆筒状的发射体116，与所述灯丝114一体构成，传导由所述灯丝114的加热能量并在所述作用空间100内发出热电子；阴极支撑杆118，向所述灯丝114供电，并支撑与所述灯丝一体的发射体116。

所述阴极102的制造工序是，先对锶和钡的氧化物(BaOY₂O₃S₂O)进行加热并溶解，制成粉状，装入乙酸盐中，通过组织粘结来进行粘贴而制成行加热并溶解，制成粉状，装入乙酸盐中，通过组织粘结来进行粘贴而制成盖子，并将所述阴极102上的喷射体盖住，然后，为了使二次电子发射增大，不升温地在含有0.25％钨的冷氧化钍(ThO₂)中，通过热电子发射而产生电子，并使所产生的电子返回来而激发产生其他电子，由此可利用所产生的二次电子。

在所述阳极104的上下部上焊接着形成磁路的磁性体的漏斗状上、下极片120、122，所述磁路是用于在由所述发射体116和叶柱15形成的作用空间100内形成相同的磁通。在所述上、下极片120、122的上下部分别气密性地焊接着上、下屏蔽罩124、126，为了将所述阳极104内部密封为真空，在所述上、下屏蔽罩124、126的上下部气密性地焊接着天线陶瓷128和绝缘陶瓷130。

在构成高频振荡装置输出部的所述屏蔽罩124的上部开口端子上，接合着使下述的天线被绝缘的圆筒状天线陶瓷128，在所述天线陶瓷128的顶端接合着铜制排气管132。

图中，在所述排气管132的内侧中央附近，从所述叶柱15导出的天线134穿过所述上极片120的通孔延伸到轴上，以输出在谐振腔内振荡的微波，所述天线134的端部被固定在所述排气管132内，所述天线134的另一端同中心谐振板136连接，在所述天线134朝排气管132方向的通路中，在所述上谐振板138上设有天线罩140，以使所述天线134同外部相连。

在配置于所述下极片122下方的所述灯丝114和阴极支撑杆118之间，接合着使所述灯丝114与阴极支撑杆118绝缘的圆筒状第一绝缘环142，在所述第一绝缘环142的下部接合着使所述阴极支撑杆118与第一外接端子110绝缘的第二绝缘环144，以使所述阴极支撑杆118仅同第二外接端子112相连。

如图7、8所示，为了构成两个谐振器106，在圆筒状阳极104的上部具有向下的多个(12个)叶柱148，并配置着一个形成谐振器106的上谐振板138；在所述阳极104的下部具有向上的12个叶柱150，并配置着一个形成谐振器106的下谐振板146；所述下谐振板146具有上谐振板138向上翻的形状，所述上谐振板138的叶柱148和下谐振板146的叶柱150设在相同位置上。

在各所述个上、下谐振板138、146之间配置着分隔两个谐振器106的中央谐振板136，所述中央谐振板136具有向上的叶柱108和向下的叶柱108。

朝向所述中央谐振板136的上方、下方的叶柱108具有图9所示的形状：在同一位置按相反方向使所述上谐振板138的叶柱148或下谐振板146的叶柱150相互交叉但不发生冲突，以叉指形状相互配合，但不相连。

图10是低电压高频振荡装置的供电电路，包括：对由交流电源端子99所供给的正(+)的交流电压进行整流的二极管D1和电容器C1；对由所述交流电源端子99所供给的负(-)的交流电压进行整流的二极管D2和电容器C2；对电路内部阻抗进行匹配并保护高频振荡装置101的保护用线圈L1。

下面对具有上述结构的高频振荡装置的作用及效果进行描述。

在本发明中，以谐振器的结构构成坡印廷波形的M型(磁场作用于与电子的移动方向即电场的作用方向相垂直的方向的类型)高频振荡装置，并具有叉指延迟系统。

本发明涉及的产生600～900W的2450MHz频带微波的高频振荡装置中，叶柱108、148、150的数量为24～30个，叶柱108、148、150的长度约为20mm，阳极104的半径约为4.5mm。

