DE102014111121A1

DE102014111121A1 - A high frequency electromagnetic generating system and method for controlling a high frequency generating system

Info

Publication number: DE102014111121A1
Application number: DE102014111121.4A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Arnold
Original assignee: Ampas GmbH
Current assignee: Ampas GmbH
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2016-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Hochfrequenz-Erzeugungssystem (10), insbesondere ein Röhrensystem wie Magnetronsystem (12) oder Klystronsystem zur Erzeugung einer elektromagnetischen Hochfrequenzwelle (76), das eine Kathoden-Anodenanordnung (14) mit einer Kathoden-Heizvorrichtung (20) zur Aufheizung einer Kathode (16), eine Elektrodenversorgungsvorrichtung (22) zur Spannungsversorgung zwischen der Kathode (16) und einer Anode (18) und einen Ausgangsport (24) zur Auskopplung einer erzeugten Hochfrequenzwelle (76) umfasst. Es wird vorgeschlagen, dass eine Regelvorrichtung (26) zur Regelung des HF-Erzeugungssystems (10) umfasst ist, die eingerichtet ist, einen Stellparameter (78) der Kathoden-Heizvorrichtung (20) ST und/oder der Elektrodenversorgungsvorrichtung (22) SU auszugeben, wobei der Stellparameter (78) auf Basis einer HF-Signalinformation einer aus dem Ausgangsport (24) ausgekoppelten Hochfrequenzwelle (76) bestimmt wird. In einem nebengeordneten Aspekt wird ein Regelverfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Erzeugungssystems (10) vorgeschlagen.The invention relates to a high-frequency electromagnetic generating system (10), in particular a tube system such as magnetron system (12) or klystron system for generating a high-frequency electromagnetic wave (76) comprising a cathode-anode assembly (14) with a cathode heater (20) for heating a Cathode (16), an electrode supply device (22) for supplying power between the cathode (16) and an anode (18) and an output port (24) for coupling out a generated high frequency wave (76). It is proposed that a regulating device (26) is included for controlling the HF generating system (10) which is set up to output a setting parameter (78) of the cathode heating device (20) ST and / or the electrode supply device (22) SU, wherein the adjusting parameter (78) is determined on the basis of an RF signal information of a high frequency wave (76) coupled out of the output port (24). In a sidelined aspect, a control method for operating a high-frequency generation system (10) according to the invention is proposed.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Hochfrequenz-Erzeugungssystem, insbesondere ein Hochfrequenz-Röhrensystem wie Magnetron- oder Klystronsystem zur Erzeugung einer elektromagnetischen Hochfrequenzwelle. Das HF-Erzeugungssystem umfasst eine Kathodenanordnung mit einer Kathoden-Heizvorrichtung zur Aufheizung einer Kathode, eine Elektrodenversorgungsvorrichtung zur Spannungsversorgung zwischen der Kathode und einer Anode und einem Ausgangsport zum Auskoppeln einer elektromagnetischen Hochfrequenzwelle. Ein Regelverfahren dient zur Regelung der Leistung und des Frequenzverlaufs der erzeugten HF-Welle des Hochfrequenz-Erzeugungssystems. The invention relates to an electromagnetic high-frequency generating system, in particular a high-frequency tube system such as magnetron or klystron system for generating a high-frequency electromagnetic wave. The RF generating system includes a cathode assembly having a cathode heater for heating a cathode, an electrode supply for supplying power between the cathode and an anode, and an output port for coupling a high frequency electromagnetic wave. A control method is used to control the power and frequency response of the generated RF wave of the radio frequency generation system.

STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Hochfrequenz-Erzeugungssystemen bekannt, die im Wesentlichen zur Erzeugung einer elektromagnetischen Hochfrequenzwelle dienen. In der Regel umfassen diese eine Elektrodenanordnung mit einer Kathode und einer Anode, sowie eine Kathoden-Heizvorrichtung zur Aufheizung der Kathode für eine Glühemission von Elektronen. Eine Elektrodenversorgungsvorrichtung gewährleistet ein Spannungspotential zwischen der Kathode und der Anode, um die von der Kathode austretenden Elektronen in Richtung Anode zu beschleunigen. Die Elektronen erzeugen einen Strom, der eine elektromagnetische Welle anregt, die in einer Resonatorkavität charakteristische Eigenfrequenzen und Oberschwingungen ausprägt. In der Regel erfolgt die HF-Anregung in einem vakuumierten Bereich einer Röhre. Durch einen Ausgangsport erfolgt eine Auskopplung einer erzeugten Hochfrequenzwelle. The prior art discloses a multiplicity of high-frequency generation systems which essentially serve to generate a high-frequency electromagnetic wave. In general, these include an electrode assembly having a cathode and an anode, and a cathode heater for heating the cathode for a Glühemission of electrons. An electrode supply device provides a voltage potential between the cathode and the anode to accelerate the electrons leaving the cathode toward the anode. The electrons generate a current that excites an electromagnetic wave that expresses characteristic natural frequencies and harmonics in a resonator cavity. As a rule, the RF excitation takes place in a vacuumized region of a tube. An output port is used to decouple a generated high-frequency wave.

Derartige Hochfrequenz-Erzeugungssysteme sind beispielsweise als Magnetron- oder Klystronsysteme ausgelegt. Ein Klystron ist eine Elektronenröhre, die in ihrem Anfangsbereich eine oben beschriebene Kathoden-Anodenanordnung aufweist, bei der üblicherweise die Kathode aufgeheizt wird, und sich durch die Hitzeentwicklung Elektronen in einer Glühemission oder aufgrund eines hohen elektrischen Beschleunigungsfeldes lösen. Die Elektronen werden in der Regel linear hin zu einer Anode aufgrund der Elektrodenspannung beschleunigt. Üblicherweise umfasst die Anode eine Blendenanordnung, durch die die beschleunigten Elektronen durchtreten, um in eine erste Modulationskavität einzutreten. Dort wechselwirkt der Elektronenstrom mit einer eingekoppelten elektromagnetischen Resonanzwelle, in der sogenannten Buncher-Cavity, und wird zu Elektronenpaketen verdichtet. Diese gelangen über eine Driftstrecke in eine Catcher-Cavity, wo sie eine elektromagnetische Resonanzwelle anregen, die ein vergleichbares Frequenz wie die anregende Welle aufweist, allerdings durch die Energie des Elektronenbunches entsprechend verstärkt ist. In der Buncher-Cavity werden die Elektronen aufgrund der eingekoppelten geringen Mikrowellenleistung modelliert und geben eine vielfach verstärkte Hochfrequenzleistung in der Catcher-Cavity ab. Zur Regelung der Ausgangsleistung und des Frequenzverlaufs eines Klystrons ist sowohl die Elektrodenspannung zwischen Kathode und Anode, als auch ein Fokussierungsmagnetfeld und darüber hinaus die Temperatur der geheizten Kathode entscheidend. Such high-frequency generation systems are designed, for example, as magnetron or klystron systems. A klystron is an electron tube having in its initial region a cathode-anode arrangement described above, in which the cathode is usually heated, and the electrons dissolve in an annealing emission or due to a high electric field of acceleration due to the development of heat. The electrons are typically accelerated linearly toward an anode due to the electrode voltage. Typically, the anode includes an aperture assembly through which the accelerated electrons pass to enter a first modulation cavity. There, the electron current interacts with a coupled electromagnetic resonance wave, in the so-called Buncher cavity, and is compacted into electron packets. These pass through a drift path into a catcher cavity, where they excite an electromagnetic resonance wave, which has a comparable frequency as the exciting wave, but is amplified accordingly by the energy of the electron bunk. In the Buncher cavity, the electrons are modeled due to the coupled low microwave power and emit a multiple amplified high frequency power in the catcher cavity. To regulate the output power and the frequency response of a klystron, both the electrode voltage between cathode and anode, as well as a focusing magnetic field and beyond the temperature of the heated cathode is crucial.

Auf der anderen Seite sind Magnetrons als Vakuumlaufzeitröhrensysteme bekannt, die im Mikrowellenbereich zwischen 0,3 GHz bis 300 GHz mit einem hohen Wirkungsgrad eine effiziente und preiswerte Hochfrequenzquelle darstellen. Im Wesentlichen umfasst ein Magnetron eine elektrisch beheizte Glühkathode im Zentrum einer Vakuumröhre, die von einem Heizdraht beheizt wird. Üblicherweise ist konzentrisch um die Kathode ein ringförmiger Anodenblock angeordnet, zudem hin Elektronen, die aus der geheizten Kathode austreten, in radialer Richtung beschleunigt werden. Auf Basis eines axialen Magnetfelds Stabilisierungsmagnetfelds werden die austretenden Elektronen in eine kreisförmige oder elliptische Bahn im Zwischenbereich zwischen Kathode und Anode geführt und regen im Lauf ihrer Flugbahn eine Hochfrequenzwelle an, deren Leistung und Frequenzverlauf zum einen von der Geometrie der Elektrodenanordnung als Kavitätenstruktur ist, zum anderen durch die Temperatur der Kathode, die Elektrodenspannung und die Stärke des Magnetfelds regulieren in gewissen Bereichen bestimmt ist. On the other hand, magnetrons are known as vacuum tube systems which, in the microwave range between 0.3GHz to 300GHz, with high efficiency, are an efficient and inexpensive high frequency source. In essence, a magnetron comprises an electrically heated hot cathode in the center of a vacuum tube which is heated by a heating wire. Usually, an annular anode block is arranged concentrically around the cathode, in addition electrons which emerge from the heated cathode are accelerated in the radial direction. On the basis of an axial magnetic field stabilization magnetic field, the exiting electrons are guided in a circular or elliptical path in the intermediate region between the cathode and anode and rain in the course of their trajectory to a high frequency wave whose performance and frequency response is on the one hand by the geometry of the electrode assembly as Kavitätenstruktur, on the other is determined by the temperature of the cathode, the electrode voltage and the strength of the magnetic field in certain ranges.

