JP2015207434A - 周波数可変マグネトロン - Google Patents

Abstract

【課題】可動部を持つ機械式手段によることなく簡単な構造で、しかも速いレスポンスにより発振周波数を可変制御することが可能になるようにする。
【解決手段】円筒状アノードシェルの内周に、複数のベーン３が放射状に配置されたアノード２、このアノード２の中心部に配置されたカソード１、このカソード１の表面と略平行な磁界を印加する１組のポールピース７ａ，７ｂを有するマグネトロンで、上記カソード１、アノード２及びポールピース７ａ，７ｂで形成される作用空間６に、例えば円筒状電極８を設ける。この電極８は、カソード１と絶縁された形で、カソード１の上部の一部に覆い被さるように設けられ、この電極８からアノード電圧に対し負となる電圧を印加することで、発振周波数を可変にする。
【選択図】図１

Description

本発明はマイクロ波を発振する電子同調マグネトロン、特に簡単な構造で、発振周波数を外部からの電気信号により変化させることが可能な周波数可変マグネトロンの構成に関する。

図７（ａ），（ｂ）には、従来のマグネトロンの基本構造が示されており、このマグネトロンは、中心にカソード１が配置され、その外側にカソード１と同心状にアノードシェル２が設けられると共に、その内部空間を周方向にて複数に分割するように複数個のアノードベーン３が配置される。即ち、このアノードベーン３は、カソード１に対して正の電極となると同時に、発振周波数を決定づける共振器としての役割を果たすため、アノードシェル２の内壁と共に共振空胴を形成する。

また、マグネトロンのπモード発振が最も安定となるように、ストラップ４と呼ばれる線状の金属導体を用い、上記のように複数に分割した共振空胴の仕切りとしてのアノードベーン３が１つ置きに接続される。このような構造のマグネトロンでは、その発振周波数が共振空胴のリアクタンスと、ストラップ４によって構成されるリアクタンスによって決定されることになる。

上述のように、図７のマグネトロンの構成では、発振周波数が機械的構造により決定されるため、発振周波数を変更するには機械的構造から決定されるリアクタンスを変更しなければ、発振周波数の変更が行えない。下記特許文献１においても同様である。

一般に、実用化可能な周波数同調手段としては、金属を共振空胴に挿入して共振空胴のリアクタンスを変えることにより、周波数を変更するものがある（下記非特許文献１のp.562に原理が示されている）。即ち、共振空胴の内部に金属を挿入することにより、共振器のインダクタンスが増加し、特に共振空胴の仕切りであるアノードベーン３の先端付近に挿入すれば、キャパシタンスが増加することになり、この結果、発振周波数が高くなる。

また、その他の機械的同調の手段としては、上記の共振空胴以外にも、ストラップ４やアノードベーン３に金属を近づけて行う方法等がある（下記非特許文献１のp.569〜591）。
一方、発振周波数を高速で変化させる方法としては、電子ビームを利用した同調方法、小信号注入同期による方法、直径が異なるカソードや同調用のカソードを設ける方法がある（下記非特許文献１のp.592〜621）。

特開２００６−１０００６６号公報

「MICROWAVE MAGNETRON」 MLT Radiation Laboratory Series p.561-591，p.592-621 IEEE Transactions Electron Devices November 2012 Volume 59 Number 11 Electronic Frequency Tuning Magnetron p. 3111

しかしながら、上記特許文献１に示されるように、周波数の可変を行う手段として機械的な可動部を利用するものでは、真空とされる外部共振空胴内に可動部を設けるという製作上の困難さがある。しかも、可動部を持つ機械式の周波数可変手段では、レスポンスが遅いため、ゆっくりした周波数変化をさせる場合は問題ないが、１パルス内で周波数を変化させる場合のように速い変化、例えば数百ナノセコンド付近で周波数変化を実現することは不可能である。