用于获得作用空间100内电子偏转的磁场值为1200～1300高斯，叶柱间的周期为约1mm。

在低压高频振荡装置中，不能使用在现有微波炉中使用的4KV用氧化钍-钨混合烧结体的阴极。

这是因为：虽然低电压下的阳极电流相对增加，但在低电压高频振荡装置的情况下，由于需要3～4A(安培)电流，就会使阴极表面的截面积增加3cm²，则提供给灯丝114的功率应为200W左右。

因此，在本发明中，由于通过放出热电子而产生电子，所产生的电子返回而激发产生其它电子，从而能够利用所产生的二次电子，因此，使用冷氧化钍的阴极102。

另一方面，决定高频振荡装置输出的功率P由下式(4)表示：

P＝ωW/Q    …………………………(4)

其中，ω＝2πf(f是工作频率)，W是储能，Q是用储能除耗能的

品质函数。

并且，储能为

W＝V²·C·N  ………………(5)

其中，N是叶柱个数，C是电容量，V是无线电频率电压。

若把上式(5)代入式(4)，高频振荡装置的输出函数P可由下式(6)表示： $P=\mathrm{\ω}\frac{V^2\·C\·N}{Q}----\left(6\right)$

可以从上式(6)来设定为了降低电压的关联函数垂直，而在550V的低电压高频振荡装置中，叶柱108、148、150的个数为24个(与现有的4KV相比，增加2.4倍)，品质因数是30(与现有的4KV相比，减少6.7倍)，就能得到电容值增大一倍而输出适合于现有高频振荡装置的振荡管。

对于具有适当电容值的结构，如图4～9所示，在具有叉指的构造中考虑使用管形谐振结构。

叉指的谐振结构可以在狭窄的空间内获得适当的电容值，通过使谐振器106的个数为一个或二个以上，就能在低工作电压下提高高频振荡装置的输出。

若具体对其进行描述，首先，当低电压通过第一、二外接端子110、112施加到阳极104和阴极102上时，工作电流被提供给灯丝114而使之发热。

当所述灯丝114被加热时，在外侧围绕灯丝114的、一体的发射体116就传导被加热的灯丝114的能量，而开始向作用空间100内放出电子。

此时，通过施加在阴极102和阳极104上的驱动电压，而在发射体116的外表面与叶柱108、148、150之间的作用空间100内形成强电场，所述强电场从叶柱114出发而到达发射体116。

由未图示的磁体所产生的磁通在由上、下极片120、122和作用空间组成的磁场闭合回路内分开，在作用空间100内形成高磁通密度。

由此，从发射体116的表面发射到作用空间100内的热电子随存在于阴极102和阳极104之间的强电场分布而产生电子群，生成的所述电子群由于存在于作用空间100内的强磁场而在与其前进方向垂直的方向上受到作用力，从而在作用空间100内开始旋转运动。

当一边进行旋转运动一边前进的电子群到达中央谐振板136时，中央谐振板136变为正(+)电位，而把电流传送给存在于横向的上谐振板138的叶柱148，传送的通路通过阳极104的内壁的谐振器106而垂直向上，形成如图6所示的旋转电子群@。

图6为了清楚地图示电子群@的形成过程而拓宽了阴极102和叶柱108、148间的作用空间100。

因此，通过叶柱108和148之间的电子作用，在谐振器106中产生2450MHz频带的微波，存储在所述谐振器106内的微波能量穿过谐振器106的外壁，以周期性的能量变换进行工作。

中央谐振板136集中了存在于上部的谐振器106和存在于下部的谐振器106共同的能量，在中央谐振板136上联结天线134并把微波通过天线134输出到外部。

在天线134联结于中央谐振板136的情况下，在朝向排气管132方向的通路中配置了上谐振板138，在所述上谐振板138上形成天线罩具140，能容易地使所述天线134连接到外部。

另一方面，如图6所示，由于在所述阴极102上，通过热电子，在作用空间100内所形成的电子群有效地与谐振系统发生作用，因此就能在阴极102上得到电子群@和微波电场的同步(谐振)条件。

在图6中，同步条件如下式(7)所示，电子群@在一次振荡周期内必须通过两个谐振器106(叶柱与叶柱之间)。

其代数式为：

V＝2d/T，  由于T＝1/f，则

V＝2df…………………………(7)