Aus dem Stand der Technik ist eine Anzahl von Verfahren bekannt, um die Hochfrequenzerzeugung eines HF-Erzeugungssystems zu beeinflussen. So ist zur Steuerung eines elektromagnetischen Hochfrequenz-Erzeugungssystems, insbesondere eines Magnetronsystems, aus der US 4 125 751 ein Hochfrequenz-Erzeugungssystem bekannt, bei dem eine Kathoden-Heizvorrichtung auf ca. 1.500 °C erhitzt wird, und ein Licht im Bereich eines roten Frequenzspektrums aussendet. Mithilfe eines fotoleitenden Elements wird das ausgestrahlte Licht des Magnetrons aufgenommen und zur Regelung einer Spannungsversorgung zwischen Kathode und Anode verwendet. Hierdurch wird auf Basis eines optischen Regelkreises eine Regelung der Hochfrequenzquelle vorgenommen. A number of methods are known in the art for influencing high frequency generation of an RF generation system. Thus, for controlling a high-frequency electromagnetic generating system, in particular a magnetron system, from the US 4,125,751 a high-frequency generating system is known in which a cathode heater is heated to about 1500 ° C, and emits a light in the range of a red frequency spectrum. By means of a photoconductive element, the radiated light of the magnetron is recorded and used to control a voltage supply between the cathode and anode. As a result, a control of the high-frequency source is made on the basis of an optical control loop.

Zur effizienten und verbesserten Regelung eines Hochfrequenz-Erzeugungssystems ist das vorgenannte Regelungsverfahren ungenau, wobei gewünschte Spektralverläufe der Hochfrequenzwelle und Energiedichten nur unzureichend eingestellt werden können. So ist es nicht möglich, eine HF-Ausgangswelle mit einem gewünschten Frequenzverlaufs und Leistungsverlauf unmittelbar einzustellen. For efficient and improved control of a high-frequency generation system, the aforementioned control method is inaccurate, whereby desired spectral characteristics of the high-frequency wave and energy densities can be set only insufficient. Thus, it is not possible to directly set an RF output wave with a desired frequency response and power curve.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hochfrequenz-Erzeugungssystem und ein Regelverfahren vorzuschlagen, bei der eine sehr präzise Einstellung der emittierten Hochfrequenzenergie sowie eine hohe Lebensdauer des Erzeugungssystems erreicht werden kann. The object of the present invention is to propose a high-frequency generation system and a control method, in which a very precise adjustment of the emitted high-frequency energy and a long service life of the generation system can be achieved.

Diese Aufgabe wird durch ein Hochfrequenz-Erzeugungssystem und ein Regelverfahren nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. This object is achieved by a high-frequency generation system and a control method according to the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG DISCLOSURE OF THE INVENTION

Erfindungsgemäß wird ein Hochfrequenz-Erzeugungssystem, insbesondere ein Vakuum-Röhrensystem wie Magnetron- oder Klystronsystem zur Erzeugung einer elektromagnetischen Hochfrequenzwelle vorgeschlagen, das eine Elektrodenanordnung mit einer Kathode und einer Anode und einer Kathoden-Heizvorrichtung zur Aufheizung der Kathode, eine Elektrodenversorgungsvorrichtung zur Spannungsversorgung zwischen Kathode und einer Anode und einen Ausgangsport zum Auskoppeln einer erzeugten Hochfrequenzwelle umfasst. Mittels der Kathoden-Heizvorrichtung können die Anzahl der von der Kathode emittierten Elektronen durch Einstellung einer Temperatur gesteuert werden. Die Elektrodenversorgungsvorrichtung dient zur Einstellung einer Beschleunigungsspannung zwischen Kathode und Anode und bestimmt somit die Beschleunigungsgeschwindigkeit der Elektronen von der austretenden Kathode zur auffangenden Anode. Der Ausgangsport dient zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Energie aus dem Hochfrequenz-Erzeugungssystem. According to the invention, a high-frequency generation system, in particular a vacuum tube system such as magnetron or klystron system for generating a high-frequency electromagnetic wave is proposed, comprising an electrode assembly having a cathode and an anode and a cathode heater for heating the cathode, an electrode supply device for power supply between the cathode and an anode and an output port for coupling out a generated high frequency wave. By means of the cathode heater, the number of electrons emitted from the cathode can be controlled by adjusting a temperature. The electrode supply device serves to set an acceleration voltage between the cathode and the anode and thus determines the acceleration rate of the electrons from the exiting cathode to the collecting anode. The output port is used to decouple the generated electromagnetic energy from the high frequency generating system.

Es wird vorgeschlagen, dass eine Regelungsvorrichtung zur Regelung des HF-Erzeugungssystems vorgesehen ist, die eingerichtet ist, einen Stellparameter der Kathoden-Heizvorrichtung S_T und/oder der Elektrodenversorgungsvorrichtung S_Uauszugeben, wobei der Stellparameter auf Basis einer HF-Signalinformation einer aus dem Ausgangsport ausgekoppelten Hochfrequenzwelle bestimmt wird. It is proposed that a control device is provided for controlling the HF generating system, which is set up to output a setting parameter of the cathode heating device S _T and / or of the electrode supply device S _U , wherein the setting parameter based on RF signal information is output from the output port decoupled high frequency wave is determined.

