JP4909654B2 - Pulse magnetron - Google Patents
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Description
本発明は、パルス動作によりマイクロ波を発振するパルスマグネトロンに関する。さらに詳しくは、スプリアスの発振を効果的に抑制することができる構造のパルスマグネトロンに関する。 The present invention relates to a pulse magnetron that oscillates a microwave by a pulse operation. More specifically, the present invention relates to a pulse magnetron having a structure capable of effectively suppressing spurious oscillation.
マグネトロンは、たとえば図6に示されるように、円筒状のアノードシェル11の内周に複数個のベーン12が放射状に設けられ、隣接する2個のベーンとアノードシェル11との間の空間に空胴が形成され、ストラップ14がπモード発振を安定させるため、1枚おきのベーン12を連結することによりアノード1が形成されている。そして、アノード1の中心にカソード2が配置され、アノード1の内周端(ベーン12先端部)とカソード2の表面との間の作用空間4にカソード2の表面とほぼ平行な磁界を印加できるようにアノードシェル11の軸方向両端部に一対のポールピース3が設けられ、カソード2から放出された電子が作用空間4で直交電磁界の作用により、回転運動をしてエネルギーを空胴に与え、発振する構造になっている。そして、レーダなどに用いられるマグネトロンでは、陽極電圧をパルスで印加することにより動作させられる。
In the magnetron, for example, as shown in FIG. 6, a plurality of
近年、マイクロ波を放射する装置に対して、スプリアス放射の規制が厳しくなる傾向にある。その傾向の中にあって、パルスマグネトロンの基本波発振周波数近傍の周波数でのスプリアスも問題になりつつある。レーダに使用されるマグネトロンは、パルスで動作するため、その発振出力のスペクトラムは、図7に示されるように、主ローブの他に側帯にローブを有する波形となる。このスペクトラム特性は、パルスマグネトロンを動作するパルス幅で決まり、発振出力波形を基にフーリエ解析したスペクトラムより狭くなることはない。逆に通常は、様々な要因で前述した理論上のスペクトラムより広がる場合が多い。また、基本波発振周波数を中心として、線対称の波形を示さず、図7に示されるように、側帯のローブに突出する分布(P’)をもったりする場合があり、スプリアスの原因になっている。 In recent years, there is a tendency for spurious emission regulations to become stricter for devices that emit microwaves. In this trend, spurious at frequencies near the fundamental oscillation frequency of the pulse magnetron is becoming a problem. Since the magnetron used in the radar operates with pulses, the spectrum of the oscillation output has a waveform having lobes in the side bands in addition to the main lobe, as shown in FIG. This spectrum characteristic is determined by the pulse width for operating the pulse magnetron, and is not narrower than the spectrum obtained by Fourier analysis based on the oscillation output waveform. On the other hand, it usually spreads more than the theoretical spectrum described above due to various factors. In addition, a line-symmetric waveform is not shown centering on the fundamental oscillation frequency, and as shown in FIG. 7, there may be a distribution (P ′) protruding in the lobe of the side band, which causes spurious. ing.
以上のような、スペクトラムの崩れや側帯のローブが突出する原因の一つに、パルスマグネトロンの立上り時の定格動作点以外の発振がある。従来のパルスマグネトロンを発振させるとき、陽極電圧を徐々に上げると、パルスマグネトロンを動作させる定格電流値の約5〜10%程度の低い電流値において、既に発振が行われる。このときの出力レベルは、定格出力の−40〜−60dBc程度のレベルであり、周波数は、定格時の基本波発振周波数より低い側で発振が行われる。このような動作特性を有する従来のマグネトロンをパルス動作で使用すると、基本波周波数の低い側で、毎回のパルスの立上りの度に、この電流領域を通過するため、毎回定格出力の−40〜−60dBc程度の発振が図7のQ’で示すように行われることになる。したがって、スペクトラムを観測したとき、基本波周波数の低い側の側帯に−40〜−60dBc程度の突起を有する分布を示すことになる。 As described above, one of the causes of the spectrum collapse and the sideband lobe protruding is oscillation other than the rated operating point at the rise of the pulse magnetron. When the conventional pulse magnetron is oscillated, when the anode voltage is gradually increased, oscillation is already performed at a current value as low as about 5 to 10% of the rated current value for operating the pulse magnetron. The output level at this time is about −40 to −60 dBc of the rated output, and the frequency is oscillated on the side lower than the fundamental wave oscillation frequency at the rated time. When a conventional magnetron having such operating characteristics is used in pulse operation, it passes through this current region every time the pulse rises on the lower fundamental frequency side, so that the rated output of -40 to- Oscillation of about 60 dBc is performed as indicated by Q ′ in FIG. Therefore, when the spectrum is observed, a distribution having protrusions of about −40 to −60 dBc in the side band on the lower side of the fundamental frequency is shown.
