DE2516103A1

DE2516103A1 - Mikrowellenroehre, insbesondere koaxialmagnetron

Info

Publication number: DE2516103A1
Application number: DE2516103A
Authority: DE
Inventors: Allen Andover William
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1974-04-18
Filing date: 1975-04-12
Publication date: 1975-10-30
Also published as: JPS5720660B2; FR2268351A1; JPS5198948A; FR2268351B1; US3914644A; DE2516103C2; GB1505123A

Description

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Koaxialmagnetron mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 2 den in Fig. 1 mit der Linie 2-2 umschlossenen Teil;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. zur Veranschaulichung des dielektrischen Abstinrnielementes in einer ersten Position;

Fig. 4 eine Fig. 3 ähnliche Darstellung der dielektrischen Abstimmstruktur in einer zweiten Position;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 2;

Fig. 6 ein Detail einer Fig. 2 entsprechenden Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 in Fig.

Das in Fig. 1 dargestellte Koaxialmagnetron 11 weist eine zylindrische Kathode 12 auf, mit der ein Elektronenstrom in einen ringförmigen Wechselwirkungsbereich emittiert wird, der zwischen der Kathode und einer diese umgebenden zylindrischen Anode 13 definiert wird, die eine kreisförmige Reihe von Anodenfahnen aufweist, die von der zylindrischen Anode 13 nach innen zur zentral angeordneten Kathode 12 hin vorstehen, um eine Mikrowellen-Wechselwirkungsleitung zu definieren. Eine kreisförmige Reihe von länglichen Schlitzen 15 ist in der zylindrischen Wand der Anode 13 vorgesehen, um für eine Schwingungsenergieverbindung mit alternierenden Fahnenresonatoren zu sorgen, die durch den Bereich zwischen benachbarten Fahnen 14 definiert sind.

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Ein toroidförmiger Hohlraumresonator 16 ist um die Anode herum in Austauschbeziehung hinsichtlich des elektromagnetischen Feldes mit den Fahnenresonatoren über Koppelschlitze 15 angeordnet. Da nur alternierende Fahnenresonatoren direkt mit dem toroidförmigen Hohlraum 16 gekoppelt sind, erregt der TT- Schwingungsmodus des Fahnenresonatorsystems den kreisförmigen elektrischen Modus T^₀₁₁ des Toroidresonators 16. Sin zylindrisches, schwingungsdurchlässiges Vakuumgefäß 17 ist um die zylindrische Anode 13 herum derart angeordnet, daß der Elektronenwechselwirkungsbereich zwischen der Kathode und den Anodenresonatoren 14 dadurch evakuiert v/erden kann, daß das Gehäuse 17 evakuiert wird, während es dem externen Resonator 16 möglich ist, unter Atmosphärendruck zu arbeiten oder mit einem geeigneten elektrisch isolierenden Gas, beispielsweise SFg, unter Druck gesetzt zu v/erden.

Zwei zylindrische Permanentmagnetstrukturen 18 sind innerhalb der Anode 13 koaxial im Abstand von der Kathode und auf beiden Seiten des Wechselwirkungsspaltes zwischen der Kathode 12 und den umgebenden Fahnenresonatoren 14 angeordnet. Die Permanentmagnete 18 sind so polarisiert, daß sie ein axial gerichtetes Magnetfeld durch den kreisförmigen Wechselwirkungsbereich zwischen den Spitzen der Fahnenresonatoren und dem- Kathodenemitter 12 erzeugen.

Der Toroidhohlraumresonator 16 wird durch den Raumbereich definiert, der durch die Außenseite der zylindrischen Anodenwand 13 und die Innenseite einer zylindrischen, koaxial in radialem Abstand angeordneten Wand 19 begrenzt wird. Die obere und die untere Stirnwand des Resonators 16 sind durch ringförmige elektrisch

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leitende Platten 21 und .22 definiert, die mit der äußeren Seitenwand 19 und dem Vakuumgefäß 17 vereinigt sind.

