DE2132871A1

DE2132871A1 - Magnetron

Info

Publication number: DE2132871A1
Application number: DE19712132871
Authority: DE
Inventors: Pickering Alan Hugh
Original assignee: English Electric Valve Co Ltd
Current assignee: Teledyne UK Ltd
Priority date: 1970-07-01
Filing date: 1971-07-01
Publication date: 1972-01-05
Also published as: FR2097110B1; US3729646A; GB1292172A; NL7108484A; DE2132871C3; FR2097110A1; DE2132871B2; SE365341B

Description

DR.MÖLLER-BOR6 DIPL-PHYS. DR.MANITZ DIPL-CHEM. DR. DELTFEL DIPL-ING. FINSTERWALD DIPL-ING. GRAMKOW 2132871 PATENTANWÄLTE

-1. Juli 1971

We/Sv - E 1041

ENGLISH EDECOJEIO VALYE COMPANY LIMITED Bush House, Aldwych, London W.C.2, England

Magnetron

Die Erfindung betrifft Magnetrons und hat zum Ziel, Terbesserte Magnetrons zu schaffen, welche in der Frequenz innerhalb eines weiten Frequenzbereiches rasch veränderbar sind.

In der Eadartechnik ist es für bestimmte Anwendungen erforderlich, die gesendete Frequenz rasch über einen weiten Frequenzbereich zu verändern. Dies kann beispielsweise dazu erforderlich sein, um die Interferenz zu vermindern oder um verbesserte reflektierte Echos von einem Ziel zu erhalten, welches aufgefunden ist, welches jedoch nur schwache Echos gibt, wenn eine gesendete Frequenz verwendet wird, jedoch bessere Echos liefert, wenn eine andere Frequenz gesendet wird. Die Anforderung tritt auch in solchen Einrichtungen auf, in welchen ein Wechsel der Senderichtung, d.h., zur Abtastung des Raumes im Azimuth oder

109882/1753

in der Elevation elektrisch durch Veränderung der Frequenz erreicht wird, welche einem stationären Antennensystem zugeführt wird, anstatt das Antennensystem mechanisch um seine Achse rotieren oder schwingen zu lassen. Veränderlich abstimmbare Magnetrons, in welchen die Frequenz kontinuierlich durch eine kontinuierliche Einstellung der Stellung eines beweglichen Abstimmelementes veränderbar ist, welches in der Magnetronstruktur vorgesehen ist, beispielsweise durch Bewegung eines Metall-Abstimmelementes, welches in Beziehung auf das Magnetron-Anodensystem beweglich ist und von einem deformierbaren Diaphragma oder einem Balg getragen wird, welcher einen Bestandteil der evakuierten Hülle des Magnetrons liefert, sind hinreichend bekannt. Solche bekannten kontinuierlich abstimmbaren Magnetrons lassen jedoch in der Hinsicht viel zu wünschen übrig, soweit die Erfüllung der obengenannten Forderungen betroffen ist. Unter ihren Nachteilen in diesem Zusammenhang sind zu nennen, daß sie komplex sind und daß wegen der Art der mechanischen Bewegung, welche dem Abstimmelement erteilt werden muß und wegen der Trägheit dieses Elementes und der für seine Bewegung vorgesehenen Einrichtung die Geschwindigkeit, mit welcher eine Veränderung der Frequenz über einen weiten Bereich erreicht werden kann, einschneidend begrenzt ist. In der Tat besteht bei bekannten kontinuierlich abstimmbaren Magnetrons eine große Schwierigkeit, um überhaupt einen wünschenswert großen Frequenzänderungsbereich zu erreichen. Darüberhinaus muß bei anem Radarsystem die Empfang er ab Stimmung stets mit der Sender abstimmung in Übereinstimmung gehalten werden, wobei die EmpfangerabStimmung normalerweise durch einen kontinuierlich abstimmbaren frequenzverändernden Überlagerungsoszillator bewirkt wird und die Einhaltung dieser Forderung stellt ein ernsthaftes Problem dar, wenn bekannte kontinuierlich abstimmbare Magnetrons verwendet werden, da die Abstimmcharakteristik solcher Magnetrons nicht linear ist und sehr