このようなスプリアス放射が発生すると、レーダセットから不要電波が放射されて問題になるため、レーダセット内にフィルタを装着する必要が生じる。しかしながら、レーダセットは、船舶の高い位置に取り付けられることが多く、軽量で小型な設計が要求されると共に、フィルタの加工精度は、基本波以外の減衰量を確保しつつ、基本波を減衰させずに通過させる必要があるため、非常に精度の高い寸法加工が必要となり、コストが高くなるという問題がある。従って、パルスマグネトロンをパルスで駆動する場合において、パルスの立上りの基本波が基本波周波数で発振する直前の発振を抑えることが肝要となる。そして、このような作用空間における電界分布および磁界分布の不均一化に伴う定格動作
点以外の発振を抑制するため、たとえばカソード表面とベーン先端との距離を軸方向で変えるなどの対策が施されている(たとえば特許文献1参照)。
When such spurious radiation occurs, unnecessary radio waves are radiated from the radar set, which causes a problem. Therefore, it is necessary to mount a filter in the radar set. However, the radar set is often mounted at a high position on the ship and requires a lightweight and compact design, and the processing accuracy of the filter attenuates the fundamental wave while ensuring attenuation other than the fundamental wave. Therefore, there is a problem that the dimensional processing with very high accuracy is required and the cost is increased. Therefore, when the pulse magnetron is driven with a pulse, it is important to suppress oscillation immediately before the fundamental wave at the rising edge of the pulse oscillates at the fundamental wave frequency. In order to suppress oscillation other than the rated operating point due to the non-uniformity of the electric field distribution and magnetic field distribution in the working space, measures such as changing the distance between the cathode surface and the vane tip in the axial direction are taken. (For example, refer to Patent Document 1).
一方、マグネトロンは、前述の磁界の作用により、カソードから放出された電子は螺旋運動をしてカソードに戻りカソードを逆衝撃(バックボンバード)するものがあり、熱電子放出物質の消耗も激しくなるため、熱電子放出物質がカソード表面の全面に露出しないように、カソードの表面にメッシュを設けてそのメッシュの網目内に電子放出物質を埋め込んだり、カソードの基体金属に格子状の凹凸部やストライプ状の溝を形成して、その窪み内に電子放出物質を埋め込んだりする構造が採用され、たとえば図8にカソードの基体金属21が示されるように、カソードの基体金属21の軸方向に沿って溝25が形成されたものも知られている(たとえば特許文献2参照)。
前述のように、作用空間における電界分布および磁界分布の不均一化がマグネトロンの構造上発生するために、立上りの僅かな電子の挙動が非常に低いレベルでのスプリアス発生を起す原因になっており、そのような定格動作点以外の発振を抑制する対策は行われている。 As described above, since the electric field distribution and magnetic field distribution in the working space are made uneven due to the structure of the magnetron, the behavior of slight rising electrons causes spurious generation at a very low level. Measures to suppress oscillation other than the rated operating point have been taken.
