DE2907161C2 - Magnetron - Google Patents

Description

— daß zu dem Anodenzylinder (la) ein weiterer Hohlraum-Resonator (71) angeordnet ist, der von einem Außenleiter (IL)umschlossen ist und axial mit dem Anodenzylinder (IaJ fluchtet,

— daß zwischen dem Anodenzylinder (Xa) und dem Außenleiter (Xb) eine Trennplatte (17) aus ferromagnetischem Material angeordnet ist, die als untere Jochplatte dient, den unteren Dauermagnet (12) trägt und die den Außenleiter (Xb) nach oben abschließt, und

— daß die den Hohlraum-Resonator (71) unten abschließende elektrische leitfähige Platte (20) eine zentrale Bohrung aufweist, die von einem mit dem Anodenzylinder (la) koaxialen Innenleiter (18) durchdrungen ist, auf dem die Ausgangsantenne (54) sitzt.

2. Magnetron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trennplatte (17) die Kopplungsöffnungen (17a) ausgebildet sind, wobei der auf der Trennplatte (17) sitzende untere Dauermagnet (12) dem Anodenzylinder (la) zugewandt ist und ein parallel zu den Stegen (4) verlaufendes Magnetfeld erzeugt, und daß der Innenleiter (18), der einen Teil des koaxialen Hohlraumresonators (71) bildet, dem Dauermagnet (12) auf der anderen Seite eier zwischen beiden liegenden Trennplatte (17) gegenüberliegt.

3. Magnetron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Kopplungsleiter (25a; 256,) wenigstens eine Kopplungsöffnung (17a^durchsetzt, wobei sein eines Ende mit dem zugeordneten Steg (4) verbunden ist und sein anderes Ende in den Hohlraumresonator (71) hineinragt.

4. Magnetron nach Anspruch 2, 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 Herstellungsschrittes desselben ausgebildet ist.

5. 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.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetron mit einer zentral angeordneten Kathode, mit einem Anodenzylinder, der in seinem Inneren auf einer oberen und einer unteren Jochplatte sitzende Dauermagnete und mehrere an seiner Innenumfangsfläche angeordnete und um die Kathode herum Anodenresonatoren bildende Stege aufweist, mit einer in der unteren Jochplatte ausgebildeten Kopplungsöffnung für den Durchlaß von Mikrowellenenergie und mit einer Mikrowellen-Ausgangsantenne.

Üblicherweise wird für den wirksamen Betrieb eines Magnetrons ein sehr starkes magnetisches Feld benötigt. Wie aus der DE-PS 8 39 950 hervorgeht, werden dabei außerhalb des Magnetrons 2roße Magnete ange-

ordnet. Eine solche Bauweise bedingt große Abmessungen und ein hohes Gewicht für das Magnetron.

Durch die Entwicklung neuer Magnetwerkstoffe ist es nun möglich, einen kleinen Magnet, der 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 Verkleinerung des Magnetrons erzielbar.

Ein derartiges Magnetron zeigt die DE-OS 25 32 960. In F i g. 1 ist ein solches bekanntes Magnetron darge-

stellt. Ein Anodenzylinder 1 besteht aus einem ferromagnetischen Werkstoff. Ebenfalls aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehende Joche 13 und 14 sind am Oberende bzw. am Unterende des hohlen Anodenzylinders 1 angeordnet. Dauermagnete 11 und 12 sind auf den Jochplatten 13 und 14 im Inneren des Magnetrons mit Haltern 15 und 16 aus nichtmagnetisciiem Werkstoff befestigt. Bei dem gezeigten Magnetron ist der Dauermagnet 11 ringförmig und der Dauermagnet 12 scheibenförmig ausgebildet; 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. Die Mikrowellenenergie wird in Wechselwirkungsräumen erzeugt, die zwischen der Kathode 3 und den Stegen 4 in dem von den Dauermagneten 11 und 12 erzeug-