また、周波数同調の必要性に言及すると、マグネトロンのドリフトに対する安定性確保というパッシブな理由と、変調をかけたいというアクティブな理由がある。マグネトロンの発振周波数のドリフトとしては、カレントプッシング（Current Pushing）特性と呼ばれる、陽極電流の大小により変化する現象がある。この周波数のドリフトは、流す陽極電流の大小によりカソードを飛び出す電子の量が変わり、空間電荷が変化することも原因の一つとなって起こると考えられる。

更に、マグネトロンでは、その搭載場所の周囲の温度やマグネトロン自身の発生する熱により共振空胴が熱膨張を起こす場合がある。この場合には、昇温すると発振周波数が下がり、冷却されると上がるという現象を起こす。
以上のように、マグネトロンは、発振周波数が変化する要因を持っているため、同調がずれる可能性があることから、発振周波数の可変制御を安定して行うことが望まれる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、可動部を持つ機械式手段によることなく簡単な構造で、しかも速いレスポンスにより発振周波数を可変制御することが可能になる周波数可変マグネトロンを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の周波数可変マグネトロンは、円筒状のアノードシェルの内周に、複数のベーンが放射状に配置されるアノードと、上記複数のベーンの先端部と対向するように、上記アノードの中心部で軸方向に沿って配置されるカソードと、このカソードと上記アノードの間の空間に、上記カソードの表面と略平行な磁界を印加し得るように配置される１組のポールピースと、を有するマグネトロンにおいて、上記カソード、アノード及びポールピースで形成される作用空間に、電極となる導体を１つ又は複数設け、この電極にアノード電圧に対し負となる電圧（アノード電圧より低い電圧）を加えることにより周波数を可変にすることを特徴とする。
請求項２の発明は、上記電極導体を、上記カソード軸を中心とするリング状に成形することを特徴とする。
請求項３の発明は、上記電極導体を、上記カソード軸を中心とする周の一部に設けることを特徴とする。
請求項４の発明は、上記電極導体を、上記カソード軸方向の上下に複数設けることを特徴とする。

上記の構成によれば、作用空間、即ちカソードとアノードの間の空間、ポールピースとカソードの間の空間又はポールピースとアノードの間の空間に、例えばリング状導体からなる電極が設けられ、この電極からアノード電圧に対し負となる電圧（信号）が印加されることで、発振周波数を可変調整することができる。

本発明の周波数可変マグネトロンによれば、可動部を持つ機械式手段によることなく、簡単な構造で、外部からの印加電圧（電気信号）により所望の周波数の高出力マイクロ波を極めて速いレスポンスで得ることが可能となる。しかも、電圧印加のためのスイッチ素子を管球内部に配置する必要はなく、生産性を阻害することもなく、低価格で信頼性の高いマグネトロンが提供できるという効果がある。

また、広い可変範囲の発振周波数を得ることができ、マグネトロンの周波数ドリフトへの対策、状況に則した周波数選択が容易となる。

本発明に係る実施例のマグネトロンの構成を示す断面図である。 実施例のマグネトロンで電圧を印加するときの電源構成を示す図である。 実施例のマグネトロンで印加される電極電圧と周波数変化の関係を示すグラフ図である。 実施例のマグネトロンに設けられる電極の各形状の例を示す斜視図である。 実施例のマグネトロンで他の形状の電極を設ける場合の構成を示す断面図である。 実施例のマグネトロンで電極を複数設ける場合の構成を示す断面図である。 従来のマグネトロンの構成を示す一部断面図である。

図１に、実施例のマグネトロンの構成が示され、図２に、電源の配置状態が示され、図４に、実施例の電極の各形状が示されている。このマグネトロンの基本構成は、図７と同様であり、１は電子を放出するカソード（陰極）、２はカソード１に対して正（プラス）の電圧を印加するアノード（陽極、アノードシェル）、３は空胴共振器の役割を兼ねたアノードベーン、４はストラップである。また、上記アノード２の上下には、アノードシェル内部の作用空間６においてカソード１の表面と略平行に磁界を与えるために１組のポールピース（磁極体）７ａ，７ｂが配置される。

