DE2907161A1

DE2907161A1 - Magnetron

Info

Publication number: DE2907161A1
Application number: DE19792907161
Authority: DE
Inventors: Kazou Kaneko
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-02-24
Filing date: 1979-02-23
Publication date: 1979-08-30
Also published as: US4277723A; DE2907161C2; NL7901431A; GB2017399B; JPS54113241A; GB2017399A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Magnetron

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Magnetron, insbesondere zur Anwendung in Mikrowellenherden.

Üblicherweise wird für den wirksamen Betrieb eines Magnetrons ein sehr starkes magnetisches Feld benötigt. Zu diesem Zweck ist es bisher üblich, außerhalb des Magnetrons große Magnete anzuordnen. Durch die Entwicklung neuer Magnetwerkstoffe ist es seit einiger Zeit möglich, einen kleinen Magnet, der jedoch ein sehr starkes magnetisches Feld erzeugen kann, zu verwenden, und infolgedessen kann der Magnet nunmehr im Inneren des Magnetrons angeordnet sein, Dadurch ist eine beträchtliche Miniaturisierung des Magnetrons erzielbar.

In ein bekanntes Magnetron nach Fig. 1 sind Dauermagnete eingesetzt. Ein Anodenzylinder 1 besteht aus einem ferromagnetischen

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Werkstoff. Ebenfalls aus einem ferromagnetisehen Werkstoff bestehende Joche 13 und 14 sind am Oberende bzw. am Unterende des hohlen Anodenzylinders 1 angeordnet. Dauermagnete 11 und 12 sind auf den Jochen 13 und 14 im Inneren des Magnetrons mit Haltern 15 und 16 aus nichtmagnetischem Werkstoff befestigt. Bei dem gezeigten Magnetron wird angenommen, daß der Dauermagnet 11 ringförmig und der Dauermagnet 12 scheibenförmig ausgebildet ist; beide Magnete sind in Richtung der Dicke, d, h. in Richtung der Vertikalachse X, des Magnetrons magnetisiert. Eine Kathode 3 ist mit Zuleitungen 31 für eine Heizvorrichtung lagefest aufgehängt. Die Zuleitungen 31 sind ihrerseits an einem Isolator 33 befestigt. In der Innenwand des Anodenzylinders 1 sind mehrere Stege 4 ausgebildet und gleichmäßig in kreisförmiger Anordnung koaxial mit der Kathode 3 verteilt. In bekannter Weise wird die Mikrowellenenergie in Wechselwirkungsräumen erzeugt, die zwischen der Kathode 3 und den Stegen 4 in dem von den Dauermagneten 11 und 12 erzeugten Magnetfeld gebildet sind. Die so erzeugte Mikrowellenenergie wird durch einen Leiter 51 zu einer kappenförmigen Antenne 53 geleitet und von dieser nach außen abgestrahlt. Eine Isolierhülse 55 aus einem Dielektrikum dient zur Isolation von Hochfrequenzenergie. Der ferromagnetische Anodenzylinder 1 dient ferner als Joch, durch das der Magnetfluß geleitet wird.

Bei dem erläuterten bekannten Magnetron ist die Auskopplungsantenne 53 an einer Stelle angeordnet, die in bezug auf die Mittenachse X des Magnetrons stark seitlich versetzt ist, wie deutlich aus Fig. 1 hervorgeht. Infolgedessen ergeben sich bei diesem, innen angeordnete Magnete aufweisenden Magnetron im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei der die Dauermagnete außerhalb angeordnet sind und die Auskopplungsantenne konzentrisch zur Mittenachse des Magnetrons liegt, gewisse Schwierigkeiten beim Einbau des Magnetrons in einen Hohlleiter, einen Mikrowellenherd od. dgl. D. h., aufgrund der asymmetrischen Lage der Auskopplungsantenne hat eine Halterung zum ortsfesten Haltern

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des Magnetrons notwendigerweise eine asymmetrische Lage und/ oder einen Ungleichgewichtszustand im Hohlleiter od. dgl., wodurch die Montageschritte zum Einbau des Magnetrons sehr kompliziert und damit zeitaufwendig werden. Aufgrund der asymmetrischen Lage der Auskopplungsantenne können ferner Situationen auftreten, in denen die zum Haltern des Magnetrons erforderliche Kraft ungleichmäßig in der Halterung verteilt ist, wodurch ein Leistungsabfall und schließlich eine Beschädigung und Zerstörung des Magnetrons auftreten können, insbesondere , wenn durch im Magnetron erzeugte Wärme unerwünschte Wärmespannungen auftreten.