In Fig. 1-5 ist eine Abstimmstruktur 23 dargestellt, mit der eine Frequenzmodulation der Ausgangsfrequenz der Röhre bewirkt wird. Genauer gesagt, eine Reihe von , radial gerichteten elektrisch leitenden Inseln oder Fahnen 24 ist auf der Innenseite der oberen Wand 21 des Resonators 16 geformt, um eine Reihe von Blindbelastungselementen zu definieren, die mit den elektromagnetischen Feldern des' angeregten TEq₁^-Modus des Resonators 16 gekoppelt sind, um den Resonator 16 blind zu belasten. Ein zweites, drehbares Abstimmelement 25 wird durch eine ringförmige dielektrische Platte 26 gebildet, beispielsweise aus Keramik mit geringen Verlusten wie Tonerde, Beryllerde, Saphir, usw. Die ringförmige dielektrische Platte 26 weist eine Reihe von Öffnungen 27 auf, wobei der Stegteil der Platte, der zwischen benachbarten Öffnungen 27 verbleibt, eine kreisförmige Reihe von Feldstörelementen 28 definiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Öffnungen 27 in Umfangsrichtung in gleicher Vieise v/ie der Raum (Kerbe) zv/ischen benachbarten Fahnen 24, so daß, wenn die Winkelposition des drehbaren Abstimmelementes 25 die in Fig. 3 dargestellte ist, der induktive Blindbelastungseffekt der Blindbelastungselemente 24 minimal ist und deshalb die Ausgangsfrequenz der Röhre ihren höchsten Wert hat. Wenn das drehbare Feldstörelement 26 jedoch in die Position gedreht ist, in der die Störelemente 28 sich mit den

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(Kerben) zwischen benachbarten Blindbelastungselementen 24 decken, ist der Blindbelastungseffekt der Elemente 24 auf die Betriebsfrequenz des Hohlraums maximal, so daß diese Relativstellung der tiefsten Frequenz des Hohlraums entspricht.

Eine kreisförmige Reihe von axial gerichteten dielektrischen Lappen 29 des dielektrischen Abstimmelementes 25 ist am unteren Ende eines zylindrischen, leitenden Betätigungselementes 31 befestigt, beispielsweise angelötet, das durch einen ringförmigen Schlitz in der oberen Wand 21 des Resonators 16 hindurchreicht. Das zylindrische Betätigungselement 31 ist an einer Welle 32 befestigt (Fig. 1), die drehbar von einem schüsseiförmigen Gehäuse 33 mittels einer Lageranordnung 34 abgestützt wird. Ein Motor 35 ist an der Welle 32 befestigt, um die Welle und das Abstimmelement 25 zu drehen. Ein elektrischer Viechselstromgenerator 36 ist mit der Ausgangswelle des Motors gekuppelt, um ein zeitlich variables Ausgangssignal zu bilden, das der momentanen Frequenzabweichung der Ausgangsfrequenz der Röhre entspricht, wenn der Motor Betriebsdrehzahl erreicht hat. Dieses zeitlich veränderliche Signal wird dazu verwendet, den Empfänger eines Radars oder dergleichen auf die Betriebsfrequenz der Röhre 11 abzustimmen, um einen besseren Störsignalabstand zu erhalten.

Ausgangs-Mikrowellenenergie wird vom Koaxialresonator über eine übliche Ausgangs-Koppelblende 37 und einen Hohlleiter 38 abgenommen, um einer geeigneten Last zugeführt zu werden, beispielsweise einer nicht dargestellten Antenne. Wenn N Fahnen 24 und N Feldstörelemente vorgesehen sind, wird die Ausgangsfrequenz der Röhre

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2N-mal pro Umdrehung des drehbaren Abstimmelementes über das durchstiinmbare Band gewobbelt. Der Generator 36 hat deshalb vorzugsweise die gleiche Anzahl von Polen wie Blindbelastungselemente 24 vorhanden sind.

