JP4467394B2 - 周波数可変型マグネトロン - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を発振するマグネトロンに関する。さらに詳しくは、簡単な構造で発振周波数を可変させることができる構造の周波数可変型マグネトロンに関する。

マグネトロンの発振周波数は、主として共振空胴のリアクタンスとストラップの静電容量とで決定される。これらの定数は、通常マグネトロンを組み立てる工程で調整が行われ、真空封止後は特別な調整機構を設けない限り調整することができなかった。したがって、周波数調整後の工程で発生する周波数変動要因に対しての発振周波数のずれを修正することができなかった。

上記の組立時の調整は、ネットワークアナライザなどを使用してマグネトロン出力側よりマグネトロン共振器のリターンロスを観察することにより、共振周波数を測定して行われるが、この共振周波数と実際に真空管にして動作させたときの発振周波数とは異なり、しかも共振周波数と発振周波数との関係も常に一定とはならない。その理由は、実際の発振においては、カソードから電子の放出が起こり作用空間内に電子が滞在するため、この空間電荷の影響を受けて発振周波数が変るからであると考えられている。そのため、調整時の共振周波数より発振周波数は数十ＭＨｚ程度低くなり、また、封止後の周波数変化は、製造の際のバラツキにより一定とならないため、共振周波数と発振周波数との関係は比例せず、発振周波数が設計通りに一定の発振周波数とならない。

一方、マグネトロンの使用時に発振周波数を変えて動作させる場合があり、周波数同調機構を有するマグネトロンも用いられている。このようなマグネトロンの周波数同調機構は、共振空胴内にインダクタンス素子である同調棒とよばれる非磁性体金属を挿入して、その挿入長を可変させることにより共振空胴のリアクタンスを変化させたり、ベーンとポールピースとの間に同調リングを設け、同調リングとベーンなどのアノードとの距離を変えることにより容量を変化させたりする、機械的に発振周波数を変化させる方法が知られている。たとえば、同調棒が共振空胴内に深く挿入されることにより共振空胴のインダクタンスが減少して発振周波数が高くなり、同調リングがベーンなどから遠ざかることにより容量が大きくなって発振周波数が高くなり、同調棒や同調リングを逆に動かせば発振周波数を低くすることができる（たとえば非特許文献１参照）。

このような機械的に同調をとるマグネトロンは、たとえば図７に縦断面および一部破断の上面図が示されるような構造になっている。すなわち、図７において、円筒状のアノードシェル１１の内周壁に中心に向かって放射状に延びるベーン１２が複数個設けられ、そのベーン１２間に共振空胴１４を形成したアノード１と、ベーン１２の先端部で囲まれた空間にカソード２が設けられている。ベーン１２には、１個おきに連結するストラップ１３が設けられている。なお、３は、ベーン１２の先端とカソード２との間の作用空間に磁界を集中させるための一対のポールピースである。この構造のマグネトロンの共振空胴１４に、インダクタンス素子９がその挿入長を可変にできるようにダイヤフラム８を介して取り付けられている。このダイヤフラム８は、真空外囲器の一部をなし、カソード２側の真空を維持しながら、端板９ａに外力が加えられることにより、変形してインダクタンス素子９の挿入長が変るようになっている。なお、図７で１０はポールピース３を保持して真空壁とする端板である。

また、別の方法として、アノードの共振空胴と電気的に結合してアノードシェルの外側に設けられた外部共振空胴内に対向して配置される２枚の金属板の間隔を変化させることにより、発振周波数を可変にする方法も知られている（たとえば特許文献１参照）。このような構造にしても、外部共振空胴は真空領域となり、金属板の間隔を変えるために可動させる金属板を、真空外囲器の機能を果たしながら伸縮することができるベローズにより保持しなければならない。

さらに、他の方法として、同軸マグネトロンにおいて、スリットにより外部同軸空胴と結合させ周波数を可変とする方法も知られている（たとえば特許文献２参照）。この場合、発振周波数に近い周波数に共振させる空胴を外部に設けるために、非常に大きな空間を必要とする。その上で、この空間の容積をピストン状の部品により変化させて発振周波数を変化させている。

さらに、機械的ではなく、電子的に同調する方法として、共振空胴内に電子を通過させて、その電荷量を変化させることにより周波数を可変としたり、カソードを動作用とチューニング用との、カソード径の異なる２つに分けて、カソード径の大小により電流動作点が変化することにより周波数を可変させたりする電子同調の方法も知られている。
ミルトン エス キヴァー（Milton S. Kiver）著、末崎他訳、「マイクロ波入門」、第１版第１５刷、株式会社近代科学社、昭和４５年１２月１日、ｐ．１９６〜１９９ 特開２０００−３６７６号公報（図１） 特開平１０−２６９９５３号公報（図３）