Unabhängig von der vorstehend erläuterten Geometrie des Magnetrons besteht bei dem bekannten Magnetron die Gefahr, daß zusätzlich zu den mit der Grundfrequenz schwingenden Mikrowellen unerwünschte bzw. unnötige Frequenzkomponenten mit höheren und niedrigeren Frequenzen als die Grundfrequenz erzeugt werden«, Z. B. werden bei einem zur Verwendung in einem Mikrowellenherd bestimmten Magnetron mit einer Grundfrequenz von 2450 MHz unnötige oder unerwünschte Mikrowellen in einem Bereich von ±200 bis ±300 ΜΗζ_Ρ bezogen auf die Grundfrequena, erzeugtρ was häufig eine Schwierigkeit bei der Konstruktion von Mikrowellenherden bildet, Tatsächlich ist durch gesetzliche Bestimmungen festgelegt, daß die Frequenz eines Mikro= wellenherds im Bereich von 2450 ±50 MHz liegen muß„ Um diese strengen gesetzlichen Bestimmungen einhalten zu können^ müssen Mittel vorgesehen werden,» um ein Austreten der vorher genannten. unerwünschten Frequenzanteile zu verhindern,, Im Pail von Mikro-= wellenherden maß ferner die Leckage der Grondfrequenzkomponente von 2450 MEs "bestimmungsgemäß auf einen vernaehlässigbaren Energiepegel vermindert werden«, Infolgedessen sind bei der Konstruktion der Mittel zum Verhindern des .Austritts von Mikrowellenenergie an der Herdtür od₀ dgl_o des Heiaraums des Milcro= wellenherds mehrere Frequenzen zu berücksichtigen;, wenn die un-

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erwünschten Frequenzkomponenten von der Grundfrequenz stark abweichen. Somit werden die Mittel zum Verhindern des Austritts von Mikrowellen bei den bisherigen Magnetrons sehr kompliziert und sind mit erhöhten Herstellungskosten verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Magnetrons, das z, B. in einen Mikrowellenherd in wesentlich einfacherer Weise als bisher einbaubar ist, wobei keine leistungsverschlechterung bzw. Beschädigung oder Zerstörung des Magnetrons auftritt; dabei soll das Magnetron bevorzugt und vorteilhafterweise in Mikrowellenherden verwendbar sein.

Bei dem Magnetron nach der Erfindung ist vorgesehen, daß Dauermagnete auf einer oberen bzw, einer unteren Seite von eine Kathode umgebenden Stegen angeordnet sind, wobei der untere Dauermagnet kreisförmig und mit der Mittenachse des Magnetrons koaxial angeordnet ist. Die Kopplung zwischen der die Mikrowellenenergie auskoppelnden Antenne und den Stegen erfolgt durch einen koaxialen Hohlraumresonator zwischen den Stegen und der Auskopplungsantenne und durch Anschließen der Auskopplungsantenne an einen Innenleiter des koaxialen Hohlraumresonators, wodurch der Aufbau des Magnetrons symmetrisch ist und gleichzeitig eine Leckage von unerwünschten Mikrowellenkomponenten dadurch verhindert wird, daß der Hohlraumresonator als Filter wirkt.

Die Kopplung zwischen den Stegen und dem Hohlraumresonator erfolgt vorteilhafterweise entweder durch eine Trennplatte, in der Kopplungsöffnungen ausgebildet sind,, oder durch eine Trennplatte, durch die zusätzlich zu den Kopplungsöffnungen noch Kopplungsleiter verlaufen.

Durch die Erfindung wird also ein Magnetron für Mikrowellenherde angegeben, mit einem Anodenzylinder, der Weehselwirkungsräume zum Erzeugen von Mikrowellen, sowie einen vom Anodensylinder aus-

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gehenden Zylinderabschnitt aufweist. Eine scheibenförmige Trennplatte mit mehreren Kopplungsöffnungen ist in dem Zylinderabschnitt angeordnet, wodurch ein koaxialer Hohlraumresonator gebildet ist. Die Kopplungsöffnungen der !Trennplatte liegen in der Nähe von in den Wechselwirkungsräumen zum Erzeugen der Mikrowellen liegenden Stegen und sind jeweils mit jedem zweiten Steg ausgerichtet. Ein Innenleiter des koaxialen Hohlraumresonators ist an seinem einen Ende mit der Trennplatte verbunden, und sein anderes Ende verläuft zum Ende des Anodenzylinders. Die Mittenachse des Hohlraumresonators fällt im wesentlichen mit derjenigen des Anodenzylinders zusammen. Das Ende des eine Verlängerung des Anodenzylinders bildenden Zylinderabschnitts ist von einer Leiterplatte über einen zwischen dieser und dem äußeren Endabschnitt des Innenleiters liegenden Isolator verschlossen. Eine mit dem Innenleiter auf der Seite des geschlossenen Endes verbundene Auskopplungsantenne steht in koaxialer Ausrichtung mit dem Anodenzylinder nach außen vor.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Pig, 1 einen Yertikalschnitt durch einen Hauptteil eines typischen bekannten Magnetrons, in dem Dauermagnete angeordnet sind;