Mit anderen Worten wird ein HF-Erzeugungssystem vorgeschlagen, bei der eine Regelvorrichtung eine Überwachung einer HF-Signalinformation vornimmt, um auf Basis einer Signalinformation des ausgekoppelten elektromagnetischen Frequenzverlaufs Einstellparameter der Kathoden-Heizvorrichtung S_T, insbesondere Heizungsstrom und/oder Heizungsspannung und/oder Einstellparameter der Elektrodenversorgungsvorrichtung S_U, insbesondere die Elektrodenspannung zwischen Glühkathode und -anode zu regeln. Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten optischen Überwachungssystem oder einem System, das Heizstrom oder Elekrodenspannung auf empirischer Basis vorgibt, kann eine HF-Signalinformation an einer beliebigen Stelle innerhalb des elektromagnetischen Wellenleitersystems, insbesondere am Ausgangsport oder auch in einem weiterführenden Wellenleiter aus der HF-Ausgangswelle extrahiert werden. Auf Basis des Frequenzverlaufs und/oder der Energiemenge der elektromagnetischen Energie kann eine Regelung, insbesondere der Kathodenheiztemperatur und/oder der Elektrodenspannung vorgenommen werden, mit dem Ziel, einen gewünschten Frequenzverlauf oder eine gewünschte Leistungsausbeute des Erzeugungssystems bereitzustellen. Hierdurch kann ein gezielter Eingriff im Betriebsparameter des HF-Erzeugungssystems hinsichtlich einer gewünschten Form der ausgekoppelten HF-Leistung vorgenommen werden, wodurch selbst bei alterungsbedingten Veränderungen der Komponenten oder Fertigungstoleranzen eine gleichbleibende HF-Ausgangsleistung erreicht werden kann. Im Gegensatz zu einer Heizstromüberwachung oder Fotodetektion einer Glühelektrode oder des Elektrodenstroms wird die gewünschte Ausgangsgröße als Regelgröße überwacht, um diese einer gewünschten Form ausregeln zu können. Hierdurch kann ein in einem bereits bestehenden Erzeugungssystem leicht integrierbares Regelsystem geschaffen werden, um Lebensdauer, Qualität der HF-Leistung und Effizienz des Erzeugungssystems zu steigern. In other words, an RF generating system is proposed in which a control device undertakes a monitoring of an RF signal information in order to set parameters of the cathode heating device S _T , in particular heating current and / or heating voltage and / or setting parameters, based on signal information of the decoupled electromagnetic frequency profile Electrode supply device S _U , in particular to regulate the electrode voltage between the hot cathode and anode. In contrast to the known from the prior art optical monitoring system or a system that specifies heating current or electrode voltage on an empirical basis, an RF signal information at any point within the electromagnetic waveguide system, in particular at the output port or in a secondary waveguide from the HF output shaft are extracted. On the basis of the frequency profile and / or the amount of energy of the electromagnetic energy, a regulation, in particular the cathode heating temperature and / or the electrode voltage can be made, with the aim of providing a desired frequency response or a desired power output of the generating system. In this way, a targeted intervention in the operating parameters of the RF generating system with respect to a desired form of decoupled RF power can be made, whereby a constant RF output power can be achieved even with age-related changes in the components or manufacturing tolerances. In contrast to a heating current monitoring or photodetection of an annealing electrode or the electrode current, the desired output variable is monitored as a control variable in order to be able to regulate this to a desired shape. As a result, a control system which can be easily integrated in an already existing generation system can be created in order to increase the service life, quality of the RF power and efficiency of the generation system.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines Stabilisierungsmagnetfelds umfasst sein, wobei die Regelvorrichtung eingerichtet ist, alternativ oder zusätzlich zumindest einen Stellparameter der Magnetfelderzeugungsvorrichtung S_M auszugeben. Insbesondere ein Magnetronsystem umfasst in der Regel eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines axialen Magnetfelds, das orthogonal zu einer Verbindungsrichtung zwischen Kathoden- und Anodenoberfläche steht und das austretende Elektronen, die von der Glühkathode in Richtung Anode fliegen, auf eine Krümmungsbahn zwingt. Aufgrund der gekrümmten Bahn regt der Elektrodenstrom ein elektromagnetisches Feld an, das durch die spezielle Geometrieform zwischen Kathode und Anode Eigenresonanzen in der Erzeugungskavität anregt, um einen gewünschten Frequenzverlauf zu erzeugen. Die Regelvorrichtung, die eine HF-Signalinformation als Basis zur Regelung verwendet, kann ausschließlich oder zusätzlich zu dem Stellparameter S_T der Kathoden-Heizvorrichtung, und/oder dem Stellparameter S_U der Elektrodenversorgungsvorrichtung eine Größe zur Bestimmung des Anregungsstroms der Magnetfelderzeugungsvorrichtung S_M ausgeben, um die Größe des Fokussierungsmagnetfelds regeln zu können. So kann eine mehrdimensionale Regelung erfolgen, die sowohl Temperatur der Glühkathode, Beschleunigungsspannung zwischen Kathode und Anode und Stärke des Fokussierungsmagnetfelds steuern kann, um in weiten Bereichen die Frequenz und die Energiedichte der erzeugten HF-Welle einzustellen. In an advantageous development, a magnetic field generating device for generating a stabilizing magnetic field may be included, wherein the regulating device is set up to output alternatively or additionally at least one adjusting parameter of the magnetic field generating device S _M. In particular, a magnetron system usually comprises a magnetic field generating device for generating an axial magnetic field, which is orthogonal to a connecting direction between the cathode and anode surface and forces the exiting electrons, which fly from the hot cathode toward the anode, on a curvature path. Due to the curved path, the electrode current excites an electromagnetic field which, due to the special geometry between the cathode and the anode, excites natural resonances in the generation cavity in order to produce a desired frequency profile. The control device, which uses RF signal information as the basis for regulation, may output a quantity for determining the excitation current of the magnetic field generating device S _M , exclusively or in addition to the adjustment parameter S _{T of} the cathode heater, and / or the adjustment parameter S _{U of} the electrode supply device to be able to control the size of the focusing magnetic field. Thus, a multi-dimensional control can take place, both the temperature of the hot cathode, acceleration voltage between the cathode and anode and strength of the focusing magnetic field can be controlled to adjust the frequency and the energy density of the generated RF wave within wide ranges.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann am Ausgangsport eine HF-Weicheneinrichtung, bevorzugt ein Richtkoppler oder ein Zirkulator, angeordnet sein, der eingerichtet ist, ein Regelgrößensignal aus der Hochfrequenzwelle abzuzweigen und dieses der Regelvorrichtung zuzuführen, wobei bevorzugt das Regelgrößensignal durch eine Filtereinrichtung leistungs- und/oder frequenzbegrenzt wird. Grundsätzlich kann die Regelvorrichtung im HF-Ausgangsport oder in einem anschließenden Wellenleiter angeordnet sein und somit die gesamte HF-Welle empfangen und analysieren. Mittels einer HF-Weicheneinrichtung kann ein Teil der Energie aus der Hochfrequenzwelle abgezweigt und der Regelvorrichtung zugeführt werden, wobei sich hierfür ein Richtkoppler oder ein Zirkulator anbietet, da diese als passive Bauteile günstig sind, sowie geringe Verluste aufweisen und einen geringen hardwaretechnischen Aufwand erfordert. Ein Richtkoppler sowie ein Zirkulator können in einem Wellenleiter geführte elektromagnetische Wellen richtungsabhängig abzweigen. Der abgezweigte Teil der HF-Welle kann zur Extraktion des Regelgrößensignals herangezogen werden und kann zur Anpassung an verschiedene Amplituden und Frequenzbereiche durch eine Filtereinrichtung leistungs- oder frequenzbegrenzt werden, um eine Analyse eines Teilabschnitts des Frequenzverlaufs vornehmen zu können. Der energetisch größere Teil der HF-Welle kann für andere Zwecke, in diesem Fall der Verwertung der HF-Energie insbesondere zur Wärmeerzeugung in einem zu erwärmenden Prozessgegenstand weiterverwendet werden. In an advantageous development, an HF switch device, preferably a directional coupler or a circulator, may be arranged at the output port, which is set up to divert a control variable signal from the high-frequency wave and to supply it to the control device, the variable-action signal preferably being output by a filter device frequency limited. In principle, the control device can be arranged in the HF output port or in a subsequent waveguide and thus receive and analyze the entire RF wave. By means of an HF switch device, a part of the energy can be diverted from the high frequency wave and fed to the control device, which is a directional coupler or a circulator offers, as these are low-priced passive components, and have low losses and low hardware complexity required. A directional coupler and a circulator can branch in a waveguide guided electromagnetic waves direction dependent. The branched-off part of the RF wave can be used for the extraction of the controlled variable signal and can be limited in power or frequency for adaptation to different amplitudes and frequency ranges by a filter device in order to carry out an analysis of a subsection of the frequency response. The energetically larger part of the RF wave can be used for other purposes, in this case the utilization of RF energy, in particular for heat generation in a process object to be heated.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Regelvorrichtung eine Spektrumsanalyseeinrichtung zur Analyse eines Frequenzverlaufs der ausgekoppelten Hochfrequenzwelle eines Regelgrößensignals und eine Regeleinrichtung zur Ausgabe des Stellparameters umfassen, die auf Basis des Frequenzverlaufs des Regelgrößensignals eine Regelabweichung und hieraus einen Stellparameter bestimmt, so dass der Frequenzverlauf der Hochfrequenzwelle einem vorgebbaren Sollwertverlauf entspricht. Zur Extraktion des Regelgrößensignals aus der Hochfrequenzwelle kann eine Spektrumsanalyseeinrichtung, insbesondere eine digitale Spektrumsanalyseeinrichtung, eingesetzt werden, die mittels einer numerischen Auswertung des Frequenz- und Phasengangs sowie der Amplitude den Frequenzverlaufs darstellen und analysieren kann. Es ist denkbar, dass einzelne Frequenzwerte analysiert werden, jedoch kann durch eine breitbandige Spektrumsanalyseeinrichtung die Gesamtform des HF-Frequenzverlaufs zumindest in einem interessanten Frequenzbereich analysiert und eine breitbandige Optimierung der HF-Ausgangsleistung vorgenommen werden. In a further advantageous embodiment, the control device may comprise a spectrum analysis device for analyzing a frequency response of the decoupled high frequency wave of a control variable signal and a control device for outputting the control parameter, which determines a control deviation and therefrom a control parameter based on the frequency response of the controlled variable signal, so that the frequency response of the high frequency wave one Predefinable setpoint curve corresponds. To extract the controlled variable signal from the high frequency wave, a spectrum analyzer, in particular a digital spectrum analyzer, can be used, which can display and analyze the frequency response by means of a numerical evaluation of the frequency and phase response as well as the amplitude. It is conceivable that individual frequency values are analyzed, but a broadband spectrum analyzer can be used to analyze the overall shape of the RF frequency response, at least in an interesting frequency range, and to carry out a broadband optimization of the RF output power.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Spektrumsanalyseeinrichtung ein digitaler Spektrum-Analyzer sein, der eingerichtet ist, eine numerische Nachbildung des Frequenzverlaufs der Hochfrequenzwelle bereitzustellen, insbesondere bevorzugt auf Basis einer linearen Regression einer Gaußkurve mit Korrelationskoeffizienten oder auf Basis einer Methode der kleinsten Fehlerquadrate einen Wertverlauf des Frequenzverlaufs bereitstellen. In der Regel ist als HF-Ausgangsleistung ein gaußförmiger Verlauf der HF-Energie innerhalb eines gewissen Frequenzverlaufs erwünscht. Durch einen digitalen Spektrum-Analyzer kann eine numerische Darstellung des Frequenzverlaufs ausgegeben werden, wobei mithilfe einer linearen Regression dieser Frequenzbereich einer Gaußkurve angefittet werden kann. Hierdurch ist es möglich, mit einfachen signaltheoretischen Maßnahmen eine Optimierungsstrategie zu finden, um durch Variation der Stellparameter S_U, S_T oder S_M die Frequenz der Ausgangswelle hinsichtlich eines gewünschten Gaußverlaufs einzustellen. Zur Extraktion des Stellparameters bietet sich eine lineare Regression einer Gaußkurve oder eine Einstellung auf Basis der Methode der kleinsten Fehlerquadrate an, um den Werteverlauf des Frequenzspektrums numerisch darstellen zu können und somit eine schnelle und einfache Extraktion von Stellparametern abzuleiten. In an advantageous development, the spectrum analysis device can be a digital spectrum analyzer which is set up to provide a numerical simulation of the frequency response of the high-frequency wave, in particular preferably based on a linear regression of a Gaussian curve with correlation coefficients or based on a method of least squares a frequency characteristic of the frequency response provide. As a rule, a Gaussian curve of the RF energy within a certain frequency response is desired as the RF output power. A digital spectrum analyzer can be used to output a numerical representation of the frequency response, and linear frequency regression can be used to fit this frequency range to a Gaussian waveform. This makes it possible to find an optimization strategy with simple signal-theoretical measures in order to set the frequency of the output wave with respect to a desired Gaussian curve by varying the setting parameters S _U , S _T or S _M. For the extraction of the adjustment parameter, a linear regression of a Gaussian curve or a setting based on the least squares method is available in order to be able to represent the value profile of the frequency spectrum numerically and thus to derive a fast and simple extraction of setting parameters.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform kann die Regeleinrichtung eingerichtet sein, eine Regelabweichung zwischen Werteverlauf des Frequenzverlaufs der Hochfrequenzwelle und einem Sollwerteverlauf zu quantifizieren und auf Basis der Abweichung den Stellparameter auszugeben. Somit kann der Stellparameter durch Abweichung des Frequenzverlaufs der Ausgangswelle zu einem gewünschten Frequenzverlaufs beeinflusst werden, wobei die Abweichungen vom gewünschten, insbesondere gaußförmigen Frequenz die Vorgabe des Stellparameters beeinflusst, um die HF-Welle in möglichst kurzer Zeit und ohne Regelabweichung an den gewünschten Frequenzverlauf anzupassen. In a further advantageous embodiment, the control device can be set up to quantify a control deviation between the course of the frequency curve of the high-frequency wave and a desired value curve and to output the control parameter on the basis of the deviation. Thus, the adjustment parameter can be influenced by deviation of the frequency response of the output wave to a desired frequency response, the deviations from the desired, in particular Gaussian frequency influences the specification of the control parameter to adapt the RF wave in the shortest possible time and without control deviation to the desired frequency response.