上記マグネトロンを発振動作させるためには、カソード１とアノード２及びアノードベーン３の間に高電圧が印加され、この高電圧印加により、熱電子放出、電界放出、２次電子放出が行われ、この結果、電子は電界によりアノードベーン３の先端に向かって運動するが、この運動方向は、ポールピース７ａ，７ｂで与えられる磁界により作用空間６をカソード１の周囲を回るように変えられる。このとき、電子はカソード１、アノード２（アノードベーン３）及びポールピース７ａ，７ｂで囲まれた空胴共振器（作用空間）に高周波電界を与え、共振周波数に近い周波数でマイクロ波を発振する。

上述した空胴共振器（マグネトロン）の共振周波数は、複数のアノードベーン３の各アノードベーン３間の容量、ストラップ４とアノードベーン３間の容量、アノードベーン３とアノード２によるインダクタンス、ストラップ４のインダクタンスにより定まる（非特許文献２にも示される）。上記において、敢えて「共振周波数に近い周波数で発振する」と記したのは、図１に示すような同軸型（陽極共振空胴の外側に外部空胴を有するタイプ）でないマグネトロンの空胴共振器の共振周波数をネットワークアナライザで測定した場合、その測定値が実際の発振周波数と異なるためである。その原因としては、電子が放出された場合の電子の空間電荷により発生する場合が主となっていることがある。

そして、図１の実施例では、例えば図４（ａ）に示される筒状導体からなる電極８を作用空間６に設ける。即ち、この電極８は、カソード１と絶縁される形で、カソード支持体からカソード１の上部の一部に覆い被さるように（カソード１とポールピース７ａの間で、カソード１とアノードベーン４の先端部との間に）設けられ、この電極８には、その支持部（中間体）からマグネトロン管球の外部へ引き出した端子９が接続され、この端子９からアノード２、アノードベーン３に対して負の電圧を印加できる構造となっている。

実施例では、上記端子９から作用空間内の電極８に電圧（制御／調整電圧）を印加することで、発振周波数を変化させる。即ち、通常、マグネトロンの発振時には、電圧印加されたカソード１とアノードベーン３の間の電界と作用空間６における磁束密度分布により電子の分布が決まるが、このとき、電子の空間電荷がマグネトロンのリアクタンスに影響を与えて共振周波数が決定される。このような動作において、電極８に電圧を加えると、電子の分布が変わり、それにより空間電荷量が変化し、リアクタンスが変わることで、発振周波数が変化する。

実施例は、以上の構成からなり、図２に示されるように、カソード１に負（マイナス）の電位、アノード２及びアノードベーン３に正（プラス）の電位を与えるために、カソード側端子１０を介してカソード１とアノード２（及びアノードベーン３）との間に電源Ｅｂが接続される。一方、電極８から、アノード２及びアノードベーン３に対して負となるように電位（陽極正電位を下回る電位）を加えるために、端子９を介して電極８とアノード２（及びアノードベーン３）との間に周波数可変用の電源（可変電源）Ｅｃが接続される。この電源Ｅｃから印加される電圧（制御／調整用電圧）は、アノード２及びアノードベーン３への印加電圧より低い電圧であれば、通常のマグネトロン発振用のアノード電圧より大きくても小さくてもかまわない。

このようにして、上記電源Ｅｂと電源Ｅｃがマグネトロンに接続され、アノード２及びアノードベーン３に対し負となる電圧（アノード電圧よりも低い電圧信号）が電極８に対して与えられることで、空間電荷量、そしてリアクタンスを変化させ、発振周波数を変化・調整することができる。

図３に、実際に周波数可変電圧Ｅｃを加えたときの周波数可変特性が示されており、実施例では、周波数以外のマグネトロン特性は変わらず、図３のように、安定した発振を継続することができた。このときのマグネトロンとして、周波数帯：Ｓバンド、発振出力：３０ｋＷで、定格陽極電圧Ｅｂが８ｋＶとなるものを使用した。また、周波数可変レスポンスは、２００ｎｓ以下となり、速い周波数可変が可能であった。