しかし、本発明者が、さらに鋭意検討を重ねた結果、カソード表面の熱電子放出物質の塗布構造によっても、定格動作点以外の発振が起こり、同様のスプリアスが発生し得ることを見出した。この電子放出物質の塗布構造に起因する定格動作点以外の発振は、従来のカソード表面の全面に電子放出物質を設ける構造でも、図8に示されるような溝内に電子放出物質が埋め込まれるカソードでも、同様に起こることを見出した。前述のように、このような定格動作点以外の発振が起こると、発振スペクトラムの崩れや側帯のローブが突出する現象が現れ、規制の厳しいスプリアス放射が行われるため、スプリアスの発生しないパルスマグネトロンが要望される。 However, as a result of further intensive studies by the present inventors, it has been found that oscillations other than the rated operating point can occur and the same spurious can occur depending on the coating structure of the thermionic emission material on the cathode surface. Oscillations other than the rated operating point due to the electron emission material coating structure are the cathodes in which the electron emission material is embedded in the groove as shown in FIG. But I have found that this happens as well. As mentioned above, when oscillations other than the rated operating point occur, the oscillation spectrum collapses and the sideband lobe protrudes, and spurious emission with strict regulation occurs. Requested.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、パルスマグネトロンで特に問題となるパルス立上り時や立下り時における定格動作点より低い動作による発振を防止し、特に基本波発振周波数より低い周波数である側波帯で発生するスプリアスを抑制したパルスマグネトロンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and prevents oscillation due to an operation lower than the rated operating point at the time of pulse rising or falling, which is particularly problematic in a pulse magnetron, and particularly lower than the fundamental wave oscillation frequency. An object of the present invention is to provide a pulse magnetron in which spurious generated in a sideband which is a frequency is suppressed.
本発明によるパルスマグネトロンは、円筒状のアノードシェルの内周壁に、複数個のベーンが放射状に設けられることにより形成されるアノードと、前記複数個のベーンの先端部と対向するように、前記アノードの中心部で軸方向に沿って設けられるカソードと、該カソードの表面と前記ベーンの先端部とが対向する作用空間に、前記カソードの表面とほぼ平行な磁界を印加し得るように設けられる1組のポールピースとを有し、パルスで動作するパルスマグネトロンにおいて、前記カソードの表面で、前記複数個のベーンの各ベーンの先端部と対向する部分に合せて軸方向に沿った溝が形成され、該溝内に熱電子放出物質が塗り込まれていることにより、スプリアスの発生を抑制することを特徴とする。
The pulse magnetron according to the present invention includes an anode formed by providing a plurality of vanes radially on an inner peripheral wall of a cylindrical anode shell, and the anode so as to face the tip portions of the plurality of vanes. A cathode provided along the axial direction at the center of the cathode and a working space in which the surface of the cathode and the tip of the vane face each other are provided so that a magnetic field substantially parallel to the surface of the cathode can be applied. In a pulse magnetron having a pair of pole pieces and operating by a pulse, a groove along the axial direction is formed on the surface of the cathode so as to match a portion facing the tip of each vane of the plurality of vanes. In addition, the thermal electron emission material is applied in the groove to suppress the occurrence of spurious .
ここにベーンとは、アノードシェルと共に空胴を形成する部分を意味し、アノードシェルの内周壁に板状の翼片をロウ付けなどにより固着するものの他、スロットタイプやライジングサン型のように、一体のアノードにスロットなどを設けることにより空胴を形成する場合などにおけるアノード内周部に突出する部分などを含む意味である。 Here, the vane means a part that forms a cavity together with the anode shell, and in addition to a plate-like blade piece fixed to the inner peripheral wall of the anode shell by brazing or the like, like a slot type or a rising sun type, The term includes a portion protruding from the inner periphery of the anode in the case where a cavity is formed by providing a slot or the like in the integral anode.
前記ベーンの先端部で、前記軸方向の両端部の角部に面取り加工が施されていることにより、さらに磁界の強い部分での電界の不均一の影響を抑制することができ、さらにスプリアスを制御することができる。なお、面取り加工とは、角部を曲線状にカットするR加
工や直線状にカットするC加工などを含む加工を意味する。
By chamfering the corners at both ends in the axial direction at the tip of the vane, it is possible to suppress the influence of the electric field nonuniformity in the portion where the magnetic field is stronger, and to reduce the spurious. Can be controlled. The chamfering means processing including R processing for cutting a corner portion into a curved shape, C processing for cutting into a straight shape, and the like.