Pig. 2 einen Vertikalschnitt durch einen Hauptteil einer Ausführungsform des Magnetrons nach der Erfindung;

Fig* 3 eine Draufsicht von unten auf das Magnetron nach Pig. 2, wobei die Lagebeziehungen zwischen den Stegen und einer Trennplatte mit Kopplungsöffnungen gezeigt sind;

Pig. 4 eine Explosionsansicht nach Pig. 5 zur Verdeutlichung der Wirkungsweise zwischen den Stegen und der Trennplatte; und

Pig. 5 eine Schnittansicht eines Hauptteils einer weiteren Ausführungsform des Magnetrons.

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In Pig. 2 sind Teile mit gleichen !Punktionen wie entsprechende Teile nach Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem Magnetron nach Pig. 2 umfaßt ein zylindrischer Anodenkörper aus einem ferromagnetischen Werkstoff einen eigentlichen Anodenzylinder la, der nach unten Ms unter einen unteren Dauermagnet 12 verläuft und Wechselwirkungsräume des Magnetrons bildet, und einen Außenleiter Ib eines koaxialen Hohlraumresonators 71. Der nach unten verlaufende Außenleiter Ib ist zwar als mit dem Anodenzylinder la einstückig aus dem gleichen ferromagnetischen Werkstoff hergestellt gezeigt, er kann jedoch auch aus einem anderen Werkstoff als die Anode bestehen. Der Dauermagnet 12 ist ortsfest in der Mitte einer Trennplatte 17 mit einem Halter 16a befestigt, der aus einem nichtmagnetischen metallischen Werkstoff besteht. Die Trennplatte 17 besteht aus einem ferromagnetischen Werkstoff und dient auch als Joch. In der Trennplatte 17 sind mehrere Kopplungsöffnungen 17a in der Nähe der Stege 4 und koaxial mit abwechselnd aufeinanderfolgenden Stegen fluchtend ausgebildet und dienen zur Übertragung der Mikrowellenenergie in den koaxialen Hohlraumresonator 71. An der Unterseite der Trennplatte 17 ist in deren Mitte ein Metallzylinder angeordnet, der den Innenleiter 18 des Hohlraumresonators 71 bildet. Der untere Teil des Innenleiters 18 hat verminderten Durchmesser und verläuft durch eine dielektrische Dichtung 56 nach unten übsr den unteren Rand des Außenleiters Ib hinaus. Der untere Endabschnitt des Innenleiters 18 ist nach unten konisch verjüngt. Die Unterseite des Außenleiters Ib ist durch die dielektrische Dichtung 56 und eine elektrisch leitfähige Platte 20 abgeschlossen. Der konische untere Endabschnitt des Innenleiters 18 ist mit einer Antenne 54 verbunden. In einer Seitenwand des Innenleiters 18 ist ein Durchgangsloch 18a ausgebildet, das als Evakuierungsloch zum Erzeugen eines Unterdrucks im Inneren des Magnetrons dient.

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Bei dem erläuterten Magnetron findet der Magnetronbetrieb in den oberhalb der Trennplatte 17 gebildeten Wechselwirkungsräumen in ähnlicher Weise wie bei dem bekannten Magnetron statt, so daß Mikrowellenenergie erzeugt wird. Unterhalb der Trennwand 17 ist der koaxiale Hohlraumresonator 71 ausgebildet, zu dem die erzeugte Mikrowellenenergie durch die Kopplungsöffnungen 17a der Trennwand 17 übertragen und von dort über den Innenleiter 18 durch die Antenne 54 abgestrahlt wird.

Uach Pig. 3 sind die Kopplungsöffnungen 17a entlang dem Umfangsrand der Trennplatte 17 jeweils in vertikaler Ausrichtung mit abwechselnd aufeinanderfolgenden Stegen 4 ausgebildet. Durch diese Anordnung kann die Auskopplungs-Antenne 54 auf der Mittenachse des Magnetrons angeordnet sein.