図４には、電極導体として用いられる各種形状の例が示されており、図１で採用した図４（ａ）の円筒状電極８は、作用空間６の周に沿って電界を変化させられる形状であり、その効果が大きい。
図４（ｂ）の電極１２は、線状導体を作用空間６の周に沿ってリング（カソード１を軸中心とする輪）状にして製作したものである。実施例の電極の役割は、電界を変化させるだけなので、カソード１の周囲を金属体で覆わず、線状金属を設けるようにしてもよい。

図４（ｃ）の電極１３は、線状導体をリング状にしてカソード１の高さ方向の２箇所に配置し、カソード１の上側に位置する上側線状導体１３ａと下側に位置する下側線状導体１３ｂを設けて製作したものである。この電極１３は、カソード１の上下方向の２箇所で電界を与えられるので、より効果が大きくなる。
図４（ｄ）の電極１４は、図４（ａ）の円筒状のものにおいて、電極が全周に連続して配置されておらず、部分的に配置されるようにしたものである。

図５には、円板電極を配置したマグネトロンの構成が示されており、この例は、作用空間６内のカソード１の上側でカソード支持体の周囲（カソード１とポールピース７ａの間でポールピース７ａとアノードベーン４の先端部との間）に、リング状（ドーナツ型）円板からなる電極１５を設けたものである。これによっても、電極１５にアノード電圧に対し負となる電圧を与えることで、周波数可変の効果をもたらすことができる。

図６には、電極をカソード１の高さ方向の２箇所に配置したマグネトロンの構成が示されており、この例では、作用空間６内のカソード１の上側に図４（ａ）と同様の円筒状の上側電極１６ａと下側に円筒状の下側電極１６ｂ（上側電極１６ａを上下反転させたもの）を設けている。即ち、作用空間６のベーン高さ方向の中心付近に電極を配置すると、通常の発振に影響を及ぼし発振の不安定を引き起こすため、作用空間６の中心を避けた配置に電極を置くことが理想的となる。図６のような電極１６ａ，１６ｂの配置位置で、充分な可変範囲での周波数可変効果を得ることが可能となる。

以上のように、実施例によれば、高い電力で効率よくマイクロ波を発振できるデバイスであるマグネトロンに、周波数可変の機能を付加することができ、より安定度の高い発振周波数での発振が可能となる。

なお、実施例では、図１，図５，図６で示した電極（８，１５，１６ａ，１６ｂ）の配置としたが、この電極は、カソード１、アノード２及びポールピース７ａ，７ｂで形成される作用空間６内、即ちカソード１とアノード２（又はベーン３）の間、カソード１とポールピース７ａ，７ｂの間、ポールピース７ａ，７ｂとアノード２（又はベーン３）の間等の他の位置に配置することができる。

１…カソード、 ２…アノード、
３…アノードベーン、 ４…ストラップ、
６…作用空間、 ７ａ，７ｂ…ポールピース、
８，１２，１３（ａ，ｂ），１４，１５，１６ａ１６ｂ…電極（導体）、
９，１０…端子。

Claims (4)

1. 円筒状のアノードシェルの内周に、複数のベーンが放射状に配置されるアノードと、
   上記複数のベーンの先端部と対向するように、上記アノードの中心部で軸方向に沿って配置されるカソードと、
   このカソードと上記アノードの間の空間に、上記カソードの表面と略平行な磁界を印加し得るように配置される１組のポールピースと、を有するマグネトロンにおいて、
   上記カソード、アノード及びポールピースで形成される作用空間に、電極となる導体を１つ又は複数設け、この電極にアノード電圧に対し負となる電圧を加えることにより周波数を可変にすることを特徴とする周波数可変マグネトロン。
2. 上記電極導体は、上記カソード軸を中心とするリング状に成形することを特徴とする請求項１記載の周波数可変マグネトロン。
3. 上記電極導体は、上記カソード軸を中心とする周の一部に設けることを特徴とする請求項１記載の周波数可変マグネトロン。
4. 上記電極導体は、上記カソード軸方向の上下に複数設けることを特徴とする請求項１乃至３記載の周波数可変マグネトロン。

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