In Fig. 6 und 7 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform ist ähnlich der nach Fig. 1-5 mit der Ausnahme, daß das rotierende Abstimmelement 25' aus einem geschlitzten dielektrischen Zylinder 26* besteht, der mit einer Reihe von Öffnungen 27' (Schlitzen) versehen ist, wobei die Öffnungen den Nuten oder Zwischenräumen zwischen längs gerichteten Inseln oder Fahnen 24' entsprechen, die auf der. Innenseite der äußeren Seitenwand 19 des Hohlraums 16 vorgesehen sind. Die kreisförmige Anordnung von längs gerichteten Fahnen 24' dient als eine Reihe von Blindbelastungselementen zur induktiven Blindbelastung des Hohlraums 16.

Der Stegteil 28' zwischen benachbarten Öffnungen 27' des zylindrischen dielektrischen Elementes 26' dient als eine Reihe von Feldstörelementen in der gleichen Weise wie oben in Verbindung mit Fig. 3 und 4 beschrieben, um die Blindbelastung des Hohlraums 16 entsprechend der Relativposition der Feldstörteile 28' relativ zu den Inseln oder Fahnen 24' zu modulieren. Das zylindrische Abstimmelement 25' ist am metallischen zylindrischen Betätigungselement 31 befestigt, das seinerseits über die Achse 32 in Drehung versetzt wird, wie das in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde.

Es wurde also gezeigt, daß die Blindbelastungselemente längs der oberen" Wand 21 oder längs der Seitenwand 19 angeordnet werden können, gewünschtenfalls können sie

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auch längs der unteren Wand 22 angeordnet werden. Weiterhin können diese Blindbelastungselemente 24 und 24' sowohl längs der oberen Viand 21 und der unteren Wand als auch längs der Seitenwand 19 angeordnet werden, um einen größeren Abstimmbereich zu erhalten.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird die drehbare Abstimmeinrichtung 25 in einem Koaxialmagnetron der Art verwendet, bei der der Stabilisierungshohlraum 16 die Reihe von gekoppelten Fahnenresonatoren umgibt. Hierbei handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform, es ist jedoch auch eine andere Ausführungsform möglich, v/obei das Fahnenresonatorsystem 14 einen zentralen Resonator für den kreisförmigen elektrischen Modus umgibt (US-Patentschrift 3 231 781). Bei einer solchen Röhre könnte die obere Wand des zentralen Resonators die Reihe von radial gerichteten Fahnen 24 aufweisen und die drehbare dielektrische Platte würde eine Reihe von radial gerichteten Öffnungen aufweisen, um die Reihe von Störelementen 28 zu definieren.

Eine Röhre, die eine Abstimmeinrichtung nach der Erfindung enthält, weist die Möglichkeit auf, die Ausgangsfrequenz der Röhre über ein gewisses Frequenzband schnell hin und her zu zittern oder zu wobbeln. Ein Vorteil der Abstimmeinrichtung nach der Erfindung liegt darin, daß die dielektrische Abstimmstruktur nicht in einem Bereich kräftigen elektrischen Feldes angeordnet ist und weiterhin die Menge an Dielektrikum erheblich geringer ist als früher in der US-Patentschrift 3 312 285 vorgeschlagen, wobei der belastete Gütefaktor des Hohlraums unter einen brauchbaren Wert ■ reduziert wurde. Weiterhin wird mit der Abstimmeinrichtung nach der Erfindung eine erheblich größere

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Anzahl von Zähnen in der relativ drehbaren Abstimmstruktur verwendet, so daß die Rate, mit der das rotierende Abstimmelement gedreht werden muß, um eine gewisse Modulationsfrequenz zu erreichen, erheblich herabgesetzt ist, verglichen mit der Abstimmeinrichtung nach der erwähnten US-Patentschrift 3 412 285. Eine Herabsetzung der Drehzahl der Abstimmeinrichtung erhöht die Lebensdauer des Lagers und damit die Betriebslebensdauer der Röhre, oder, wenn bei der gleichen Drehzahl gearbeitet wird, ergibt sich eine erheblich höhere Rate der Frequenzmodulation der Ausgangsfrequenz der Röhre.