Es wird jetzt die Arbeitsweise des Magnetrons nach Pig, 2 erläutert. Wenn das Magnetron in bekannter Weise im TT-Modus schwingt, werden Hochfrequenz-Magnetfelder einzeln um die Stege 4 in solcher Weise erzeugt, daß jedes einen Steg 4 umgebende Magnetfeld eine Richtung hat, die für jeden Steg abwechselnd und aufeinanderfolgend umgekehrt wird. Ein solcher Verlauf der erzeugten Magnetfelder ist in Pig, 4 schematisch gezeigt. Die Hochfrequenz-Magnetfelder 61 und 62 ₉ die benachbarte Stege 4 umgeben, haben zueinander entgegengesetzte Richtungen,, Die beiden benachbarten Stege 4 bilden einen Anoden-Resonator. Da jede Kopplungsöffnung 17a der Trennplatte 17 nahe jedem zweiten Steg 4 ausgebildet ist, können die um die mit den Kopplungsöffnungen 17a ausgerichteten Stege 4 erzeugten Magnetfelder in den Hohlraum 70 durch die zugeordnete Kopplungsöffnung eintreten (vgl. 6la), so daß zwischen dem eigentlichen Magnetron und dem koaxialen Hohlraumresonator 71 eine Kopplung erfolgt. Dabei ist zu beachten, daß die mit dem Hohlraum 70 gekoppelten Magnetfelder 61a sämtlich gleiche Richtung haben, d. h« sie sind zueinander gleichphasig (vgl. Pig. 4),. da die Kopplungsöffnungen 17a jedem zweiten Steg 4 zugeordnet sind und die Ma-

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gnetfelder ihre Richtung bei jedem zweiten Steg umkehren, wie vorstehend erläutert wurde. Infolgedessen wird im Hohlraum 70 ein gleichsinniges kombiniertes Magnetfeld 65 erzeugt, das phasengleich mit den eintretenden Magnetfeldern 61a rotiert. Jedes der um die entsprechenden Stege 4 erzeugten Magnetfelder 61 und 62 hat eine Feldstärke, die zum Fuß der Stege, d. h. zur Innenwandung des Anodenzylinders la, fortschreitend zunimmt. Infolgedessen breiten sich aufgrund der im Außenrand der Trennwand 17, die längs der Innenwand des Anodenzylinders la verläuft, gebildeten Kopplungsöffnungen die Magnetfelder 61 in den Hohlraum 70 mit entsprechend zunehmendem Kopplungsgrad aus. Der Hohlraum 70 ist in Form einer koaxialen Geraden zwischen dem Innenleiter 18 und dem Außenleiter Ib, der die Verlängerung des Anodenzylinders la ist, dargestellt und einerseits von der Trennplatte 17 und andererseits von der elektrisch leitfähigen Platte 20 begrenzt, wodurch der koaxiale Hohlraumresonator 71 gebildet ist. Wenn dabei der Abstand zwischen den Kopplungsöffnungen 17a der Trennwand 17 und der leitfähigen Platte 20 im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge ¹X der Mikrowelle, mit der die Schwingung erfolgt, gewählt ist, schwingt der koaxiale Hohlraumresonator mit der Schwingungsfrequenz, und infolgedessen ist ein wesentlich besserer Kopplungsgrad erzielbar. In Fig. 2 ist mit φ der Modus der kombinierten Magnetfelder der Mikrowellenenergie angegeben, und E bezeichnet den Modus des im koaxialen Hohlraumresonator vorhandenen elektrischen Felds. Auf diese V/eise wird die Mikrowellenenergie aus der mit dem Innenleiter 18 verbundenen Auskopplungs-Antenne 54 nach außen abgestrahlt.

Wenn der den Innenleiter 18 des Hohlraumresonators 71 bildende Metallzylinder aus einem Werkstoff besteht, bei dem geringere Mikrowellenenergie-Verluste auftreten, ist im koaxialen Hohlraumresonator ein hoher Q-Faktor erzielbar, so daß der Hohl?- raumresonator als Bandpaßfilter mit schmalem Durchlaßbereich