ten Magnetfeld gebildet sind. Die so erzeugte Mikrowellenenergie wird durch einen Leiter 51 zu einer kappenförmigen Ausgangsantenne 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. Dabei ist die Auskcpplungsantenne 53 an einer Stelle angeordnet, die in bezug auf die Mittenachse X des Magnetrons seitlich versetzt ist. Infolgedessen ergeben sich bei diesem 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. Das heißt, aufgrund der asymmetrischen Lage der Auskopplungsantenne hat eine Halterung zum ortsfesten Haltern 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. Im Fall von Mikrowellenherden muß ferner die Abstrahlung der Grundwelle von 2450 MHz bestimmungsgemäß auf einen vernachlässigbaren Pegel vermindert werden. Infolgedessen sind bei der Konstruktion der Mittel zum Verhindern der Austritts von Mikrowellenenergie an der Herdtür od. dgl. des Heizraums des Mikrowellenherds mehrere Frequenzen zu berücksichtigen, wenn die unerwünschten Wellen vor. der Grundwelle stark abweichen. Somit werden die Mittel zum Verhindern des Austritts von Mikrowellen bei den bisherigen Magnetrons sehr kompliziert und sind mit erhöhten Herstellungskosten verbunden.

Man hat deshalb auch schon ein Magnetron geschaffen, bei dem eine zentrale Ausgangsantenne vorgesehen ist, wie z. B. aus der DE-OS 25 34 485 hervorgeht. Diese bekannte Ausführung weist aber nur einen einzigen Steg auf, wobei die Verbindungsleitung Polstücke durchdringt. Eine völlige Symmetrie ergibt sich dabei durch die Zuleitung vom Steg zur Ausgangsantenne, die durch die Polstücke führt, nicht. Die Mikrowellen fließen durch die Polstückteile und verursachen dabei eine Erwärmung, die sich nicht gleichmäßig verteilt, weil im Kreis keine gleichmäßige Durchlässigkeit vorhanden ist, die magnetische Feldverteilung im Anodenraum ist ungleichmäßig. Aus diesen Gründen entsteht keine gleichmäßige thermische Belastung, was zur Folge hat, daß das Magnetron ungünstig beeinflußt und gegebenenfalls beschädigt werden kann.

Die DE-AS 10 82 305 betrifft zwar eine symmetrische Leistungsauskoppelanordnung für ein Magnetron. Einzelheiten der Magnetronstruktur können dieser Entgegenhaltung aber ebensowenig entnommen werden wie die Anordnung einer Ausgangsantenne, die eine Filterfunktion hat, um unerwünschte Wellen zu beseitigen.

Die US-PS 34 12 285 betrifft ebenfalls ein Magnetron mit zentraler Bauart mit innenliegenden Magneten, die ringförmig eine Kathode umgeben und innerhalb einer Anode angeordnet sind. Über die Lage der Ausgangsantenne sind keine Angaben gemacht.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Magnetron der im Oberbegriff des Hauptanspruchs geschilderten Art dahingehend zu verbessern, daß es einfach einbaubar ist, eine hohe Leistung hat und infolge seiner robusten Bauart eine lange Lebensdauer aufweist, wobei der Resonator eine Filterfunktion zur Unterdrückung von unerwünschten Wellenfrequenzen hat, was besonders für die Verwendung in Mikrowellenerhitzern wesentlich ist.

Das erfindungsgemäße Magnetron zeichnet sich durch eine sehr kompakte Bauweise aus, was insbesondere bei Mikrowellenherden von großem Vorteil ist. Durch die erzielte Führung der Magnetkraftlinien kann eine sehr hohe Leistung erzielt werden. Der Einbau des Magnetrons in z. B. Mikrowellenherde ist wesentlich erleichtert.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Hauptteil eines bekannten Magnetrons, in dem Dauermagnete angeordnet sind;

F i g. 2 einen Vertikalschnitt durch einen Hauptteil einer Ausführungsform des Magnetrons nach der Erfindung;

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

F i g. 4 eine Explosionsansicht nach F i g. 3 zur Verdeutlichung der Magnetfelder zwischen den Stegen und der Trennplatte; und

Fi g. 5 eine Schnittansicht eines Hauptteils einer weis teren Ausführungsform des Magnetrons.

In Fi g. 2 sind Teile mit gleichen Funktionen wie entsprechende Teile nach F i g. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem Magnetron nach F ι g. 2 umraßt ein zylindrischer Anodenkörper aus einem ferromagnetischen Werkstoff einen eigentlichen Anodenzylinder la, der nach unten bis unter einen unteren Dauermagnet 12 verläuft und Wechselwirkungsräume des Magnetrons bildet, und einen Außenleiter \b eines koaxialen Hohlraumresonators 71. Der nach unten verlaufende Außenleitsr 1 b ist zwar als mit dem Anodenzylinder 1 a einstükkig 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 als Jochplatte. 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 über den unteren Rand des Außenleiters IZj hinaus. Der untere Endabschnitt des Innenleiters 18 ist nach unten konisch verjüngt. Die Unterseite des Außenleiters 16 ist durch die dielektrische Dichtung 56 und eine elektrisch leitfähige Platte 20 abgeschlossen. Der konische untere Endabschnitt des Innenleiters 18 ist mit einer Ausgangs-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.
Bei dem erläuterten Magnetron findet der Magnetronbetrieb in den oberhalb de- 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.