この構造にすることにより、電界が最も強い各ベーン12の先端と対向するカソード2表面に熱電子放出物質が配置され、パルス電圧が印加されると、カソード2表面の熱電子放出物質から大量の電子放出が起こり、定格での発振に短時間で達することになる。そのため、従来のような、カソード2表面の一部で定格電流値より低い電流値において、基本波より低い周波数で発振するという、定格動作点以外の発振が起こらず、スプリアスの発生を抑制することができる。
With this structure, a thermionic emission material is arranged on the surface of the
また、磁束密度の大きいベーン12先端部の両端部で、各ベーンの先端と対向するカソード2の表面との距離を離すように面取り加工を施すことによって、電界の高い部分を無くし、均一な電界を与えることとなり、同様にスプリアスの発生を抑制することができる。
Further, by chamfering the both ends of the tip of the
つぎに、図面を参照しながら本発明のパルスマグネトロンについて説明をする。本発明によるパルスマグネトロンは、図1および図2にその一実施形態の縦断面および横断面の説明図が示されるような構造になっている。すなわち、円筒状のアノードシェル11の内周壁に、複数個のベーン12が放射状に設けられることによりアノード1が形成されている。そのアノード1の中心部にカソード2が設けられ、ベーン12の先端部とカソード2の表面とが対向する作用空間4にカソード2の表面とほぼ平行な磁界を印加し得るように、アノードシェル11の軸方向両端部に、1組のポールピース3が設けられている。本発明では、カソード2の表面に軸方向に沿った溝が形成され、その溝がカソード周囲に配置されるアノードを構成するベーン12の先端部と対向する部分に合せて形成されており、その溝内に熱電子放出物質22が塗り込まれていることに特徴がある。
Next, the pulse magnetron of the present invention will be described with reference to the drawings. The pulse magnetron according to the present invention has a structure as shown in FIG. 1 and FIG. 2 showing explanatory views of a longitudinal section and a transverse section of the embodiment. That is, the
アノード1は、図1および図2に示されるように、無酸素銅などからなるアノードシェル11の内周壁に、無酸素銅などの板材からなる複数個のベーン(陽極片)12の一端部が固着され、その他端部は、アノードシェル11の中心に向かって延び、そのベーン12間に、発振させる所望の周波数で共振する空胴13が形成されている。そして、1個おきのベーン12をストラップ14により連結して、それぞれπラジアン位相を異ならせることにより、πモード発振をしやすい構造に形成されている。なお、このアノード1は、ベーン12がアノードシェル11に固着される構造でなくても、一体のアノードにスロットなどを形成することにより空胴を形成する構造でもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ベーン12の先端部で囲まれるアノードシェル11の中心部には、同心状にカソード2が挿入され、ベーン12の先端部とカソード2の表面との間に作用空間4が形成され、カソード2から放射される電子が運動する空間になっている。この作用空間4にカソード2の表面とほぼ平行な磁界を印加することができるように、アノードシェル11の軸方向の両端部からは、鉄などの強磁性材料からなる1組のポールピース3が挿入され、アノードシェル11に固定され、図示しない永久磁石または電磁石により磁界を作用空間4に印加できるようになっており、アノード・カソード間に印加される陽極電圧と共に、作用空間4に印加される直交電磁界の作用により、カソード2からの電子がカソード2の廻りを回転運動してエネルギーを空胴13に与えることにより発振する構造になっている。レーダ装置に使用されるマグネトロンでは、陽極電圧をパルスで印加することにより、パルス動作させられる。
A
カソード2は、図1および図2に示されるように、たとえばニッケルをベースとする円筒状の基体金属(ベースとなる金属)21の表面に、軸方向に沿って溝(凹溝)が形成され、その溝内に熱電子放出物質22が埋め込まれている。この溝は、図2から明らかなように、各ベーン12の先端部と対向する部分に合せて溝が形成されている。そのため、ベーン12のそれぞれの先端部と対向する部分のカソード2の表面には、そのベーン12の先端部のほぼ全面積に対向する部分に熱電子放出物質22が存在し、その横側には基体金属21が存在していることに特徴がある。熱電子放出物質22は、従来のものと同じであるが、最も一般的は、バリウム、ストロンチウムおよびカルシウムなどの炭酸塩が溝内に充填され、真空下で熱分解して酸化物とすることによりオキサイドが形成されている。この溝の深さおよび幅は、熱電子放出物質の必要量に合せて、また、電界が印加された際に電子放出物質22に適度な抵抗値をもって電流が流れるように設定されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