Vorteilhafterweise kann der Stellparameter auf Basis eines Kennfelds oder eines P-, PD- oder PID-Reglerverhaltens bestimmt werden. Insbesondere bei Verwendung eines PID-Reglerverhaltens kann eine regelfreie und schnelle Ausregelung der Welle durch Variation der Stellparameter erreicht werden. Die Regelabweichung kann durch einen Vergleich eines Soll-Frequenzverlaufs und des Ist-Frequenzverlaufs ermittelt werden, wobei Ziel des Regelverhaltens die Minimierung der Regelabweichung ist. Der Ist-Frequenzverlauf kann vorteilhafterweise durch eine Regressionsanalyse oder einen FIT mittels einer Funktion oder einer Stützstellendarstellung nachgebildet sein. Als Regelgröße bietet sich beispielsweise eine Absolut-Wert-Abweichung, eine Integralabweichung oder eine Bestimmung von Fehlerquadrat-Abweichung an. Ein Kennfeld kann insbesondere bei mehrdimensionalen Regelvorgängen, bei denen zwei oder drei Parameter gleichzeitig variiert werden können, eingesetzt werden, um eine schnelle Einstellung der mehreren Parameter der optimierten HF-Einstellung zu finden. Advantageously, the adjustment parameter can be determined based on a characteristic map or a P, PD or PID controller behavior. Especially when using a PID controller behavior, a rule-free and fast compensation of the shaft can be achieved by varying the setting parameters. The control deviation can be determined by comparing a desired frequency response and the actual frequency response, the aim of the control response being to minimize the control deviation. The actual frequency characteristic can advantageously be determined by a regression analysis or a FIT by means of a function or a support point representation be modeled. For example, an absolute value deviation, an integral deviation or a determination of least-square deviation may be used as the controlled variable. A map can be used in particular in multi-dimensional control operations, in which two or three parameters can be varied simultaneously, to find a quick setting of the several parameters of the optimized RF setting.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann die Stellgröße Amplitude, Phase und/oder Frequenz einer Spannung und/oder eines Stroms der Kathoden-Heizvorrichtung S_T und/oder der Elektrodenversorgungsvorrichtung S_U und/oder der Magnetfelderzeugungsvorrichtung S_M eingestellt werden. Durch Vorgabe von Amplituden, Phase oder Frequenz der Kathodenheizspannung- oder Stroms S_T und/oder der Spannung oder des Stroms zwischen den Elektroden S_U und/oder der Spannung oder dem Strom durch die Magnetfelderzeugungsvorrichtung S_M kann eine mehrdimensionale Einstellung aller wichtigen Betriebsparameter des Hochfrequenzerzeugungssystems vorgenommen werden, wobei die Vorgabe von elektrischen Größen durch eine Ansteuerschaltung, insbesondere ein Leistungsteil zum Betrieb der Kathodenheizung, der Elektrodenspannung oder der Magnetfelderzeugung, eine einfache Beeinflussung der ausgegebenen HF-Welle ermöglichen. In a further advantageous embodiment, the manipulated variable amplitude, phase and / or frequency of a voltage and / or current of the cathode heater S _T and / or the electrode supply device S _U and / or the magnetic field generating device S _{M can be} adjusted. By specifying amplitudes, phase or frequency of the cathode heating voltage or current S _T and / or the voltage or the current between the electrodes S _U and / or the voltage or the current through the magnetic field generating device S _M , a multi-dimensional adjustment of all important operating parameters of the high-frequency generation system be made, the specification of electrical variables by a drive circuit, in particular a power unit for operating the cathode heater, the electrode voltage or the magnetic field generation, a simple effect on the output RF wave.

In einem nebengeordneten Aspekt wird ein Verfahren zur Regelung eines Hochfrequenz-Erzeugungssystems, wie es oben beschrieben ist, vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst:

S1: Vorgabe eines Stellparameters für die Kathoden-Heizvorrichtung S_T, für die Elektrodenversorgungsvorrichtung S_U und/oder für eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung S_M;
S2: Erzeugung einer Hochfrequenzwelle unter Verwendung des Stellparameters;
S3: Bestimmung eines Frequenzverlaufs der erzeugten Hochfrequenzwelle des HF-Erzeugungssystems;
S4: Vergleich des Frequenzverlaufs mit einem vorgegebenen Sollwerteverlauf zur Bestimmung einer Regelabweichung;
S5: Bestimmung des Stellparameters nach einem vorgegebenen Reglerverhalten auf Basis der Regelabweichung und Wiederholung des Verfahrens ab Schritt S2.

In a side-by-side aspect, a method for controlling a high-frequency generation system as described above is proposed, which comprises the following steps:

S1: specification of a setting parameter for the cathode heating device S _T , for the electrode supply device S _U and / or for a magnetic field generating device S _M ;
S2: generating a high-frequency wave using the adjusting parameter;
S3: determining a frequency characteristic of the generated high frequency wave of the RF generating system;
S4: comparison of the frequency response with a predetermined setpoint course for determining a control deviation;
S5: Determination of the setting parameter according to a given controller behavior on the basis of the control deviation and repetition of the method from step S2.