上述のように、マグネトロンを動作させる場合に発振周波数を変える必要のあるときは、同調機構を有するマグネトロンが用いられ、発振周波数を可変することができ、設計値の発振周波数とずれが生じてもその同調機構を用いて所望の発振周波数にすることができる。しかし、この同調機構は、前述のように、機械的同調機構にすると、管球内、すなわち真空領域で素子を動かす必要があり、ダイヤフラムやベローズというような真空外囲器を構成しながら、伸縮可能な部品を用いなければならず、非常に高価になる。また、電子同調をする場合でも、複雑な機構とコントロール回路が必要となり、機械的同調よりさらに高価になる。

また、マグネトロンの動作中に発振周波数を可変させる必要がなく、安価に量産する必要のあるマグネトロンでは、コスト面からとても高価な同調機構を設けることはできない。そのため、真空封止後のマグネトロンでは発振周波数がばらつくという問題がある。さらに、従来の共振空胴内に同調棒などのインダクタンス素子を挿入する構造では、発振時に放電を起して発振が不安定になるという問題もある。一方において、組立段階で空胴の共振周波数調整の結果と、真空管にした後の発振周波数とは必ずしも相関性がなく、所望の発振周波数で製造することができない場合がある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、ダイヤフラムやベローズなどの高価な部品を用いることなく、安価な構造で発振周波数の調整を行うことができ、しかも放電などを起し難く、安定な発振をすることができる構造の周波数可変型マグネトロンを提供することを目的とする。

上記目的を達するために、請求項１に係る発明は、円筒状のアノードシェル内周側に複数個に分割された共振空胴が形成されるアノードと、該アノードの中心部に前記アノードシェルの軸方向に沿って設けられるカソードと、前記共振空胴の少なくとも１つとスリットを介して電気的に結合される外部空間とを具備し、該外部空間を区画し、前記スリットと対向する金属壁面を、前記スリットから張り出した前記共振空胴の電界と接近させ、前記共振空胴の共振周波数を変化させるために、前記金属壁面が前記スリットとの距離を変化させ得るような可動構造に形成されていることを特徴とする。ここに外部空間とは、本来の共振空胴とは異なるが本来の共振空胴と共に共振空胴の一部として作用する空間を意味し、真空外囲器の内外を意味するものではない。なお、真空外囲器とは、真空管の真空領域を区画する境界壁を意味する。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の周波数可変型マグネトロンにおいて、前記スリットと対向する金属壁面が、真空外囲器の一部を構成する金属板の一面により形成され、該金属板が取り外し可能な可動片による外部からの応力により変形されることにより、前記スリットと前記金属壁面との距離を変化させ得る構造に形成されてなること特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１記載の周波数可変型マグネトロンにおいて、前記金属壁面が、可動金属片の一面により形成され、該可動金属片が前記アノードシェル内でスライドする構造に形成されることにより、前記スリットと前記金属壁面との距離を可変させる構造であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項記載の周波数可変型マグネトロンにおいて、前記共振空胴に形成される前記スリットに換えて該スリットよりも大きな開口部が形成され、該開口部に誘電体板からなり真空外囲器の一部を構成する隔壁が設けられ、前記スリットが板状部品に形成され、該該板状部品が前記誘電体板の前記外部空間側にロウ付けされてなることを特徴とする。

本発明の構成により、共振空胴とスリットを介して外部空間が形成されているため、この外部空間にも共振空胴の電界分布が張り出してくる。そのため、外部空間のスリットと対向する金属壁面を移動させてその距離を変えることにより、共振空胴の共振周波数を変化させることができる。このスリットの共振空胴側または外部空間側に誘電体からなり、真空外囲器の一部を構成する隔壁が設けられることにより、外部空間は真空外囲器の外側となり、真空領域を維持することを考慮する必要がなく、ベローズなどの高価な真空保持手段を用いる必要がなく、たとえば金属壁面を可動金属片の一面で構成することにより、可動金属片に形成されたネジなどにより可動金属片をスライドさせることにより、簡単にスリットと金属壁面との距離を可変させることができる。