109882/1753

schwierig mit der Abstimmcharakteristik des Empfängers in der erforderlichen Weise in Übereinstimmung zu bringen ist, um während der Abstimmung eine ordnungsgemäße Übereinstimmung aufrechtzuerhalten. Die Erfindung sucht diese Nachteile zu überwinden und abstimmbare Magnetrons zu schaffen, welche für Zwecke, wie sie oben erläutert wurden, besser geeignet sind als bekannte abstimmbare Magnetrons.

Ein erfindungsgemäßes abstimmbares Magnetron zeichnet sich dadurch aus, daß eine Vielzahl von Abstimmeinrichtungen vorgesehen ist, von denen jede zwei Zustände besitzt, welche zwei verschieden abgestimmte Frequenzen liefern und daß eine Steuereinrichtung vorhanden ist, um unabhängig die Zustände der Abstimmeinrichtungen individuell oder in vorgegebenen Kombinationen der Einrichtungen von dem einen zum anderen oder umgekehrt zu ändern.

Die Abstimmeinrichtung kann eine beliebige aus einer Vielfalt von an sich bekannten Formen annehmen, sie kann beispielsweise aus beweglichen Metallelementen oder beweglichen dielektrischen Elementen bestehen. Sie kann auch jeweils aus einer leitenden Schleife bestehen, welche in einem Bereich eines Hochfrequenzfeldes des Magnetrons angeordnet ist und kann mit ^chalteinrichtungen ausgestattet sein, um die Schleife zu öffnen und zu schließen, um die Frequenz zu verändern. Sie könnte auch jeweils aus einer Einrichtung bestehen, um eine Gas- oder Elektronen-Entladung zu schaffen, welche die Hochfrequenzfelder im Magnetron beeinflußt, indem eine Frequenzveränderung durch Einschalten oder Ausschalten der Entladung bewirkt wird.

Wo die Veränderung des Zustandes einer Abstimmeinrichtung durch eine mechanische Bewegung der Einrichtung oder eines dieser zugeordneten Elementes bewirkt wird, ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß die Einrichtung oder das

109882/1753

Element zwei stabile Zustände des mechanischen Gleichgewichtes besitzt. Obwohl diese Jkcrdnung bevorzugt wird (sie bietet,unter anderen Vorteilen, eine ausgezeichnete Unempfindlichkeit gegen eine zufällige Veränderung der Frequenz aufgrund eines mechanischen Stoßes oder einer mechanischen Schwingung), besteht keine Notwendigkeit, daß die zwei Zustände der Abstimmung jeder Einrichtung durch eine quantitative Steuerung der hierzu vorgesehenen Steuereinrichtung erreicht werden können.

Vorzugsweise sind die erreichten Frequenzänderungen, welche P durch Veränderungen der Zustände der verschiedenen Abstimmeinrichtungen erreicht werden, verschieden und stehen zueinander in binärer Beziehung. Mit anderen Worten, wenn eine Einrichtung, wenn ihr Zustand verändert wird, eine Veränderung von χ MHz bewirkt, ist eine andere Einrichtung so angeordnet, daß sie eine Veränderung von 2x MHz bewirkt, eine dritte ist so angeordnet, daß sie eine Veränderung von 4-x MHz bewirkt... usw.. Somit kann durch Veränderung der Zustände von einer oder mehreren Abstimmeinrichtungen eine beliebige einer Vielzahl von verschiedenen Frequenzen erreicht werden, welche sich voneinander um χ MHz unterscheiden und sich über einen weiten Bereich erstrecken.