Mithilfe dieses Verfahrens kann eine schnelle und mehrdimensionale Einstellung aller wesentlichen Parameter einer Hochfrequenz-Erzeugungsvorrichtung vorgenommen werden, um einen gewünschten Frequenzverlauf einer auszugebenden Hochfrequenzwelle zu erreichen. Durch die Analyse der HF-Welle zur Bestimmung einer Regeldifferenz ermöglicht das Verfahren auch bei stark streuenden Herstellparametern oder altersbedingten Veränderungen des Hochfrequenzsystems eine exakte Einstellung eines gewünschten HF-Frequenzverlauf durch Variation der Eingangsgrößen, Elektrodenspannung, Kathodentemperatur und/oder Magnetfeldstärke. Hierdurch lassen sich in strukturellen Grenzen beliebige Spektren erzeugen und es kann eine hohe Qualität eines gewünschten HF-Feldes selbst bei stark streuenden Herstellparametern des Hochfrequenzsystems erreicht werden. By means of this method, a rapid and multi-dimensional adjustment of all the essential parameters of a high-frequency generating device can be made in order to achieve a desired frequency characteristic of a high-frequency wave to be output. By analyzing the RF wave to determine a control difference, the method allows an exact setting of a desired RF frequency response by varying the input variables, electrode voltage, cathode temperature and / or magnetic field strength even with strongly scattering manufacturing parameters or age-related changes in the high frequency system. As a result, any spectra can be generated within structural limits and a high quality of a desired RF field can be achieved even with strongly scattering manufacturing parameters of the high-frequency system.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann im Schritt S3 der Frequenzverlauf digital bestimmt und mittels einer linearen Regression einer Gaußkurve mit Korrelationskoeffizienten nachgebildet oder mittels einer Methode der kleinsten Fehlerquadrate nachgebildet werden. Hierdurch lässt sich eine numerische Darstellung des Frequenzverlaufs bestimmen, der mit einer Ideallinie oder einem vorgegebenen Frequenzverlaufs verglichen werden kann, wobei bei einer Abweichung ein oder mehrere Stellgrößensignale vorgegeben werden können, um einen gewünschten Frequenzverlauf zu erreichen. In an advantageous development, the frequency response can be determined digitally in step S3 and simulated by means of a linear regression of a Gaussian curve with correlation coefficients or simulated by means of a method of least squares. This makes it possible to determine a numerical representation of the frequency curve, which can be compared with an ideal line or a predetermined frequency response, wherein one or more manipulated variable signals can be predetermined in the event of a deviation in order to achieve a desired frequency profile.

Ausgehend von dem vorgenannten Reglerverfahren kann im Schritt S5 das Reglerverhalten durch ein Kennfeld oder durch eine P-, PD- oder PID-Charakteristik bestimmt werden. Insbesondere bei mehrdimensionalen Stellparametern kann ein Kennfeld eine schnelle Bestimmung auf Basis vorgegebener Stellparametergrößen eingestellt werden. Durch eine P-, PD- oder PID-Charakteristik des Reglerverhaltens kann eine schnelle regelabweichungsbehaftete oder regelabweichungsfreie Einstellung einer optimalen oder annähernd optimalen Ausgangsbandbreite des HF-Feldes erreicht werden. Based on the aforementioned controller method, the controller behavior can be determined by a characteristic field or by a P, PD or PID characteristic in step S5. Particularly in the case of multi-dimensional setting parameters, a characteristic field can be set to a fast determination on the basis of predetermined setting parameter variables. By means of a P, PD or PID characteristic of the controller behavior, a fast regulation-deviating or deviation-free adjustment of an optimum or approximately optimum output bandwidth of the RF field can be achieved.

Schließlich kann in einer vorteilhaften Weiterentwicklung im Schritt S5 Amplitude, Phase und/oder Frequenz des Stellparameters bestimmt werden, wobei bevorzugt eine PWM-Modulation des Stellparameters bestimmt wird. Durch Steuerung von Amplitude, Phase oder Frequenz des Stellparameters, insbesondere Spannung oder Stromstärke durch die Magnetfelderzeugungsvorrichtung, Spannungsgröße der Elektrodenspannung oder Spannung oder Frequenz eines Heizstroms durch die Glühelektrode, kann sehr schnell eine Einstellung des HF-Frequenzverlaufs erfolgen. Mittels einer PWM-Modulation lassen sich die Stellparametergrößen durch Einstellung einer variablen Taktung von Spannung/Strom die Frequenz und Amplitude zur Erzeugung einer Hochfrequenzwelle anpassen, wobei geringe Anforderungen an die Leistungselektronik gestellt werden. Finally, in an advantageous further development in step S5, amplitude, phase and / or frequency of the setting parameter can be determined, wherein preferably a PWM modulation of the setting parameter is determined. By controlling the amplitude, phase or frequency of the adjusting parameter, in particular voltage or current through the magnetic field generating device, voltage magnitude of the electrode voltage or voltage or frequency of a heating current through the annealing electrode, an adjustment of the RF frequency response can be made very quickly. By means of a PWM modulation, the adjustment parameter variables can be adjusted by setting a variable voltage / current timing, the frequency and amplitude for generating a high frequency wave, with low demands placed on the power electronics.

ZEICHNUNGEN DRAWINGS

Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Further advantages result from the present description of the drawing. In the drawings, embodiments of the invention shown. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.

Es zeigen: Show it:

1 perspektivische Teilschnittdarstellung eines Magnetronsystems und schematische Darstellung eines Leistungsdiagramms einer auskoppelbaren HF-Welle; 1 perspective partial sectional view of a magnetron system and schematic representation of a performance diagram of a decoupled RF wave;

2 schematische Darstellung eines Hochfrequenzerzeugungssystems zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; 2 schematic representation of a high frequency generation system for use in an embodiment of the invention;

3 schematisches Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung; 3 schematic diagram of a first embodiment of the invention;

4 schematisches Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung; 4 schematic diagram of another embodiment of the invention;

5 Darstellung zweier Frequenzspektra einer ausgekoppelten HF-Welle aus einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzerzeugungsvorrichtung vor und nach einer Regelkorrektur; 5 Representation of two frequency spectra of a decoupled RF wave from an embodiment of a high-frequency generating device according to the invention before and after a control correction;

6 Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Regelverfahrens. 6 Flowchart of an embodiment of a control method according to the invention.

In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. In the figures, similar elements are numbered with the same reference numerals.

In der 1a ist eine Teilschnittdarstellung durch ein Magnetronsystem 12 eines Hochfrequenz-Erzeugungssystems 10 dargestellt. Das Magnetronsystem 12 umfasst eine Kathoden-Anodenanordnung 14, die aus einer zylinderförmigen Glühkathode 16 und einer ringförmigen Anode 18 besteht. Die Kathodenanordnung 16 umfasst eine Kathoden-Heizvorrichtung 20, insbesondere eine elektrisch aufheizbare Widerstandsanordnung, die als Kathodenheizung 48 dient. Die Glühkathode 20 ist durch einen Heizleiteranschluss 56 kontaktierbar, wobei Spannung und Strom durch die Heizleiteranschlussleitung 56 die Anzahl der von der Kathode 16 freigesetzten Elektronen bestimmt. Ringförmig um die zylinderförmige Kathode 16 ist eine Anode 18 angeordnet, die eine Vielzahl durch Koppelschlitze 54 verbundene Resonanzkavitäten 52 umfasst, wobei die Zylinderkavitäten 52 das Frequenzverhalten einer durch den Elektronenstrom angeregten HF-Welle bestimmen. Der ringförmige Anodenkörper 58 der Anode 18 umfasst des Weiteren einen Ausgangsport 24, der als Koaxialleitung mit einem zentralen Koaxialleiter 70 ausgeführt ist. Der Koaxialleiter 70 ist im Inneren einer Zylinderkavität 52 als Koppelleiter 62 ausgelegt, um das elektromagnetische Feld der angeregten HF-Welle auszukoppeln und durch den Ausgangsport 24 zur externen Verwendung, beispielsweise als Heizung in einem Mikrowellenofen oder in einer Trocknungsvorrichtung, verwendet zu werden. Nicht dargestellt ist in der 1a eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung, die ein Stabilisierungsmagnetfeld 60 erzeugt, dessen Flussrichtung M durch einen Pfeil angedeutet ist. Treten Elektronen aus der Glühkathode 16 aus, werden diese aufgrund des angelegten Hochspannungsfeldes zwischen Kathode 16 und Anode 18 in Richtung des Anodenkörpers 58 beschleunigt. Durch das Stabilisierungsmagnetfeld 60 werden die Elektronen in eine gekrümmte Bahn gezwungen, wobei sie durch ein stärker werdendes Stabilisierungsmagnetfeld 60 in eine stärker gekrümmte Kreisbahn geführt werden. Dabei regt der sich in gekrümmten Bahnen bewegenden Elektronenstrom ein elektromagnetisches Wechselfeld am, das von dem Koaxial-Koppelleiter 62 in einer Zylinderkavität 52 aufgenommen und durch den Ausgangsport 24 ausgekoppelt werden kann. In the 1a is a partial sectional view through a magnetron system 12 a high frequency generating system 10 shown. The magnetron system 12 includes a cathode-anode assembly 14 , which consists of a cylindrical hot cathode 16 and an annular anode 18 consists. The cathode arrangement 16 includes a cathode heater 20 , In particular, an electrically heatable resistor assembly, which serves as a cathode heater 48 serves. The hot cathode 20 is through a heating conductor connection 56 contactable, wherein voltage and current through the Heizleiteranschlussleitung 56 the number of from the cathode 16 determined released electrons. Annular around the cylindrical cathode 16 is an anode 18 arranged a variety through coupling slots 54 connected resonance cavities 52 includes, wherein the cylinder cavities 52 determine the frequency response of an excited by the electron current RF wave. The annular anode body 58 the anode 18 further includes an output port 24 acting as a coaxial line with a central coaxial conductor 70 is executed. The coaxial conductor 70 is inside a cylinder cavity 52 as a coupling ladder 62 designed to decouple the electromagnetic field of the excited RF wave and through the output port 24 for external use, for example as heating in a microwave oven or in a drying device. Not shown in the 1a a magnetic field generating device that generates a stabilizing magnetic field 60 generated, the flow direction M is indicated by an arrow. Join electrons from the hot cathode 16 These are due to the applied high voltage field between the cathode 16 and anode 18 in the direction of the anode body 58 accelerated. By the stabilization magnetic field 60 For example, the electrons are forced into a curved trajectory, due to an increasing stabilizing magnetic field 60 be guided in a more curved circular path. In this case, the electron current moving in curved paths stimulates an electromagnetic alternating field on that of the coaxial coupling conductor 62 in a cylinder cavity 52 recorded and through the output port 24 can be disconnected.