その結果、非常に安価に発振周波数を調整する機構を設けることができ、量産用の安価なマグネトロンにおいても、製造段階で細心の注意を払って発振周波数を一定の範囲に収めるように努力をする必要なく、マグネトロンの製造後に発振特性を見ながら所望の発振周波数になるように簡単に調整することができる。そのため、製造工程が非常に容易になり、コストダウンを図ることができる。また、周波数同調型のマグネトロンであっても、たとえば発振周波数を一定に揃えたい場合や、敢えて少しずらしたい場合など、その同調範囲が狭い場合には、ベローズなどの高価な部品を使用することなく、非常に安価に周波数同調型のマグネトロンを得ることができる。

また、スリットの前後に誘電体からなる隔壁が設けられない場合でも、たとえば銅などの可撓性の有る金属板により外部空間の金属壁面を形成することにより、組立後の発振周波数のずれ程度の周波数変化を調整することができ、ベローズなどの高価な真空保持手段を用いることなく、発振周波数を調整することができる。

さらに、本発明によれば、マグネトロンの発振周波数を決定するリアクタンスを調整する場所が、アノードシェルの外側のように、電界の小さい部分に設けられているため、インダクタンス素子がベーンなどのアノード部分と異常に接近しすぎて放電を起こすということがなく、非常に安定した発振をさせることができる。また、構成する部品形状を簡素化でき、可動部の構成も複雑な形状とならないため、破損や変形の心配がなく、非常に信頼性が向上する。

つぎに、図面を参照しながら本発明のマグネトロンについて説明をする。本発明による周波数可変型マグネトロンは、図１（ａ）にその一実施形態の断面説明図が示されるように、円筒状のアノードシェル１１の内周に複数個のベーン１２が中心に向かって放射状に設けられ、隣接するベーン１２間に複数個の共振空胴１４が形成されることによりアノード１が形成され、そのアノードの中心部にアノードシェル１１の軸方向に沿ってカソード２が設けられている。そして、共振空胴１４の少なくとも１つに、スリット１５を介してその１つの共振空胴１４ａと電気的に結合される外部空間１６が設けられており、そのスリット１５と対向する外部空間１６の金属壁面１７ａが、スリット１５との距離を変化させ得るような可動構造に形成されていることに特徴がある。

図１に示される例では、１つの共振空胴１４ａを形成する１つの側壁であるアノードシェル１１にスリット１５が設けられると共に、そのスリット１５と連通してアノードシェル１１に凹部１１ａが形成され、その凹部１１ａを蓋するように一面に金属壁面１７ａが形成された可動し得る可動金属片１７が設けられることにより、スリット１５と可動金属片１７のスリット１５に対向する一面である金属壁面１７ａとの間に外部空間１６が形成されている。なお、図１に示される例では、スリット１５を閉塞するようにスリット１５の外側に誘電体板１８がロウ付けなどにより接着されて真空外囲器を構成する隔壁が設けられ、外部空間１６が真空外囲器の外側に設けられるようになっている。これにより、スリット１５と金属壁面１７ａとの間隔を真空領域と関係なく変化させることができる。しかし、後述する図５に示される例のように、真空外囲器と金属壁面とを共用する構成にすることもできる。

図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図が図１（ｂ）に示されるように、スリット１５の幅Ａは、たとえば発振波長をλとして約λ／４０程度に形成され、スリット１５の長さＣは、約λ／４程度に、深さＤは、約λ／１００程度の大きさに形成される。また、外部空間１６の幅Ｅは、λ／４程度、高さＦはλ／４程度以上、距離Ｇは可変されるが、通常はλ／１０〜λ／２００程度にそれぞれ形成される。スリット１５の大きさは、共振空胴１４ａと外部空間１６との結合を大きくして周波数変化を大きくしたい場合には幅Ａおよび長さＣの少なくとも一方を大きくし、逆に結合を小さくしたい場合にはスリット１５の大きさを小さくする。

アノード１部の基本的構造は、図８に示される従来構造と同様であるが、たとえば無酸素銅などからなる円筒状のアノードシェル１１の内周壁に、一端部が固着され、その一端部と対向する先端部がアノードシェル１１の中心に向かって放射状に延びるように、複数個のベーン（アノード片）１２が設けられることにより隣接するベーン１２間に共振空胴が複数個形成されている。そして、そのベーン１２を１個おきにストラップ１３により連結して、それぞれ隣接する共振空胴間の高周波振動の位相差がπラジアンになるようにし、πモード発振をしやすい構造に形成されている。アノードシェル１１の中心部には、軸方向に沿ってカソード２が設けられ、ベーン１２の先端部とカソード２とが対向する作用空間にカソ−ド２とほぼ平行な磁界を印加し得るように、１組の鉄などからなる図示しな
いポールピースが設けられて磁界が印加される構成になっている。

