DE2331908C3 - Magnetron mit einem abstimmbaren koaxialen Hauptresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetron mit einem koaxialen Hauptresonator, dessen Rcsonan/hohlraum in Umfangsrichtung beabstandete Bereiche modifizierter elektrischer Feldstärke aufweist und mindestens ein Absiimmelemeni enthält, welches derart an einem drehbaren Glied angeordnet ist, daß es bei Drehung des Gliedes nacheinander die beabstandeten Bereiche des Resonanzhohlraums durchläuft, um die Abstimmung des Resonators periodisch zu ändern.

Auf manchen technischen Gebieten wie /. B. beim sogenannten frcqucn/.bewcglichcn Radar sind Magnetrons mit einem Hauptresonator erwünscht, dessen Resonanzfrequenz sich periodisch und schnell ändern läßt. Es sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, eine periodische Verstimmung des Resonators durch Veränderung der Lage oder Orientierung irgendwelcher Abstimmelemente im oder am Rcsonanzhohlraum herbeizuführen. So kann man beispielsweise eine Stirnwand des koaxialen Hohlraums in einer Richtung parallel zu der Achse des Magnetrons vor und zurück bewegen, um die Hohlraumabstimmung zu varrieren. Bei anderen Methoden wird die Tatsache ausgenutzt, daß ein in den Resonanzhohlraum eingebrachter Körper aus dielektrischem Material die Resonanzfrequenz um so stärker herabsetzt, je mehr er von elektrischen Feldlinien durchdrungen wird. Da beim ίο Hoii-Schwingungsmodus eines koaxialen Hohlraumresonators die Verteilung der elektrischen Feldstärke normalerweise rotationssymmetrisch ist und das elektrische Feld somit nur an Orten unterschiedlicher Radien verschieden stark sein kann, gehen viele bekannte IS Abstimmechanismen dahin, die dieelektrischen Körper in einem solchen Feld in radialer Richtung zu bewegen:

Aus der USA.-Patentschrift 34 35 284 ist es beispielsweise bekannt, stabförmige dielektrische Körper aus dem Bereich niedriger elektrischer Feldstärke in der Nähe der zylindrischen Resonatorwand in den Bereich höherer elektrischer Feldstärke mitten zwischen den Resonatorwänden zu bringen, indem man sie entweder mittels eines Gelenkhebelwerks von der Wand her in den Resonanzraum hineinschwenkt oder auf einer bezüglich der Resonatorachse exzentrischen Kreisbahn bewegt. Ein anderer, in der Deutschen Auslegeschrift 20 56 398 beschriebener Vorschlag geht dahin, innerhalb des koaxialen Hohlraums eine Vielzahl von Flügeln aus dielektrischem Material vorzusehen, die um Achsen parallel zur Resonatorachse gedreht werden können, so daß sie periodisch einmal quer und einmal längs zu den elektrischen Feldlinien ausgerichtet sind. Die einzelnen Drehachsen liegen auf einem imaginären Kreis in der Mitte zwischen der äußeren und der inneren Hohlraumwand, wo die Feldstärke maximal ist. In ihrer Längsstellung liegen die Flügel praktisch vollständig im Bereich hoher Feldstärke, während in der Querstellung nur ein kleiner Tc.I jedes Flügels in diesem Bereich liegt. In der Längsstellung der Flügel wird daher die Frequenz des Hohlraums stärker reduziert als in der Querstellung. Somit wird bei Drehung der Flügel die Hohlraumfrequenz periodisch varriert, wobei ein maximaler Frequenzhub erhalten wird, wenn alle Flügel synchron gedreht werden.

Die vorstehenden Ausführungsformen haben jedoch verschiedene Nachteile. Das periodische Hin- und Herbewegen einer Stirnwand des Resonators oder das periodische Verschwenken von Abstimmgliedern stößt bei schnellen Abstimmgeschwindigkeiten von z. B. mehr als 200 Perioden je Sekunde auf Schwierigkeiten, weil sich hier sehr hohe Beschleunigungen ergeben, die zu starken mechanischen Beanspruchungen der sich bewegenden Teile führen. Auch sind hier ebenso wie bei einer exzentrischen Drehung von Abslimmgliedern oder bei einer Bewegung von vielen Flügeln im Resonanzhohlraum relativ komplizierte Antriebsmittel und Getriebe notwendig. Auch erfordern die beschriebenen Vorrichtungen mechanische Durchführungen an den Resonatorwänden, die schwer abzudichten sind, um ein Austreten von Störs'rahlung oder Gasdruck zu verhindern. Insbesondere bei Hochleistungsmagnetrons ist es nämlich häufig erforderlich, das innere des Hauptresonators unter Druck zu setzen. Ein solcher Druck kann unter Umständen auch den bewegten

f>5 Abstimmglicdcrn einen beträchtlichen Gasreibungswiderstand entgegensetzen, der insbesondere bei der oben beschriebenen flügelartigen Ausbildung der Abslimmelcmcnte schnelle Abstimmgeschwindigkeiten

nicht zuläßt.