In der 1b ist die Gaußkurve eines typischen Frequenzverlaufs 42 einer ausgekoppelten HF-Welle dargestellt, wie sie beispielsweise aus einem Magnetronsystem 12 ausgekoppelt werden kann. Die grundlegenden Parameter, die die Form, Halbwertsbreite und -höhe des Frequenzverlaufs 42 beeinflussen, sind außer der geometrisch festgelegten Form von Anodenkörper 58 und Kathodenform 16 die Elektrodenspannung zwischen Kathode 16 und Anode 18, die Stärke des Stabilisierungsmagnetfelds 60 sowie die Temperatur der Kathodenheizung 48. Durch Beeinflussung einer oder mehrerer dieser Parameter lässt sich die grundsätzliche Form des in 1b dargestellten Frequenzverlaufs 42 der ausgekoppelten HF-Welle beeinflussen. In the 1b is the Gaussian curve of a typical frequency response 42 a decoupled RF wave shown, for example, from a magnetron system 12 can be disconnected. The basic parameters that determine the shape, half width and height of the frequency response 42 are other than the geometrically defined form of anode body 58 and cathode shape 16 the electrode voltage between the cathode 16 and anode 18 , the strength of the stabilizing magnetic field 60 and the temperature of the cathode heater 48 , By influencing one or more of these parameters, the basic form of the in 1b shown frequency profile 42 affect the decoupled RF wave.

In der 2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenzerzeugungssystems 10 in Form eines Magnetronsystems 12 gezeigt. Das Magnetronsystem 12 umfasst eine Vakuumröhre als Hochfrequenzkavität 74, in der sich eine Kathoden-Anodenanordnung 14 befindet, die aus einer Wendelkathode 16 mit einer Kathoden-Heizvorrichtung 20, die eine Kathodenheizung 48 ausbildet und eine plattenförmige Anode 16 umfasst. Um die Hochfrequenzkavität 74 herum ist eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung 28 angeordnet, die ein Eisenjoch 46 sowie eine Magnetspule 44 aufweist, und durch die ein Stabilisierungsmagnetfeld 60 erzeugt werden kann. Elektronen, die aus der Kathode 16 emittiert werden, werden in Richtung der Anode 18 beschleunigt und durch das Stabilisierungsmagnetfeld 60 auf eine Elektronenflugbahn 72 gezwungen, die im Wesentlich elliptisch, kreisförmig oder andersartig gekrümmt verläuft. Die Kathoden-Anodenanordnung 14 wird mittels einer Elektrodenversorgungsvorrichtung 22 mit einer Elektrodenspannung U_HF versorgt. Die Kathoden-Heizvorrichtung 20 mit Kathodenheizung 48 wird über eine Heizleiteranschlussleitung 56 durch eine Kathoden-Heizvorrichtung 20 mit einer Heizspannung U_T beaufschlagt. Die Magnetspule 44 wird durch die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 28 mit einer Spulenspannung U_M beaufschlagt. Die Magnetspulenspannung U_M, die Elektrodenspannung U_HF und die Kathodenspannung U_T stellen Parameter dar, die einen direkten Einfluss auf den Frequenzverlauf einer auskoppelbaren HF-Welle aus dem Ausgangsport 24 des Hochfrequenz-Erzeugungssystems 10 haben. Durch Variation dieser Parameter kann der Frequenzverlauf 42 der auskoppelbaren HF-Welle beeinflusst werden. In the 2 is a schematic representation of another embodiment of a high frequency generation system 10 in the form of a magnetron system 12 shown. The magnetron system 12 includes a vacuum tube as a high frequency cavity 74 in which is a cathode-anode assembly 14 located, which consists of a helical cathode 16 with a cathode heater 20 that has a cathode heater 48 forms and a plate-shaped anode 16 includes. To the high-frequency cavity 74 around is a magnetic field generating device 28 arranged, which is an iron yoke 46 as well as a magnetic coil 44 and through which a stabilizing magnetic field 60 can be generated. Electrons coming out of the cathode 16 are emitted, in the direction of the anode 18 accelerated and by the stabilizing magnetic field 60 on an electron trajectory 72 forced, which runs essentially elliptical, circular or otherwise curved. The cathode-anode arrangement 14 is by means of an electrode supply device 22 with a Supplied electrode voltage U _HF . The cathode heater 20 with cathode heating 48 is via a Heizleiteranschlussleitung 56 by a cathode heater 20 subjected to a heating voltage U _T. The magnetic coil 44 is through the magnetic field generating device 28 subjected to a coil voltage U _M. The magnet coil voltage U _M , the electrode voltage U _HF and the cathode voltage U _T represent parameters that have a direct influence on the frequency response of a decoupled RF wave from the output port 24 of the high-frequency generation system 10 to have. By varying these parameters, the frequency response 42 the decoupled RF wave can be influenced.

In der 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Erzeugungssystems 10 dargestellt. Die Hochfrequenzkavität 74 erzeugt eine Hochfrequenzwelle, die aus dem Ausgangsport 24 entkoppelt werden kann und die einen Frequenzverlauf 42 aufweist. Dieser Frequenzverlauf 42 wird einer Regelvorrichtung 26 zugeführt, die den Frequenzverlauf 42 mit einem aus einem Sollwerteverlauf 68 einer Sollverlauf-Vorgabevorrichtung 64 vergleicht. Bei Abweichung des Frequenzverlaufs 42 vom Sollwerteverlauf 68 bestimmt die Regelvorrichtung 26 Stellparameter S_U, die die Elektrodenspannung, die von der Elektrodenversorgungsvorrichtung 22 vorgegeben wird, bestimmt. Des Weiteren kann die Regelvorrichtung 26 Einstellparameter S_T bestimmen, die die Temperatur der Kathode 16, die von der Kathoden-Heizvorrichtung 20 vorgegeben wird, beeinflusst. Schließlich kann die Regelvorrichtung 26 auf Basis einer Größenabweichung zwischen Frequenzverlauf 42 und Sollverlauf 68 einen Parameter S_M bestimmen, der die Stärke des Magnetisierungsfeldes M, das von der Magnetfelderzeugungsvorrichtung 28 vorgegeben wird, beeinflusst. Somit kann eine mehrdimensionale Regelung des Hochfrequenz-Erzeugungssystems 10 vorgenommen werden, um die elektrischen Ansteuerparameter zur Erzeugung der Hochfrequenzwelle dahingehend beeinflusst werden, dass eine ausgekoppelte HF-Welle mit einem Frequenzverlauf 42 eine möglichst geringe Abweichung zu einem vorgegebenen Sollverlauf 68 aufweist. In the 3 is a first embodiment of a high-frequency generation system according to the invention 10 shown. The high frequency cavity 74 generates a high frequency wave coming out of the output port 24 can be decoupled and which has a frequency response 42 having. This frequency response 42 becomes a control device 26 fed, the frequency response 42 with one from a setpoint course 68 a target course presetting device 64 compares. In case of deviation of the frequency response 42 from the setpoint course 68 determines the control device 26 Adjusting parameters S _U , the electrode voltage supplied by the electrode supply device 22 is given, determined. Furthermore, the control device 26 Setting parameters S _T determine the temperature of the cathode 16 coming from the cathode heater 20 is given, influenced. Finally, the control device 26 based on a size deviation between frequency response 42 and target course 68 determine a parameter S _{M that} determines the strength of the magnetizing field M generated by the magnetic field generating device 28 is given, influenced. Thus, a multi-dimensional control of the high-frequency generation system 10 be made to the electric drive parameters for generating the high frequency wave are influenced so that a decoupled RF wave with a frequency response 42 the smallest possible deviation from a predefined set course 68 having.