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wirken kann, wodurch, ein Austritt der unerwünschten irequenzkomponenten wirksam verhindert wird. Der ferromagnetische Werkstoff des Anodenzylinders la und des Außenleiters ITj sollten "bevorzugt keine Mikrowellenenergie-Verluste aufweisen. Alternativ wird die gleiche Wirkung erzielt, wenn an der Innenwandung des Anodenzylinders eine Auskleidung aus einem metallischen Werkstoff, bei dem nur ein vernachlässigbarer Mikrowellenenergie-Verlust auftritt, vorgesehen wird. Da die Magnetschleife für die Dauermagnete 11 und 12 durch die auch als Joch wirkende Trennplatte 17, den Anodenzylinder la und das obere Joch 13 gebildet ist, kann die den Außenleiter Ib bildende Verlängerung des Anodenzylinders la aus einem anderen Werkstoff als der Anodenzylinder la bestehen, wie bereits erläutert wurde. In diesem Jail ist der Werkstoff für den Außenleiter Ib so zu wählen, daß ein Mikrowellenenergie-Verlust praktisch nicht hervorgerufen wird.

Die Ausführungsform des Magnetrons nach Fig. 5 ist insofern anders, als Kopplungsleiter 25a und 25b vorgesehen sind, die die Kopplungsöffnungen 17a durchsetzen und mit den jeweiligen Stegen 4 verbunden sind, so daß eine Kopplung zwischen dem Mikrowellenerzeugerteil und dem Hohlraumresonator zusätzlich zu den Kopplungsöffnungen 17a erfolgt, wodurch die Kopplung der Mikrowellenenergie in den koaxialen Hohlraumresonator 71 verstärkt wird. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß die Kopplungsleiter 25a und 25b nicht unbedingt für sämtliche Kopplungsöffnungen 17a vorgesehen sind. Es genügt, einen einzigen Kopplungsleiter 25 für eine bestimmte Anzahl Kopplungsöffnungen vorzusehen. Bei Verwendung mehrerer Kopplungsleiter sollten diese bevorzugt an denjenigen Kopplungsöffnungen vorgesehen sein, die relativ zum Mittelpunkt des Anodenzylinders la symmetrisch liegen.

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Claims

Ansprüche

Magnetron, mit einer zentral angeordneten Kathode, und mit einem Anodenzylinder, der mehrere an seiner Innenumfangsfläche angeordnete und um die Kathode herum Hohlraumresonatoren bildende Stege aufweist,

gekennzeichnet durch

ein Trennelement (17) mit darin ausgebildet en,, nahe den Stegen (4) liegenden Kopplungsöffnungen (17a), deren jede mit jedem zweiten Steg (4) der Steganordnung ausgerichtet ist,

einen koaxialen Hohlraumresonator (71) mit einem Innenleiter (18), dessen Mittenachse im wesentlichen mit derjenigen des Anodenzylinders (la) zusammenfällt und dem Mikrowellenenergie durch die Kopplungsöffnungen (17a) zuführbar ist, und

eine Mikrowellenenergie-Auskopplung (54), die mit einem Ende des Ijmenleiters (18) des koaxialen Hohlraumresonators (71) verbunden und im wesentlichen koaxial mit dem Anodenzylinder

(la) angeordnet ist.
2. Magnetron nach Anspruch l_s

dadurch gekennzeichnet,

daß der Hohlraumresonator (71) einen Außenleiter (Ib) "umfaßt, der eine Terlängerung des Anodenzylinders (la) ist«,

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3. Magnetron nach. Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Trennelement eine Trennplatte (17) aus ferromagnetischem Werkstoff ist, in der die Kopplungsöffnungen (17a) ausgebildet sind und auf der auf der Seite des Anodenzylinders (la) ein Dauermagnet (12) zum Erzeugen eines parallel zu den Stegen (4) verlaufenden Magnetfelds befestigt ist, und daß der Innenleiter (18), der einen Teil des koaxialen Hohlraumresonators (71) bildet, dem Dauermagnet auf der anderen Seite der zwischen beiden liegenden Trennplatte (17) gegenüberliegt.
4. Magnetron nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens ein Kopplungsleiter (25a; 25b) wenigstens eine Kopplungsöffnung (17a) durchsetzt, wobei sein eines Ende mit dem zugeordneten Steg (4) verbunden ist und sein anderes Ende in den Hohlraum des koaxialen Hohlraumresonators (71) verläuft,
5. Magnetron nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Innenleiter (18) des Hohlraumresonators (71) aus einem zylindrischen Hohlleiter besteht, der an einer Seitenwand mit einem Evakuierungsloch (18a) zum Erzeugen eines Unterdrucks im Magnetron während eines Herstellungsschritts desselben ausgebildet ist.
6. Magnetron nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die axiale Länge des koaxialen Hohlraumresonators (71) im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge der zu erzeugenden Mikrowellenenergie ist.

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