Es ist daher vorteilhafter, einen abstimmbaren koaxialen Hauptresonator für ein Magnetron in der eingangs erwähnten Weise auszubilden, d.h. im Resonanzhohlraum in Umfangsrichuing beabstandete Bereiche modifizierter elektrischer Feldstärke zu schaffen, die zur periodischen Änderung der Abstimmung von einem oder mehreren Abstimmgliedern durchlaufen werden. Hier brauchen die Abstimmglieder, um periodisch in Bereiche unterschiedlicher elektrischer '° Feldstärke zu gelangen, nicht in radialer Richtung bewegt oder bezüglich der Radier, des Resonators verschieden ausgerichtet zu werden, sondern sie können auf einer mit der Resonatorachse konzentrischen Kreisbahn umlaufen, was in mechanischer Hinsicht '5 wesentlich einfacher ist und in Übereinstimmung mit der koaxialen Konstruktion des ganzen Magnetrons zu einem wesentlich kompakteren Aufbau führt.

Bei einem aus der USA.-Patentschrift 34 12 285 bekannten Magnetron dieser Art werden die Bereiche *° modifizierter elektrischer Feldstärke durch feststehende Zylindersegmente aus feldkon/entrierendem Material gebildet, die sich über diskrete Bogenstücke in Umfangsrichtung etwa mitten zwischen der zylindrischen Außenwand und der zylindrischen Innenwand des *5 koaxialen Resonators erstrecken. Die beweglichen Abstimmglieder in Form ähnlich ausgebildeter Segmente laufen bei ihrer Bewegung an den festen Segmenten vorbei, und ihr frequenzvermindernder Einfluß soll am niedrigsten sein, wenn sie winkelmäßig mit den festen Segmenten ausgerichtet sind. d. h. gerade an den festen Segmenten vorbeilaufen. Wenn die beweglichen Glieder winkelmäßig versetzt zu den festen Segmenten liegen, sollen sie die Resonatorfrequenz am meisten vermindern.