In der 4 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Erzeugungssystems 10 dargestellt. Das Hochfrequenz-Erzeugungssystem 10 umfasst wiederum eine Hochfrequenzkavität 74, in der eine HF-Welle erzeugt und durch einen Ausgangsport 24 ausgekoppelt werden kann. Zur Steuerung der Elektrodenspannung ist eine Elektrodenversorgungsvorrichtung 22 vorgesehen. Ein Stabilisierungsmagnetfeld M wird durch eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung 28 eingestellt. Die ausgekoppelte HF-Welle weist ein Frequenzverlauf 42 auf, das ausgekoppelt und zur weiteren Nutzung beispielsweise zum Betrieb eines Mikrowellenofens oder für eine Hochfrequenztrocknungsvorrichtung verwendet werden kann. Am Ausgangsport 24 ist in einem Wellenleiter eine Hochfrequenz-Weicheneinrichtung 30 vorgesehen, in der ein HF-Richtkoppler 32 einen Teil der ausgekoppelten HF-Welle abzweigt, und diese einer Filtereinrichtung 36 zuführt. Die Filtereinrichtung 36 filtert einen charakteristischen Frequenzbereich aus dem Frequenzverlauf 42 der Hochfrequenzwelle aus und führt diesen einer Spektrumsanalyseeinrichtung 38 zu. Die Spektrumsanalyseeinrichtung 38 kann beispielsweise eine digitale Darstellung des Frequenzverlaufs 42 auf Basis einer linearen Regression einer Gaußkurve oder auf Basis eines Least-Square-Fits einer Gaußkurve ausgeben. Eine nachgeschaltete Regeleinrichtung 40 vergleicht den gefitteten Verlauf des Frequenzverlaufs 42 mit einem Sollverlauf 68, der von einer Sollverlauf-Vorgabevorrichtung 64 vorgegeben wird. Wird eine Abweichung festgestellt, so wird ein Vorgabeparameter S_T erzeugt, der der Kathoden-Heizvorrichtung 20 zugeführt wird. Auf Basis des Stellparameters S_T wird Strom und/oder Spannung der Kathoden-Heizvorrichtung 20 verändert, was einen direkten Einfluss auf den HF-Frequenzverlauf 42 hat. Hierdurch wird die Temperatur der Kathode 16 durch die Kathoden-Heizvorrichtung 20 derart verändert, dass eine möglichst geringe Abweichung zum Sollverlauf 68 auftritt. Zur Einstellung des Sollverlaufs 68 und zur Beeinflussung der wesentlichen Parameter des Hochfrequenz-Erzeugungssystems 10 umfasst die Sollverlauf-Vorgabevorrichtung 64 eine I/O-Vorrichtung 66, in der beispielsweise durch I/O-Geräte wie Touchscreen, Tastatur, Bildschirm, Drucker und Ähnliches eine Auswahl eines bestimmten Sollwerteverlaufs 68 vorgegeben werden kann, sowie grundsätzliche Parameter wie Heizleistung oder andere, die Erzeugung der HF-Welle beeinflussbare Parameter, eingegeben und der Frequenzverlauf 42 ausgegeben werden kann. In the 4 schematically is another embodiment of a high-frequency generation system according to the invention 10 shown. The high-frequency generation system 10 again comprises a high frequency cavity 74 in which an RF wave is generated and passed through an output port 24 can be disconnected. For controlling the electrode voltage is an electrode supply device 22 intended. A stabilizing magnetic field M is generated by a magnetic field generating device 28 set. The decoupled RF wave has a frequency response 42 which can be coupled out and used for further use, for example for the operation of a microwave oven or for a high-frequency drying apparatus. At the exit port 24 is in a waveguide a high frequency switch device 30 provided in which an RF directional coupler 32 branches off a part of the decoupled RF wave, and this a filter device 36 supplies. The filter device 36 filters a characteristic frequency range from the frequency response 42 the high frequency wave and this leads a spectrum analyzer 38 to. The spectrum analyzer 38 For example, a digital representation of the frequency response 42 on the basis of a linear regression of a Gaussian curve or on the basis of a least square fit of a Gaussian curve. A downstream control device 40 compares the fit history of the frequency response 42 with a desired course 68 that of a desired course default device 64 is given. If a deviation is detected, then a default parameter S _{T is} generated, that of the cathode heater 20 is supplied. On the basis of the adjustment parameter S _T becomes current and / or voltage of the cathode heater 20 changed, which has a direct impact on the RF frequency response 42 Has. This will cause the temperature of the cathode 16 through the cathode heater 20 changed so that the smallest possible deviation from the desired course 68 occurs. For setting the desired course 68 and for influencing the essential parameters of the high-frequency generation system 10 includes the target course presetting device 64 an I / O device 66 in which, for example, by I / O devices such as touch screen, keyboard, screen, printer and the like a selection of a specific setpoint course 68 can be specified, as well as basic parameters such as heating power or other, the generation of the RF wave influenceable parameters, entered and the frequency response 42 can be issued.

In der 5a ist ein typischer Verlauf der Ausgangsleistung einer ausgekoppelten Hochfrequenzwelle über einen Frequenzbereich von 2,42 MHz bis 2,45 MHz bei einer niedrigen Temperatur der Glühkathode 16 von ca. 50 °C dargestellt. Der Schwerpunkt des im Wesentlichen gaußförmig verlaufenden Frequenzverlaufs 42 befindet sich bei etwa 2,431 MHz. Durch Erhöhung der Temperatur der Glühkathode auf ca. 1.300 °C verschiebt sich der Frequenzpeak auf ca. 2,4335 MHz und nimmt einen gaußförmigen Verlauf an. Hierdurch wird ersichtlich, dass durch die Variation der Temperatur der Glühkathode 16 eine sehr gute Einstellbarkeit des Frequenzverlaufs in vorgegebenen Grenzen möglich ist. Die Temperatur der Glühkathode 16 hat einen direkten Einfluss auf den Frequenzverlauf 42 der ausgekoppelten HF-Welle, so dass diese als Regelparameter für auch konstruktiv einfache HF-Erzeugungssystemen verwendet werden kann, um einen gewünschten Frequenzverlauf der HF-Welle einzustellen. In the 5a FIG. 12 is a typical waveform of the output power of a coupled-out high frequency wave over a frequency range of 2.42 MHz to 2.45 MHz at a low temperature of the hot cathode 16 represented by about 50 ° C. The center of gravity of the essentially Gaussian frequency curve 42 is at about 2.431 MHz. By raising the temperature of the hot cathode to about 1300 ° C, the frequency peak shifts to about 2.4335 MHz and assumes a Gaussian shape. As a result, it can be seen that the variation of the temperature of the hot cathode 16 a very good adjustability of the frequency response within predetermined limits is possible. The temperature of the hot cathode 16 has a direct influence on the frequency response 42 the decoupled RF wave, so that it can be used as a control parameter for structurally simple RF generating systems to set a desired frequency response of the RF wave.