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Claims

V1 P400 D

Patentansprüche

/Mikrowellenröhre mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstroms, einem Mikrowellenkreis, der in der Nachbarschaft des Elektronenstroms in Mikrowellenenergie-Austauschbeziehung damit angeordnet ist, um Mikrowellenenergie auf dem Mikrowellenkreis zu erzeugen, einer Hohlraumresonatoreinrichtung, die in Mikrowellenenergie-Austauschbeziehung mit dem Mikrowellenkreis gekoppelt ist, um einen Resonanzmodus des Hohlraums anzuregen und die Betriebsfrequenz der Schwingungsenergie zu stabilisieren, die auf dem Mikrowellenkreis erzeugt wird, und einer Abstimmeinrichtung innerhalb des Hohlraumsresonators, die in Mikrowellenenergie-Austauschbeziehung mit dem angeregten Resonanzmodus des Hohlraums gekoppelt ist, um die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators und damit die Frequenz der auf der Mikrowellenleitung erzeugten Mikrowellenenergie abzustimmen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Abstimmeinrichtung eine Anzahl elektrisch leitender Blindbelastungselemente aufweist, die in Mikrowellenenergie-Austauschbeziehung mit den angeregten Feldern des angeregten Modus des Hohlraumresonators gekoppelt sind, um den Resonator blind zu belasten, eine Anzahl das elektromagnetische Feld störende Elemente, die in der Nachbarschaft der leitenden Blindbelastungselemente

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angeordnet sind und in Schwingungsenergie-Austauschbeziehung mit den angeregten Feldern des Hohlrauinresonators gekoppelt sind» und eine Einrichtung, mit der eine Relativbewegung zwischen den Blindbelastungselementen und den Feldstörelementen erzeugt wird, um eine zyklische Variation der Resonanzfrequenz des angeregten Modus des Hohlraumresonators und damit eine entsprechende zyklische Variation der Frequenz der Mikrowellenenergie zu bewirken, die auf der Mikrowellenleitung erzeugt wird.

Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl elektrisch leitender Blindbelastungselemente und die Anzahl Feldstörelemente aus gekrümmten Reihen von diesen Elementen bestehen und die Einrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung eine Einrichtung aufweist, mit der eine Relativdrehung einer der gekrümmten Reihen relativ zur anderen erzeugt wird.

Röhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator eine toroidförmige Kammer aufweist, die zwei in axialem Abstand befindliche, koaxial angeordnete ringförmige leitende Stirnwände aufweist und zwei in radialem Abstand koaxial angeordnete, sich axial in gleicher Weise erstreckende zylindrische Seitenwände aufweist, und daß die elektrisch leitenden Blindbelastungselemente längs wenigstens einer der Wände des Hohlraumresonators angeordnet sind.

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4. Röhre nach Anspruch 2 oder 3, dadurch feekennzeichnet, daß die Anzahl Feldstörelemente aus einer kreisförmigen Elementenreihe besteht, die angrenzend an die Anzahl der leitenden Blindbelastungselemente angeordnet sind, um den Blindbelastungseffekt der Blindbelastungselemente auf den Hohlraumresonator in Abhängigkeit von der Relativdrehung der Feldstörelemente und der leitenden Blindbelastungselemente zu variieren.

5. Röhre nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Blindbelastungselemente eine kreisförmige Anordnung von elektrisch leitenden Inseln bilden, die auf wenigstens einer der Wände der toroidförmigen Kammer gebildet sind.

6. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstörelemente dielektrische Elemente sind.

7. Röhre nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Koaxialmagnetron ist, das eine zylindrische Kathode, eine zylindrische Anode, die die Kathode umgibt und koaxial dazu ist, eine Reihe von Anodenfahnen, die sich radial von der Anodenwand einwärts erstrecken und eine Anzahl Anodenresonatoren bilden, einen äußeren koaxialen Hohlraumresonator, der die Anodenwand umgibt, wobei Koppelschlitze in der Anodenwand vorgesehen sind, um Energie von den Anodenresonatoren an den äußeren koaxialen Hohlraumresonator zu koppeln, aufweist, und die Abstimmeinrichtung in dem äußeren koaxialen Hohlraumresonator angeordnet ist.

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