Die Steuereinrichtung zur Veränderung der Zustände der Abstimmeinrichtungen kann eine beliebige aus einer Vielfalt von Formen annehmen, z.B. könnte sie elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder piezoelektrisch sein (indem ein Kristall verwendet wird, z.B. ein ferroelektrischer Kristall wie Bleizirkonat oder Bariumtitanat von ausreichender Bewegungsfähigkeit). Die für einen beliebigen besonderen Fall vorgesehene Einrichtung hängt von den Erfordernissen ab und sollte offensichtlich dort, wo hohe Abstimmgeschwindigkeiten erforderlich sind, so ausgelegt sein, daß sie eine minimale Trägheit

109882/1753

besitzt. Unter diesem Gesichtspunkt sind piezoelektrische Steuereinrichtungen sehr gut. Es besteht jedoch keine Schwierigkeit, eine Abstimmgeschwindigkeit zu erreichen, wie sie aller Wahrscheinlichkeit nach gewünscht werden kann. Vie bereits ausgeführt wurde, wird die Auswahl einer Anordnung bevorzugt, in welcher bewegliche Elemente mit zwei stabilen Zuständen des mechanischen Gleichgewichtes ausgenutzt werden. Wenn es jedoch erwünscht ist, kann die Anordnung so getroffen werden, daß jedes bewegliche Element von einer vorgegebenen Stellung in die andere bewegt wird, indem hierzu vorgesehene Steuereinrichtungen verwendet werden, um den einen oder den anderen von zwei Werten einer Antriebskraft auszuüben. Wenn eine elektrische Steuereinrichtung verwendet wird, kann somit eine angelegte Spannung von geringem Wert verwendet werden, beispielsweise kann eine Spannung von weniger als 0,5 Volt vorgesehen sein, um das dadurch bewegte Element dazu zu veranlassen, eine bestimmte Stellung einzunehmen, während eine angelegte Spannung von beträchtlich größerem Wert, beispielsweise eine Spannung von mehr als 10 Volt dazu vorgesehen sein kann, um dieses Element dazu zu veranlassen, seine andere Stellung einzunehmen. Wenn jedes bewegliche Element zwei stabile Zustände des mechanischen Gleichgewichtes besitzt, so kann die Steuereinrichtung deshalb offensichtlich so ausgebildet sein, daß sie durch einfache Impulse betätigt wird, z.B. durch elektrische Impulse. In jedem Falle besteht keine Notwendigkeit für eine schwierige quantitative Steuerung der beweglichen Steuereinrichtung.

Wie jdbzt offensichtlich wird, ist die Erfindung erstaunlich gut für eine Frequenzsteuerung durch digitale Signale geeignet, welche beispielsweise von einem Eechner abgeleitet sind.

Die Abstimmeinrichtungen selbst können individuell in verschiedenen Hohlräumen eines herkömmlichen Multihohlraum-Magnetrons angeordnet sein, beispielsweise in einem Zylinder-

109882/1753

spaltmagnetron, oder sie können im Falle eines Koaxial-Magnetrons an verschiedenen Punkten im gemeinsamen Resonator desselben angebracht sein.

Im Falle eines Radarsystems, welches ein erfindungsgemäßes abstimmbares Magnetron verwendet, um die gesendete Frequenz zu liefern, kann der Abgleich der Abstimmung des Empfängers durch Einrichtungen erreicht werden, welche eine stufenweise Steuerung der Frequenz des .frequenzverändernden tjberlagerungsoszillators des Empfängers bewirken, wobei diese Einrichtungen mit der Abstimmsteuereinrichtung des Magnetrons kalibriert und zumindest annähernd abgeglichen sind. Ein annähernder Abgleich der Abstimmsteuereinrichtung des Empfängers ist im allgemeinen ausreichend, weil dies dazu führt, daß der Empfänger ausreichend nahe abgeglichen ist, um die normalerweise vorgesehene automatische Frequenzsteuerung des Empfängers in die Lage zu versetzen, den genaueren Abgleich aufzunehmen und aufrechtzuerhalten.