Schließlich zeigt 6 ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufplans zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Regelverfahrens eines Hochfrequenz-Erzeugungssystems 10. Im Schritt S1 wird ein Stellparameter für eine Kathoden-Heizvorrichtung 20 S_T, insbesondere eine Spannung zum Betrieb einer Kathoden-Heizvorrichtung 20 vorgegeben, durch die die Heiztemperatur einer Glühkathode 16 eingestellt wird. Im Schritt S2 erfolgt die Erzeugung einer Hochfrequenzwelle, bei der Elektronen von der emittierte Kathode 16 in Richtung Anode 18 beschleunigt werden und durch ein Stabilisierungsmagnetfeld 60 eine gekrümmte Bahn einnehmen, wodurch die Hochfrequenzwelle in Kavitäten 52 eines Magnetronsystems 12 angeregt werden. Die erzeugte Hochfrequenzwelle wird durch einen Ausgangsport 24 ausgekoppelt. Im Schritt S3 wird zumindest ein Teil der ausgekoppelten HF-Energie einer Spektrumsanalyseeinrichtung 38 zugeführt, wobei der Verlauf der HF-Welle beispielsweise durch einen Least-Square-Fit oder eine polynomiale Regression oder durch ein Approximationsverfahren, z.B. einen Least-Square-Fit nachgebildet werden kann. Die numerische Darstellung des Frequenzverlaufs 42 wird im Schritt S4 mit einem vorgebbaren Sollwertverlauf 68 verglichen, um eine Regelabweichung festzustellen. Zumeist lässt sich keine vollständige Übereinstimmung zwischen Frequenzverlauf 42 und Sollverlauf 68 erreichen, jedoch kann eine Minimierung der Abweichung erreicht werden. Eine Regeleinrichtung 40 nimmt im Schritt S5 die Bestimmung eines Stellparameters S vor, hier beispielsweise der Höhe der Spannung der Kathoden-Heizvorrichtung 20, die der Kathoden-Heizvorrichtung 20 zugeführt wird. Daraufhin erfolgt wieder im Schritt S2 eine Erzeugung der Hochfrequenzwelle mit dem neuen Vorgabeparameter S, die wiederum im Schritt S3 analysiert wird und im Schritt S4 verglichen wird, um wiederum im Schritt S5 einen neuen Vorgabeparameter einzustellen. Hierdurch ergibt sich ein Regelsystem, durch das ein einfaches Hochfrequenz-Erzeugungssystem 10 derart geregelt wird, dass in gewissen Grenzen ein Einhalten eines vorgebbaren Frequenzverlaufs 42 der HF-Welle ermöglicht wird. Abweichungen in den Fertigungstoleranzen und alterungsbedingte Änderungen im Erzeugungsverhalten einer Hochfrequenzwelle können dadurch eliminiert werden. Da die Auswertung des Frequenzverlaufs 42 der Hochfrequenzwelle im Schritt S3 relativ aufwendig sein kann, ist denkbar, dass eine Zuordnung des Sollwerteverlaufs 68 und des Stellparameters S_T oder weiterer Parameter in einem Speicher abgelegt werden, und für eine Massenproduktion eines derartigen HF-Erzeugungssystems eine feste Zuordnungstabelle der Steuergröße S entsprechend einem gewünschten Sollverlauf 68 des Frequenzverlaufs in einem Speicher abgelegt wird, und anstelle einer Regelung eine Steuerung auf Basis des durch das Regelverhalten gewonnen Diagramms vorgenommen werden kann. Finally shows 6 an embodiment of a flowchart for carrying out a control method according to the invention of a high-frequency generating system 10 , In step S1, a setting parameter for a cathode heater 20 S _T , in particular a voltage for operating a cathode heater 20 given by the heating temperature of a hot cathode 16 is set. In step S2, the generation of a high-frequency wave, in which electrons from the emitted cathode 16 in the direction of the anode 18 be accelerated and by a stabilizing magnetic field 60 occupy a curved path, causing the high frequency wave in cavities 52 a magnetron system 12 be stimulated. The generated high frequency wave is passed through an output port 24 decoupled. In step S3, at least part of the decoupled RF energy of a spectrum analyzer 38 supplied, wherein the course of the RF wave, for example, by a least square fit or a polynomial regression or by an approximation method, such as a least square fit can be modeled. The numerical representation of the frequency response 42 is in step S4 with a predetermined setpoint course 68 compared to determine a control deviation. In most cases, there is no complete match between frequency response 42 and target course 68 achieve, however, a minimization of the deviation can be achieved. A control device 40 takes in step S5, the determination of a setting parameter S, here for example the height of the voltage of the cathode heater 20 that of the cathode heater 20 is supplied. Thereupon, in step S2, a generation of the high-frequency wave with the new default parameter S is again carried out, which in turn is analyzed in step S3 and compared in step S4 in order to set a new default parameter again in step S5. This results in a control system through which a simple high-frequency generation system 10 is regulated such that within certain limits, a compliance with a predetermined frequency response 42 the RF wave is enabled. Deviations in the manufacturing tolerances and aging-related changes in the generation behavior of a high-frequency wave can thereby be eliminated. As the evaluation of the frequency response 42 the high frequency wave in step S3 can be relatively expensive, it is conceivable that an assignment of the setpoint course 68 and the adjusting parameter S _T or further parameters are stored in a memory, and for a mass production of such an RF generating system a fixed allocation table of the control variable S corresponding to a desired desired course 68 the frequency characteristic is stored in a memory, and instead of a control, a control can be made on the basis of the rule obtained by the control behavior.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10: Hochfrequenz-Erzeugungssystem High-frequency generation system
12 12: Magnetronsystem magnetron
14 14: Kathoden-Anodenanordnung Cathode-anode assembly
16 16: Kathode cathode
18 18: Anode anode
20 20: Kathoden-Heizvorrichtung Cathode heater
22 22: Elektrodenversorgungsvorrichtung Electrode supply device
24 24: Ausgangsport output port
26 26: Regelvorrichtung control device
28 28: Magnetfelderzeugungsvorrichtung Magnetic field generating device
30 30: HF-Weicheneinrichtung RF switch device
32 32: Richtkoppler directional coupler
34 34: Regelgrößensignal Controlled variable signal
36 36: Filtereinrichtung filtering device
38 38: Spektrumanalyseeinrichtung Spectrum analyzer
40 40: Regeleinrichtung control device
42 42: Gaußkurve des Frequenzverlaufs der erzeugten HF-Welle Gaussian curve of the frequency response of the generated RF wave
44 44: Magnetspule solenoid
46 46: Eisenjoch iron yoke
48 48: Kathodenheizung cathode heating
50 50: Koaxialport coaxial port
52 52: Zylinderkavität Zylinderkavität
54 54: Koppelschlitz coupling slot
56 56: Heizleiteranschlussleitung Heizleiteranschlussleitung
58 58: Anodenkörper anode body
60 60: Stabilisierungsmagnetfeld stabilizing magnetic field
62 62: Koaxial-Koppelleiter Coaxial coupling conductor
64 64: Sollverlauf-Vorgabevorrichtung Desired course-setting device
66 66: I/O-Vorrichtung I / O device
68 68: Sollwerteverlauf des Gaußspektrums Setpoint course of the Gaussian spectrum
70 70: Koaxleiter Koaxleiter
72 72: Elektronenflugbahn Electron trajectory
74 74: Hochfrequenzkavität Hochfrequenzkavität
76 76: HF-Welle RF wave
78 78: Stellparameter setting parameters

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 4125751 [0005]

Claims

Electromagnetic radio frequency generation system ( 10 ), in particular tube system such as magnetron system ( 12 ) or klystron system for generating a high-frequency electromagnetic wave ( 76 ), comprising a cathode-anode arrangement ( 14 ) with a cathode heater ( 20 ) for heating a cathode ( 16 ), an electrode supply device ( 22 ) to the power supply between the cathode ( 16 ) and an anode ( 18 ) and an output port ( 24 ) for decoupling a generated high-frequency wave ( 76 ), characterized in that a control device ( 26 ) for controlling the RF generating system ( 10 ), which is set up, a setting parameter ( 78 ) of the cathode heater ( 20 ) S _T and / or the electrode supply device ( 22 ) S _U , where the setting parameter ( 78 ) based on an RF signal information from the output port ( 24 ) decoupled high frequency wave ( 76 ) is determined.

High-frequency generation system ( 10 ) according to claim 1, characterized in that a magnetic field generating device ( 28 ) for generating a stabilizing magnetic field, wherein the regulating device is set up, alternatively or additionally, at least one adjusting parameter ( 78 ) of the magnetic field generating device ( 28 ) S _M.

High-frequency generation system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at the output port ( 24 ) an HF switch device ( 30 ), preferably a directional coupler ( 32 ), which is set up, a control variable signal ( 34 ) from the high frequency wave ( 76 ) and this of the control device ( 26 ), wherein preferably the control variable signal ( 34 ) by a filter device ( 36 ) is limited power and / or frequency.

High-frequency generation system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the regulating device ( 26 ) a spectrum analyzer ( 38 ) for analyzing a frequency response ( 42 ) of the decoupled high-frequency wave ( 76 ) as a controlled variable signal ( 34 ) and a control device ( 40 ) for outputting the adjustment parameter ( 78 ) based on the frequency response ( 42 ) of the controlled variable signal ( 34 ) a control deviation and from this a control parameter ( 78 ), so that the frequency response ( 42 ) of the high frequency wave ( 76 ) a predefinable setpoint course ( 68 ) corresponds.

High-frequency generation system ( 10 ) according to claim 4, characterized in that the spectrum analyzer ( 38 ) is a digital spectrum analyzer that is set up, a numerical replica of the frequency response ( 42 ) of the high frequency wave ( 76 ), particularly preferably based on a linear regression of a Gaussian curve ( 42 ) with correlation coefficients or based on a method of least squares a value curve of the frequency response ( 42 ).

High-frequency generation system ( 10 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the control device ( 40 ), a control deviation between the frequency characteristic of the frequency response ( 42 ) of the high frequency wave ( 76 ) and a setpoint course ( 68 ) and based on the deviation the control parameter ( 78 ).

High-frequency generation system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the setting parameter ( 78 ) is determined on the basis of a map, or a P, PD or PID control behavior.

High-frequency generation system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the manipulated variable amplitude, phase and / or frequency of a voltage and / or a current of the cathode heater ( 20 ) S _T and / or the electrode supply device ( 22 ) S _U and / or the magnetic field generating device ( 28 ) S _M is.

Method for controlling a high-frequency generation system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized by the steps: S1: specification of a setting parameter ( 78 ) for the cathode heater ( 20 ) S _T , for the electrode supply device ( 22 ) S _U and / or for a magnetic field generating device ( 28 ) S _M ; S2: Generation of a high frequency wave ( 76 ) using the adjusting parameter ( 78 ); S3: determination of a frequency curve ( 42 ) of the generated high frequency wave ( 76 ) of the RF generating system ( 10 ); S4: comparison of the frequency response ( 42 ) with a predefinable setpoint course ( 68 ) to determine a control deviation; S5: Determination of the setting parameter ( 78 ) according to a predeterminable controller behavior based on the control deviation and repetition of the method from step S2.

Method according to claim 9, characterized in that in step S3 the frequency profile ( 42 ) is determined digitally and simulated by means of a linear regression of a Gaussian curve with correlation coefficients or reproduced by means of a method of least squares.

A method according to claim 9 or 10, characterized in that in step S5, the controller behavior is determined by a map or by a P, PD or PID characteristic.

Method according to one of claims 9 to 11, characterized in that in step S5 amplitude, phase and / or frequency of the adjusting parameter ( 78 ), preferably a PWM modulation of the adjustment parameter ( 78 ) is determined.

Method according to one of the preceding claims 9 to 12, characterized in that an assignment of setpoint course ( 68 ) and adjusting parameters ( 78 ) is stored in a memory and the assignment is used as a control variable for a controller.