Es ist jedoch nicht anzunehmen, daß man mit einer derartigen Anordnung einen zufriedenstellenden Abstimmbetrieb erreicht. Wenn der bekannte koaxiale Resonator wie angegeben im Hon-Modus schwingt, erstrecken sich die festen feldkonzentrierenden Segmente längs der Ringzone maximaler elektrischer Feldstärke, was die Gefahr hoher Verluste mit sich bringt. Es ist auch zu bezweifeln, daß die festen feldkonzentrierenden Segmente am Ort einer an sich schon hohen Feldlinienkonzentration zu einer solchen Modifizierung der elektrischen Feldstärke fuhren, die den frequenzvermindernden Einfluß der beweglichen Abstimmelemente in der Nachbarschaft der festen Segmente geringer sein läßt als zwischen den Segmenten. Vielmehr ist zu befürchten, daß durch die in der USA.-Patentschrift 34 12 285 beschriebene Ausbildung und Lage der feldkonzentrierenden Segmente die Anregung anderer Schwingungstypen gegenüber dem eigentlich gewünschten Hon-Modus begünstigt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Magnetron mit einem abstimrnbaren koaxialen Haupiresonator der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß er eine zuverlässige periodische Abstimmung ermöglicht, ohne daß hohe Verlustleistungen und die Gefahr ungewollter Schwingiingstypen in Kauf genom- <>o men werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bereiche modifizierter elektrischer Feldstärke durch einen oder mehrere leitende Radialvorsprünge an einer der zylindrischen Wandungen des llauptresonators gebildet sind, die sich über jeweils ein vorgegebenes Bogenstück und so weil in den Resonan/hohlraum hinein erstrecken, daß die zwischen den Resonatorwandüngen hindurchlaufenden elektrischen Feldlinien einer elektromagnetischen Hohlraumre.sonanz durch den zwischen jedem Vorsprung und der gegenüberliegenden Resonatorwand gebildeten Engpaß treten, und daß das Abstimmelement aus einem dielektrischen Material besteht.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung liegen die das elektrische Feld modifizierenden Elemente als Vorsprünge einer Resonaiorwand nicht im Bereich maximaler elektrischer Feldstärke. Sie konzentrieren das elektrische Feld nicht in sich sondern drängen es gleichsam in den zwischen ihnen und der gegenüberliegenden Resonatorwand gebildeten Engpaß. D.h., die elektrischen Feldlinien werden im Bereich der Vorsprünge von der einen Resonatorwand fort auf die andere Resonatorwand hin konzentriert, d. h. die Feldkonzentration findet im Medium des Hohlraums statt, welches am wenigsten verlustbehaftet ist. Die Gefahr einer Modenwandlung durch die Vorsprünge ist gering, da die Vorsprünge erfindungsgemäß nur so weil in den Hohlraum reichen, daß das Hindurchtreten der elektrischen Feldlinien durch den Engpaß gewahrleistet ist. d. h. daß sich die Vorsprünge nicht mit einem Bereich hoher Feldstärke schneiden und dadurch elektrische Feldlinien auf ihnen enden können.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das drehbare Glied ein Zylinder aus Dielektrikum, dessen Umfang durch die Engpässe an den Vorsprüngen läuft, und isi jedes Abstimmelement ein Abschnitt in der Wand des Zylinders, der aus einem Material mit wesentlich höherer Dielektrizitätskonstante als der restliche Teil des Zylinders besteht. Diese Ausbildung des Drehgliedes und der Abstinimelemenie als kompakter Zylinder führt zu einem geringen Gasreibungswiderstand, was besonders hohe Abstimmgeschwindigkeiten zuläßt. Bei ihrer Wanderung durch die Engpässe sind die Abstimmelemente einer erhöhten Feldstärke ausgesetzt, so daß ihr frequenzmindernder Einfluß jeweils am stärksten ist (d. h. die Resonatorfrequenz am niedrigsten ist), wenn sie in einer mit den Vorsprüngen ausgerichteten Stellung sind.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann man jeden Vorsprung mit einem in Umfangsrichtung" des Hauptresonators verlaufenden Schlitz versehen und dabei jedes Absiimmelement am Drehglied so anordnen, daß es bei Drehung des Drehgliedes durch den Schlitz hindurchläuft. Da das elektrische Feld am Ort der Vorsprünge von der die Vorsprünge tragenden Resonatorwund fortgedrängt wird, treffen die Abstimmelemente in den Schützen praktisch auf einen feldfreien Raum, während sie im Bereich zwischen den Vorsprüngen eine noch merkliche elektrische Feldstärke vorfinden. Bei dieser Ausführungsform ist somit der frequen/.mindernde Einfluß der Abstimmelemente am größten (d. h. die Resonatorfrequenz am niedrigsten), wenn die Abstimmelemente in einer nicht mit den Vorsprüngen ausgerichteten Stellung stehen.

Bei der letztgenannten Ausführungsform kann das Drehglied vorzugsweise einen Flansch oder eine Scheibe bilden, die mit ihrem äußeren Bereich durch Hie Sehlitze in den Vorsprüngen geht, wobei jedes Absiimmelement ein Abschnitt des Flansches oder der Scheibe ist, der aus einem Material mil wesentlich höherer Dielektrizitätskonstante als der restliche Teil bestehi. Diese Ausbildung führt zu einem niedrigen Gasreibungswidersiand beim Drehen der Abstimmelemente.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführimgsbeispiclen anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. I und 2 zeigen in zueinander senkrechten Sehnittansichten eines Magnetrons mit koaxialem Hauptresonator den Verlauf der elektrischen und magnetischen Feldlinien und die Ströme für eine Hon-Resonatorschwingung, wobei Abslimmcinrichtungen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet sind.

Fig.3 und 4 zeigen zwei zueinander senkrechte Schnitlansichten einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5 und 6 zeigen zwei zueinander senkrechte Schnittansichten einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche oder entsprechende Teile jeweils mit den denselben Bczugszahlcn bezeichnet.