109882/1753

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser sind in schematischer Darstellung zwei der verschiedenen Ausführungsfonnen dargestellt, in welcher die Erfindung verkörpert sein kann. In diesen beiden Formen ist ein Magnetron bekannter Art dargestellt, welches ein Anodensystem mit radialen Platten aufweist. Es sind nur solche Teile des Magnetrons dargestellt, welche zu einem Verständnis der Erfindung erforderlich sind.

Gemäß der Darstellung der Fig. 1 umfaßt das Anodensystem des dort dargestellten Magnetrons einen Hauptanodenblockzylinder 1 mit radialen Platten 2 und den üblichen "Drahtbügeln"?. Neben, oberhalb auf Abstand angeordnet und sich teilweise über jede Platte erstreckend ist eine induktive Abstimmeinheit vorgesehen, welche aus einer bei 4- dargestellten induktiven Metallsperre besteht. Es sind nur zwei dieser Sperren dargestellt, normalerweise ist jedoch jeder Platte in ähnlicher Weise eine solche Sperre zugeordnet. Jede Sperre 4- ist in bezug auf ihre zugeordnete Platte 2 bewegbar und wird von einem piezoelektrischen Betätigungs- oder Steuerelement gehalten, welches schematisch bei 5 dargestellt ist. Jede piezoelektrische Betätigungselement ist so angeordnet, daß es eine Seitenbewegung seiner zugeordneten Sperre 4 erzeugt, wie es durch den doppelköpfigen Pfeil Σ dargestellt ist. Somit wird durch Erregung einer beliebigen besonderen piezoelektrischen Betätigungseinrichtung die dadurch betätigte Sperre in eine Extremstellung bewegt und kehrt in die andere zurück, wenn ihre Betätigungseinrichtung entregt ist. Wenn für die Betätigungseinrichtungen piezoelektrische Eristalle verwendet werden, welche dazu in der Lage sind, bei Erregung eine ausreichende mechanische Bewegung durchzuführen, kann eine geeignete erwünschte Frequenzänderung des Magne-

109882/1753

trons sehr rasch erreicht werden, indem eine beliebige Betätigungseinrichtung erregt oder entregt wird. Geeignete piezoelektrische Kristalle sind ferroelektrische Kristalle wie Bleizirkonat oder Bariumzirkonat. Durch geeignete Auslegung und Anordnung der Sperren und ihrer Betägigungs einrichtungen ist es möglich (und im allgemeinen bevorzugt)_s die Frequenzänderungen, welche durch Betätigung der verschiedenen Betätigungseinrichtungen hervorgerufen werden, so anzuordnen, daß sie verschieden und in einer binären Beziehung zueinander sind.

Eine selektive Erregung einer beliebigen oder einer beliebig ausgewählten Vielzahl von piezoelektrischen Betatigungseinrichtungen wird unter der Steuerung einer elektronischen Steuereinheit 6 durchgeführt, welche von einer beliebigen bekannten angepaßten Art sein kann, und zwar unter der Steuerung von digitalen oder anderen Steuersignalen, welche von einem Rechner oder einer anderen (nicht dargestellten) Quelle eingespeist werden, und zwar über den Eingangskreis 7» us¹ die Erregung der Betätigungseinrichtung oder der Kombination von Betätigungseinrichtungen auszuwählen, welche ausgewählt werden müssen, um die .gewünschte der selektierbaren Oszillations-Frequenzen zu erreichen, zu welchen das abstimmbare Magnetron ™ in der Lage ist. In der Fig. Λ ist angenommen, (kß das Magnetron die gesendete Frequenz eines Radarsystems liefern soll. Demgemäß ist die elektronische Steuereinheit 6 so ausgebildet, daß sie über einen Ausgangskreis 8 digitale oder andere Steuersignale liefern kann, um stufenweise die Abstimmung des normalerweise vorgesehenen Überlagerungsoszillators des (nicht dargestellten) Radarempfängers derart zu steuern, daß dann, wenn das Magnetron abgestimmt ist, eine bestimmte Frequenz zu liefern, der Überlagerungsoszillator auf eine solche Frequenz abgestimmt ist, daß der Empfänger wenigstens annähernd

109882/1753

auf die übertragene Frequenz abgestimmt ist. Es ist nicht erforderlich, daß die durch die Einheit 6 bewirkte Empfängerabstimmung präzise mit der übertragenen Frequenz übereinstimmt, es ist vielmehr ausreichend, wenn die auf diese Weise erzielte EmpfangerabStimmung für die normalerweise vorgesehene automatische Frequenzsteuerung hinreichend genau ist, um die erforderliche genauere Abstimmung zu erreichen.