其中，V是在谐振器上进行运动的电子群的速度，

d是谐振器的周期，

T是振荡周期，

f是振荡频率。

另一方面，由于电子群@的速度V是：V＝(2eVc/m)^1/2，则把其代入式(7)，同步电压Vc为：Vc＝2d²f²m/e。

因此，最大电子效率如下式(8)所示： ${\mathrm{\η}}_{e\max }=1-\frac{\mathrm{Vc}}{\mathrm{Va}}----\left(8\right)$

其中，由于Va是高频振荡装置的阳极电压，为了得到适当的电子效率，应满足下述条件：

(Vc/Va)≌10

由此，就能在低电压的情况下设定高频振荡装置的同步电压值，并能知道在550V的低电压高频振荡装置中，同步电压是否应为约50V。此时的谐振器106的周期约为0.7～0.8mm。

对于用现有方法来实现高频振荡装置，由于难以选定模式，故不可能实现，为了解决该问题，而应具有单一共同谐振器106的谐振系统，在这样的结构中，应具有图9所示的延迟系统。

在图9所述的放射状谐振器106具有最初的振荡模式，且没有接线成分的电场变化，在与延迟系统相邻的叶柱108、148的相位相反的情况下，进行双模振荡。

在磁场是接线成分的情况下，谐振器106的电场是正确的轴向，天线134和谐振器106的耦合如图8所示地通过磁环路来建立。

如上所述，根据本发明的高频振荡装置，坡印廷波形(磁场作用于与电子的移动方向即电场的作用方向相垂直的方向)的M-型叉指谐振结构，而具有在低工作电压下可得到70％以上高效率的优良效果。

Claims (12)

1.一种高频振荡装置，包括：灯丝，穿过阴极支撑杆供电后发热；阳极，在离所述灯丝的预定距离内被隔离配置而形成作用空间来产生微波；天线，导出从所述阳极产生的微波，其特征在于，所述阳极包括：上谐振板，具有朝向下方的叶柱以形成一个谐振器；下谐振板，具有朝向上方的叶柱以形成一个谐振器；中央谐振板，设在所述上谐振板和下谐振板之间以分隔两个谐振器。并且，在所述灯丝和阳极之间设有发射体，所述发射体接收从所述灯丝发射的加热能量而在所述作用空间中发出热电子。

2.如权利要求1所述的高频振荡装置，其特征在于，所述发射体由利用二次电子的冷氧化钍形成，通过发出热电子来产生电子以便于由低电压所驱动，所产生的电子返回后激发起其它电子而产生所述二次电子。

3.如权利要求1所述的高频振荡装置，其特征在于，所述阳极为由多个叶柱形成一个谐振器的叉指谐振结构。

4.如权利要求1所述的高频振荡装置，其特征在于，所述阳极的半径为4.0mm～5.0mm，能被低电压驱动。

5.如权利要求1所述的高频振荡装置，其特征在于，在所述上谐振板上形成天线罩以便于把天线连接到外部。

6.如权利要求1所述的高频振荡装置，其特征在于，所述下谐振板，以所述上谐振板向上翻的形状、在与所述上谐振板的叶柱相同的位置上配置着叶柱。

7.如权利要求1所述的高频振荡装置，其特征在于，所述中央谐振板具有朝上方的叶柱，所述叶柱在相同位置上，与所述上谐振板的叶柱以叉指形状反向交叉相互啮合。

8.如权利要求1所述的高频振荡装置，其特征在于，所述中央谐振板具有朝下方的叶柱，所述叶柱在相同的位置上，与所述下谐振板的叶柱以叉指形状反向交叉相互啮合。

9.如权利要求1所述的高频振荡装置，其特征在于，在所述中央谐振板上联结着将微波能量输出到外部的天线。

10.如权利要求3所述的高频振荡装置，其特征在于，所述叶柱个数为24～30个，以便于被低压驱动。

11.如权利要求3所述的高频振荡装置，其特征在于，所述叶柱高度为20±3mm，叶柱间的周期具有0.6mm至1.0mm的间隔。

12.如权利要求10所述的高频振荡装置，其特征在于，所述叶柱个数由与指状叉指谐振结构相关的品质函数和所述叉指间隔内的电容量所决定。

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