その結果、カソード２から放出される電子は、作用空間に印加される電磁界により電子が曲げられ、周回することによりエネルギーを共振空胴に与えて発振し、発振したマイクロ波エネルギーは、１個のベーン１２と結合した出力アンテナ４を介して取り出され、導波管５と結合して所望の場所に伝播されるようになっている。なお、出力アンテナ４は、セラミックスなどからなるマイクロ波を透過する真空外囲器４ａにより封止されている。

つぎに、スリット１５および外部空間１６が設けられ、スリット１５と金属壁面１７ａとの間隔を変化させることにより発振周波数を調整し得る理由について説明をする。１つの共振空胴１４ａの一部にスリット１５が設けられることにより、スリット１５より外部空間１６に電界を張り出させることができる。この外部空間１６に張り出した電界に対して、金属壁面１７ａを接近させることにより、共振空胴１４ａのリアクタンスが変化し、本来のマグネトロンの発振周波数が変化する。すなわち、金属壁面１７ａをスリット１５に近づけると、電界の張り出しに対し、金属壁面１７ａが大きく作用し、リアクタンスが誘導性となるため、発振周波数が高くなり、金属壁面１７ａをスリット１５から遠ざけると、その逆に作用し、発振周波数を低くすることができる。これは、外部に共振周波数に見合った共振空胴を設けてその空間の容積を変化させる方式や、外部に第２の出力により導き出して、その容量を変化させる方式と原理的に異なり、距離Ｇがλ／１０〜λ／２００程度という非常に小さな外部空間１６で充分にマグネトロンの発振周波数を可変することが可能になる。

図２は、スリット１５と外部空間１６が前述の大きさのときに、この金属壁面１７ａとスリット１５との距離Ｇに対するアノード全体における発振周波数の関係を示したものである。金属壁面１７ａがスリット１５に近づくと発振周波数が高くなることが分る。また、発振周波数の可変量は、金属壁面１７ａとスリット１５との距離が僅か３ｍｍ程度変化することにより、約５０ＭＨｚ変化することが分る。したがって、非常に小さい動きで大きく発振周波数を変化させることが可能となる。

図３は、金属壁面１７ａとスリット１５との距離Ｇを変化させ、発振周波数を調整した場合の導波管５から見た共振空胴１４との結合度の変化を測定したものである。可動金属片１７を動かしてスリット１５と金属壁面１７ａとの距離Ｇを変化させても、その結合度変化は約５％未満と小さく抑えられている。したがって、本発明による発振周波数の調整を行った場合にも、出力アンテナ４から導波管５に出力されるレベルは殆ど変化しないことになり、本来のマグネトロンの発振出力に影響が出ないことが分る。

図４（ａ）および（ｂ）は、スリット１５をアノードシェル１１に形成しないで、アノードシェル１１には適当な大き目の開口部１１ｂを形成しておき、金属板にスリット１５を形成したスリット板１５ａを接着した例である。この構造にすることにより、誘電体板１８は、図４（ａ）に示されるように、スリット１５の外部空間１６側に設けられることもできるし、図４（ｂ）に示されるように、外部空間１６と反対側に設けられることもできる。このようなスリット板１５ａを用いることにより、アノードシェル１１に直接スリット１５を形成する必要がないため、自由にスリット１５の大きさを調整することができるし、さらに図４（ｂ）のように真空外囲器（誘電体板１８）の外側にスリット板１５ａが設けられる場合には、マグネトロンを製造した後に、スリット１５の大きさを変更して発振周波数の調整量を変えることもできる。

図５は、本発明の他の実施形態を示すもので、図１（ａ）と同様の断面説明図である。すなわち、この例は、スリット１５と対向する金属壁面６ａがアノードシェル１１に直接ロウ付けされた金属板６の一面で形成され、金属板６が真空外囲器の一部を構成している。そして、金属板６が可動金属片１７による応力で直接前後に変形されることにより、スリット１５と金属壁面６ａとの距離が変えられるようになっている。そのため、金属板６は、たとえば銅のように、たわみ（可撓）性の高い金属が用いられたり、０.５ｍｍ程度の薄い金属板が用いられる。この構造にすることにより、セラミックスなどからなる誘電体板を用いる必要がなくなり、簡単な構造で安価にアノード１側の真空を保持することができる。この場合、可動金属片１７は真空外囲器とは関係なく、可動金属片１７の移動により、金属板６を変形させることにより、発振周波数を変化させることができる。この場合、周波数調整後に可動金属片１７を取り外すことも可能となり、つまり、可動金属片１７を調整治具として使用することも可能となる。