Nach Fig. 3 sind die Kopplungsöffnungen 17a entlang dem Umfangsrand der Trennplatte 17 jeweils in vertikaler Ausrichtung mit abwechselnd aufeinanderfolgenden Stegen 4 ausgebildet. Durch diese Anordnung ist die Anordnung der Ausgangs-Antenne 54 auf der Mittenachse des Magnetrons möglich.

Das Magnetron nach F i g. 2 arbeitet wie folgt: Wenn das Magnetron in bekannter Weise im .τ-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 Fig.4 schematisch gezeigt Die Hochfrequenz-Magnetfelder 61 und 62, die benachbarte Stege 4

umgeben, haben zueinander entgegengesetzte Richtungen. Die beiden benachbarten Stege 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 61 in den Hohlraum 70 durch die zugeordnete Kopplungsöffnung eintreten (vgl. 6IaJ, 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 61 α sämtlich gleiche Richtung haben, d. h., sie sind zueinander gleichphasig (vgl. Fig.4), da die Kopplungsöffnungen 17<7 jedem zweiten Steg 4 zugeordnet sind und die Magnetfelder 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 61,7 rotiert. Jedes der um die entsprechenden Stege 4 erzeugten Magnetfelder 61 und 62 hai 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 16, 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 λ 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. ?. 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 Weise wird die Mikrowellenenergie aus der mit dem Innenleiter 18 verbundenen Ausgangs-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 O-Faktor erzielbar, so daß der Hohlraumresonator als Bandpaßfilter mit schmalem Durchlaßbereich wirken kann, wodurch ein Austritt der unerwünschten Frequenzkomponenten wirksam verhindert wird. Der ferromagnetische Werkstoff des Anodenzyünders la und des Außenleiters \b sollen bevorzugt keine Mikrowellenenergie-Verluste aufweisen. Alternativ wird die gleiche Wirkung erzielt, wenn an der Innenwandung des Anodenzylinders eine Auskleidung aus einem metallisehen Werkstoff, bei dem nur ein vernachlässigbarer Mikrowellenergie-Verlust auftritt, vorgesehen wird. Da die Magnetschleife für die Dauermagnete 11 und 12 durch die als Jocbplatte wirkende Trennplatte 17, den Anodenzylinder Xa und das obere Joch 13 gebildet ist, kann die den Außenleiter \b bildende Verlängerung des Anoderizylinders ia aus einem anderen Werkstoff als der Aniodenzylinder la bestehen, wie bereits erläutert wurde. In diesem Fall ist der·Werkstoff für den Außenleiter lösozu wählen, daß ein Mikrowellenenergie-Verlust praktisch nicht hervorgerufen wird.

Die Ausführungsform des Magnetrons nach F i g. 5 ist insofern anders, als Kopplungsleiter 25a und 256 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 256 nicht unbedingt für sämtliche Kopplungsöffnungen 17a vorgesehen sein müssen. Es genügt, einen einzigen Kopplungsleiter 25 für eine bestimmte Anzahl Kopplungsöffnungen vorzusehen. Bei Verwendung mehrerer Kopplungsleiter werden diese bevorzugt an denjenigen Kopplungsöffnungen vorgesehen, die relativ zum Mittelpunkt des Anodenzylinders la symmetrisch liegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Magnetron mit einer zentral angeordneten Kathode, mit einem Anodenzylinder, der in seinem Inneren auf einer oberen und einer unteren Jochplatte sitzende Dauermagnete und mehrere an seiner Innenumfangsfläche angeordnete und um die Kathode herum Anodenresonatoren bildende Stege aufweist, mit einer in der unteren Jochplatte ausgebildeten Kopplungsöffnung für den Durchlaß von Mikrowellenenergie und mit einer Mikrowellen-Ausgangsantenne, dadurch gekennzeichnet,