Das in der Fig. 2 dargestellteMagnetron entspricht der in der Fig. 1 dargestellten Art, Jedoch ist die Abstimmung durch eine etwas unterschiedliche Anordnung erreicht, welche Jedoch ebenfalls piezoelektrisch betätigt ist. In der Fig. 2 ist nur eine Abstimmeinheit dargestellt, in der Praxis wird jedoch eine ähnliche Abstimmeinheit in jedem der Magnetronhohlräume verwendet. Diese sind natürlich jeweils zwischen zwei benachbarten Anodenplatten 2 angeordnet.

Die in der Fig. 2 dargestellte Abstimmeinheit ist im wesentlichen eine Einheit, welche dann, wenn sie betätigt wird, den Hohlraum, in welchem sie angeordnet ist, teilweise kurzschließt. Sie besteht aus einem Schalter, der aus den zwei Teilen 9 und 10 aufgebaut ist, von welchen das eine an der einen und das andere an der anderen von zwei benachbarten Platten 2 angebracht ist. Das Schaltteil 10 ist flexibel und berührt in einer seiner Stellungen das Teil 9ι um zwischen den zwei Platten einen geschlossenen Kreis zu bilden, wobei die Enden der zwei Teile mit geeigneten zusammenwirkenden Kontakten verbunden sind. Der so gebildete Schalter wird durch Biegung des Teils 10 mittels eines Isolierstiftes 12 geöffnet oder geschlossen, welcher durch eine geeignete öffnung in dem Anodenblockzylinder 1 hindurchgeht und stirnseitig durch eine über das Zentrum geführte Blattfeder 11 bewegbar ist, welche jeweils die eine von zwei stabilen Stellungen einnehmen kann, von denen

109882/1753

die eine in durchgezogener Linie und die andere in unterbrochener Linie dargestellt ist. Der Streifen 11 ist an einem Ende in einer festen Verankerung 14 verankert und ist am anderen Ende in einer piezoelektrischen Betätigungseinrichtung 13 befestigt, welche so ausgebildet ist, daß sie dann, wenn sie erregt oder entregt ist, das andere Ende des Streifens in die eine oder die andere von zwei Eichtungen bewegt, welche durch den doppelköpfigen Pfeil X angedeutet ist und somit den Streifen 11 von der einen seiner Stellungen in die andere überführt, um den Schalter 9-10 zu öffnen oder zu schließen.

Eine Anordnung, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist, ist normalerweise für jeden der Magnetronhohlräume vorgesehen. Durch geeignete Ausbildung und Anordnung der verschiedenen Partial-Kurzschluß-Einrichtungen in den verschiedenen Hohlräumen ist es möglich, die Frequenzveränderungen, welche durch Betätigung der verschiedenen Einrichtungen hervorgerufen werden, verschieden und in binärer Beziehung zueinander auszubilden.

Die piezoelektrischen Betätigungseinrichtungen in der Fig. 2 können in einer Art gesteuert sein, wie sie bereits in Verbindung mit der Pig. 1 beschrieben wurde, und zwar mittels einer elektronischen Steuereinheit, welche auch dazu dienen kann, wie es ebenfalls in Verbindung mit der Fig. 1 bereits beschrieben wurde, um eine digitale oder ähnliche Steuerung der Abstimmung des Überlagerungsoszillators eines Radarempfängers zu bewirken, um den Empfänger in Übereinstimmung mit dem Sender abzustimmen, dessen Oszillator das abstimmbare Magnetron gemäß der Darstellung in der Fig. 2 ist.