上述した誘電体板１８、スリット板１５ａおよび金属板６は、いずれもアノードシェル１１の凹部１１ａ内に直接ロウ付けなどにより固定することもできる。この構造にすることにより、組立が非常に容易になり、組立工数を低減させることができ、かつ、真空保持を容易に行うことができる。この場合、誘電体板１８をアノードシェル１１またはスリット板１５ａにロウ付けする場合には、図６に示されるように、誘電体板１８の一面の外周にメタライズ層１８ａを形成しておいてからロウ付けを行うことにより、簡単にロウ付けすることができる。

本発明によれば、固定周波数のマグネトロンで、製造上のバラツキにより発振周波数がばらつく場合でも、そのバラツキは本発明の同調機構により充分に調整して、一定の発振周波数に合せることができると共に、発振周波数を可変にして使用する同調型マグネトロンにする場合でも、ダイヤフラムなどの高価な部品を使用することなく、非常に簡単な構成で安価に可変同調型のマグネトロンが得られる。なお、上述の例では、１個の共振空胴のみに同調機構を設ける例であったが、複数の共振空胴に設けることもでき、複数の共振空胴に設けることにより、さらに可変周波数の範囲を広くすることができる。

前述の各例では、アノードシェル１１の内周壁に複数枚のベーン１２を固着して共振空胴１４を複数個形成するベーン構造のマグネトロンが示されているが、アノードがスリットにより分割されて多分割にされたラインジングサン型や、アノードシェルと一体物にスロットが形成されることにより複数個の共振空胴にされる場合などでも、同様に本発明を適用することができる。

本発明によるマグネトロンの一実施形態を説明する図である。 図１に示される構造で、金属壁面とスリットとの距離を変えたときの発振周波数の変化の関係を示す説明図である。 図１に示される構造で、金属壁面とスリットとの距離を変えたときの導波管から見た共振空胴の結合度の関係を示す説明図である。 本発明によるマグネトロンの他の実施形態を説明する図である。 本発明によるマグネトロンのさらに他の実施形態を説明する図である。 図１や図４に用いられる誘電体板にメタライズが施される状態を示す斜視説明図である。 従来のマグネトロンにおける機械的同調の一例を示す断面説明図である。

符号の説明

１ アノード
２ カソード
４ 出力アンテナ
５ 導波管
６ 金属板
１１ アノードシェル
１２ ベーン
１３ ストラップ
１４ 共振空胴
１５ スリット
１６ 外部空間
１７ 可動金属片
１７ａ 金属壁面
１８ 誘電体板

Claims (4)

1. 円筒状のアノードシェル内周側に複数個に分割された共振空胴が形成されるアノードと、該アノードの中心部に前記アノードシェルの軸方向に沿って設けられるカソードと、前記共振空胴の少なくとも１つとスリットを介して電気的に結合される外部空間とを具備し、該外部空間を区画し、前記スリットと対向する金属壁面を、前記スリットから張り出した前記共振空胴の電界と接近させ、前記共振空胴の共振周波数を変化させるために、前記金属壁面が前記スリットとの距離を変化させ得るような可動構造に形成されていることを特徴とする周波数可変型マグネトロン。
2. 前記スリットと対向する金属壁面が、真空外囲器の一部を構成する金属板の一面により形成され、該金属板が取り外し可能な可動片による外部からの応力により変形されることにより、前記スリットと前記金属壁面との距離を変化させ得る構造に形成されてなる請求項１記載の周波数可変型マグネトロン。
3. 前記金属壁面が、可動金属片の一面により形成され、該可動金属片が前記アノードシェル内でスライドする構造に形成されることにより、前記スリットと前記金属壁面との距離を可変させる構造である請求項１記載の周波数可変型マグネトロン。
4. 前記共振空胴に形成される前記スリットに換えて該スリットよりも大きな開口部が形成され、該開口部に誘電体板からなり真空外囲器の一部を構成する隔壁が設けられ、前記スリットが板状部品に形成され、該該板状部品が前記誘電体板の前記外部空間側にロウ付けされてなる請求項１ないし３のいずれか１項記載の周波数可変型マグネトロン。

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