Gemäß den F i g. 1 und 2 hat ein koaxiales Magnetron eine axiale Kathode 1, eine innere Anode 2. die den Koppelraum umgibt, radiale Flügel 3, die von der Anode 2 zu der Kathode nach innen vorspringen, sowie eine äußere koaxiale Wand 4, die mit der Anode 2 einen koaxialen ringförmigen Resonanzhohlraum (Hauptresonator) umschließt. Die Richtung des elektrischen Feldes im Resonanzhohlraum ist durch den gestrichelten Pfeil E in Fig. 1 dargestellt; die Richtung des Magnetfeldes ist durch den gestrichelten Pfeil B in F i g. 2 dargestellt: und die Richtungen der Ströme in der Anode 2 und der Außenwand 4 des Haupthohlraums Mnd durch die gestrichelten Pfeile / dargestellt. Das elektrische Feld hat eine maximale Intensität etwa in der Mitte zwischen der Anode 2 und der Außenwand 4. Wie aus der Darstellung hervorgeht, haben weder die elektrischen Feldlinien noch die Stromflußlinien irgendwelche axiale Komponenten.

Die Fig. 1 und 2 zeigen das Magnetron ohne Abstimmeinrichtung für den Resonator, d. h. die elektrische Feldstärke verteilt sich gleichmäßig um den Umfang.

Um nun im Resonanzhohlraum in Umfangsrichtung beabstandete Bereiche modifizierter elektrischer Feldstärke zu schaffen, sind gemäß den F i g. 3 und 4 an der Außenwand 4 des Haupthohlraums zwei gleiche entgegengesetzt angeordnete und nach innen gerichtete Vorsprünge 41 vorgesehen, so daß die innere Oberfläche der Außenwand 4 nach innen abgestuft ist. An den Stellen dieser Vorsprünge 41 Ut der den elektrischen Feldlinien dargebotene Querschnitt reduziert, d. h. zwischen den Vorsprüngen 41 und der gegenüberliegenden inneren Resonatorwand 2 ist ein Engpaß für die elektrischen Feldlinien gebildet. In diesem Engpaß sind die elektrischen Feldlinien dichter, so daß dort eine erhöhte Feldstärke vorhanden ist.

Im Resonanzhohlraum ist ein Drehglied in Form eines Zylinders 5 aus dielektrischem Material angeordnet, der auf einer Stirnscheibe 51 angeordnet ist oder dieser angeformt ist. Der Zylinder 5 hat diametral gegenüberliegende Abschnitte 52 aus einem Material, welches die wesentlich höhere Dielektrizitätskonstante als der übrige Teil des Zylinders aufweist. Der Zylinder 5 ist koaxial mit den Resonatorwänden 2 und 4 so angeordnet,. daß sein Umfang durch die Engpässe zwischen den Vorsprüngen 41 und der inneren Resonalorwand 2 läuft.

Die Abschnitte 52 höherer Dielektrizitätskonstante bilden die beweglichen Abstimmelemente für den Resonator. In der in F i g. 3 gezeigten Stellung liegen die Elemente 52 in Bereichen geringerer Feldstärke als in einer 90' dazu versetzten Stellung, wo sie auf eine höhere Feldstärke in den Engpässen treffen. In der Stellung nach F i g. 3 ist somit der vermindernde Einfluß der Elemente auf die Resonanzfrequenz am niedrigsten,

d. h. die Resonanzfrequenz ist hier am höchsten. Wenn sich das Drehglied um 90° gedreht hat und die Elemente 52 auf das stärkere Feld in den Engpässen treffen, dann ist ihr frequenzmindcrndcr Einfluß am stärksten, d, h. die Resonatorfrequenz ist hier am niedrigsten.

ίο Man kann die beweglichen Abstimmelemente 52 auch als einzelne oder getrennte Glieder ausbilden, d. h. die anderen Teile des Zylinders 5 können fortgelassen werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die voreilenden und nacheilenden Kanten der Glieder 52 zuzuspitzen oder in anderer Weise so zu koniurieren, daß sich bei ihrer Bewegung ein möglichst geringer Luftwiderstand ergibt.

In den F i g. 3 und 4 sind nur zwei einwärts gerichtete Vorsprünge 41 und nur zwei dielektrische Abstimmelemente dargestellt. Die Anzahl der Vorsprünge und/oder der dielektrischen Abstimmelemente kann jedoch erhöht werden mit der Folge, daß die Anzahl der zyklischen Abstimmungsänderungen bei einer Umdrehung des Drehgliedes zunimmt. Allerdings kann hierbei die Variaiionsbrcilc der Resonatorfrequenz kleiner werden, weil bei einer erhöhten Anzahl von Vorsprüngen die Unterschiede zwischen minimaler und maximaler Feldstärke in der Bahn der Abstimmelemente nicht mehr so ausgeprägt sind.

Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform ist die Außenwand des Haupthohlraums wiederum mit nach innen gerichteten Vorsprüngen 41 versehen, die jedoch in Umfangsrichtung verlaufende Radialvcrtiefungcn oder Schlitze 42 aufweisen. Das Drehglied hat hier die Form eines Flansches 6, dessen vorspringender Rand segmentförmige Abschnitte 6l· aufweist, die eine wesentlich höhere Dielektrizitätskonstante als der übrige Teil des Flansches haben und auf diese Weise die dielektrischen Abstimmelemente bilden.

Der Flansch sitzt derart an einem Tragzylinder 62 auf einer Stirnscheibe 63, daß der vorspringende Rand mit den Absiimmelementen 61 durch die Schlitze 42 läuft. Man kann die Teile des Flansches zwischen den dielektrischen Abstimmelementen 61 auch fortlassen.

Wenn sich die dielektrischen Abstimmelemente 61 innerhalb der Schlitze 42 befinden, dann haben sie den geringsten Effekt auf die Resonanzfrequenz des Hohlraums, da hier praktisch kein elektrisches Feid vorhanden ist. Wenn sich jedoch das Drehglied um 90° aus der in Fig.5 gezeigten Stellung gedreht hat, befinden sich die Abstimmelemente 61 in Bereichen elektrischer Feldstärke, so daß hier ihr Einfluß auf die Resonanzfrequenz am höchsten ist.

Ähnlich wie bei der Ausführungsform nach den F i g. 3 und 4 können mehr als zwei Vorsprünge und/oder dielektrische Abstimmelemente vorgesehen sein. Für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb können irgendwelche geeignete Mittel vorgesehen werden, beispielsweise Verstärkungsringe, um eine Bewegung der dielektri-

^o sehen Abstimmelemente nach außen unter Einwirkung der Zentrifugalkraft zu verhindern, falls die dielektrischen Abstimmelemente getrennte Körper darstellen.

Die sich über ein bestimmtes Bogenstück des Resonatorumfangs erstreckenden leitenden Vorsprünge 41 seien vorzugsweise wie vorstehend beschrieben an der zylindrischen Außenwand des Resonators angeordnet. Sie können sich jedoch auch an der Innenwand des Resonators befinden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Magnetron mit einem koaxialen Hauptresonator, dessen Resonanzhohlraum in Umfangsrichtung beabstandete Bereiche modifizierter elektrischer Feldstärke aufweist und mindestens ein Abstimmelement enthält, welches derart an einem drehbaren Glied angeordnet ist, daß es bei Drehung des Gliedes nacheinander die beabstandeten Bereiche des Resonanzhohlraums durchläuft, um die Abstimmung des Resonators periodisch zu ändern, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche modifizierter elektrischer Feldstärke durch einen oder mehrere leitende Radialvorsprünge (41) an einer der zylindrischen Wandungen (z. B. 4) des Hauptresonators gebildet smd, die sich über jeweils ein vorgegebenes Bogenstück und so weit in den Resonanzhohlraum hinein erstrecken, daß die zwischen den Resonatorwandungen (4, 2) hindurchlaufenden elektrischen Feldlinien einer elektromagnetischen Hohlraumresonanz durch den zwischen jedem Vorsprung und der gegenüberliegenden Resonatorwand (z. B. 2) gebildeten Engpaß treten, und daß das Abstimmelement (52 oder 61) aus einem dielektrischen Material besteht.

2. Magnetron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Glied (5) ein Zylinder aus Dielektrikum ist, dessen Umfang durch die Engpässe zwischen den Vorsprüngen (41) läuft, und daß jedes Abstimmelement ein Abschnitt (52) der Wand des Zylinders ist, der aus einem Materal mit wesentlich höherer Dielektrizitätskonstante als der restliche Teil des Zylinders besteht (F i g. 3 ur.d 4).

3. Magnetron nach Anspruch 1, dadurch geken,-zeichnet, daß jeder Vorsprung (41) einen in Umfangsrichtung des Hanptreson;Uors verlaufenden Schlitz (42) aufweist und daß jedes Abstimmelement (61) am Drehglied (62) so angeordnet ist, daß es bei Drehung des Drehgliedes durch den Schlitz hindurchläuft.

4. Magnetron nach <\nspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehglied (62) einen Flansch oder eine Scheibe bildet, die mit ihrem äußeren Bereich durch die Schlitze (42) in den Vorsprüngen (41) geht, und daß jedes Abstimmelement ein Abschnitt (61) des Flansches oder der Scheibe ist. der aus einem Material mit wesentlich höherer Dielektrizitätskonstante als der restliche Teil besteht.