- Patentansprüche -

109882/1753

Claims

- 11 -

Patentansprüche

Abstimmbares Magnetron, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Abstinaeinrichtungen (4, 9» 10) vorgesehen ist, von denen {jede zwei Zustände "besitzt, welche zwei verschieden abgestimmte Frequenzen liefern und daß eine Steuereinrichtung (5j 6, 11, 13) vorhanden ist, um unabhängig die Zustände der Abstimmeinrichtungen (4, 9» 10) individuell oder in vorgegebenen Kombinationen der Einrichtungen (4, 9» 10) von dem einen zum anderen oder umgekehrt zu ändern.
2. Magnetron nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichn e t, daß Abstimmeinrichtungen vorgesehen sind, welche aus bewegbaren Metallelementen gebildet sind.
3. Magnetron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Abstimmeinrichtungen vorgesehen sind, welche aus beweglichen dielektrischen Elementen gebildet sind.
4. Magnetron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Abstimmeinrichtungen vorgesehen sind, welche durch leitende Schleifen gebildet sind, von denen jede in einem Bereich eines Magnetron-Hochfrequenzfeldes angeordnet ist und mit einer Schalteinrichtung zum öffnen und Schliessen der Schleife ausgestattet ist, um die Frequenz zu verändern.
5· Magnetron nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichn e t, daß eine Abstimmeinrichtung vorgesehen ist, welche mittels einer Einrichtung gebildet ist, um .eine Gas- oder Elektronen-Entladung zu erzeugen, welche die Hochfrequenzfelder in dem Magnetron beeinflußt, indem eine Prequenzveränderung durch Einschalten oder Ausschalten der Entladung bewirkt wird. 109882/1753
6. Magnetron nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel des Zustandes einer Abstimmeinrichtung durch mechanische Verschiebung der Einrichtung oder eines dieser zugeordneten Elementes bewirkt wird und daß diese Einrichtung oder dieses Element zwei stabile Zustände des mechanischen Gleichgewichtes besitzt.
7· Magnetron nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes bewegbare Element von der einen vorgegebenen Stellung in die andere durch eine Steuereinrichtung bewegt wird, welche zu diesem Zweck so angeordnet ist, daß sie den einen oder den anderen von zwei Werten der Antriebskraft ausübt.
8. Magnetron nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Veränderung der Zustände der Abstimmeinrichtung eine piezoelektrische Einrichtung ist.
9. Magnetron nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, daß die Veränderungen der !frequenz, welche durch Veränderung der Zustände der verschiedenen Abstinmieinrichtungen herbeigeführt werden, verschieden sind und zueinander in binärer Beziehung stehen, wodurch durch Veränderung der Zustände von einer oder von mehreren Abstimmeinrichtungen eine beliebige aus einer Vielzahl von verschiedenen Frequenzen erreicht werden können, welche sich voneinander um einen vorgegebenen JTrequenzbetrag unterschäden und sich über einen weiten Bereich erstrecken.

109882/1753
10. Multihohlraum-Magnetron nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennz ei chnet, daß die Abstimmeinrichtungen in individueller Weise in verschiedenen Hohlräumen des Hagnetrons eingepaßt sind.
11. Koaxialmagnetron nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmeinrichtungen an verschiedenen Punkten in dem gemeinsamen Resonator de_r Magnetrons angeordnet sind.
12. Radarsystem mit einem Radarsender, welcher ein abstimmbares Magnetron nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusammenwirkender Empfänger vorgesehen ist, dessen Abstimmung mit dem Sender übereinstimmt, daß die Übereinstimmung der Abstimmung des Empfängers durch eine Einrichtung erreicht ist, welche eine stufenweise Steuerung der Frequenz des die Frequenz verändernden Uberlagerungsoszillators des Empfängers bewirkt und daß die Einrichtung in bezug auf die Abstimmsteuereinrichtung des Magnetrons kalibriert und mit dieser zumindest teilweise abgestimmt ist.

109882/1753