つぎに、カソード2がこのような構造に形成されていることにより、スプリアスを抑制することができる理由について説明をする。パルス陽極電圧が印加され、電圧が徐々に立ち上がるとき、アノード1とカソード2との距離はベーン12先端部とそのベーン12に対向する部分のカソード2の表面とが一番近い。そのため、電界が最も強いベーン12の先端と対向するカソード2全面から一斉に電子の放出が起こり、一度に発振が開始されることになる。すなわち、電子放出部の対アノード間の電圧が一定となり、これにより、従来立上り時の電子放出が不均一であるために発生していた基本波発振周波数より低い周波数での微小なレベルの発振が抑制される。
Next, the reason why spurious can be suppressed by forming the
これは、従来のカソード2表面全面の電子放出物質22が塗布されている場合に、電界の強いベーン12の先端部と対向するカソード2表面全面の一部の電子放出物質から定格電流値よりも低い電流値において発振が開始したり、軸方向に沿って溝が形成され、その溝内の電子放出物質が埋め込まれている場合でも、その位置がベーンの位置と無関係でランダムに設けられることによって、ベーン12の先端部に対向するカソード2の表面の一部の電子放出物質から定格電流値より低い電流値において発振が開始したりする場合と大きく異なる。つまり、本発明のように、カソード2上の電子放出物質(オキサイド)塗布面とアノード1のベーン12の先端部とが対向しており、ベーン12の対向部以外のところが基体金属22であれば、電子放出面の電界が一律となり、また、放出された電子の速度が安定するため、集群してスポークを形成しやすくなる。その結果、陽極電圧パルスの立上りに際して、ある電圧値に達すると、一度に安定して発振が開始され、周波数の低い不要発振が抑制される。
This is because, when the
図1に示される構成のときのパルスマグネトロンの発振特性を調べた結果を、図5に示す。従来構造のスペクトラムを示した図7と比較すると明らかなように、本発明によれば、主ローブから見て周波数の低い側のローブQに突起部がなく、低い周波数でのスプリアスが抑制されていることが明確に現れている。なお、図5から明らかなように、周波数の高い側の側帯のローブPの突出部も抑制されていることが分る。これは、短時間に定格での発振が行われるため、他のモードによる発振がないことによる。 FIG. 5 shows the result of examining the oscillation characteristics of the pulse magnetron in the configuration shown in FIG. As is clear from comparison with FIG. 7 showing the spectrum of the conventional structure, according to the present invention, the lobe Q on the lower frequency side as seen from the main lobe has no protrusion, and spurious at a lower frequency is suppressed. It clearly appears that As is apparent from FIG. 5, it can be seen that the protruding portion of the lobe P in the side band on the higher frequency side is also suppressed. This is because the oscillation at the rated value is performed in a short time, and there is no oscillation in other modes.
図3〜4は、さらにスプリアスを除去するのに適した例を示すベーン12の先端部とカソード2の対向部分を拡大して示す図である。すなわち、ベーン12の先端部でカソードと対向する部分の軸方向両端部のベーン12の角部12aが面取りされた構造である。図3は、円弧状のRで面取りされたもので、Rの大きさとしては、ベーン12の高さをhとして、h/10以下にすることが好ましい。これは、ベーン12の高さとベーン12の高さ方向の作用空間4での磁束密度変化を勘案すると、h/10以下であれば、充分に電界の影響を避けることができるからである。ベーンの角部12aでは電界が高くなりやすいが、このような形状にすることにより、作用空間4での電界のとくに高い点がなくなり、
パルス陽極電圧が上昇したときに、不用意にエミッションが発生せず、電子放出部の対アノード1間の電圧が一定となり、パルスの印加電圧が特定の電圧に達したときに、電子の放出が一斉に起こり、一度に発振が開始されることになる。その結果、図1および図2に示される構造のマグネトロンのスプリアス抑制の効果をさらに向上させることができる。
3 to 4 are enlarged views showing the front end portion of the
When the pulse anode voltage rises, inadvertent emission does not occur, the voltage between the
図4に示す構造は、ベーン12の角部12aの除去を、図3のR面ではなく、直線状のC面に面取りしたものである。このような構造でも、ベーンの角部12aが除去されることにより、図3に示される構造と同様の効果が得られる。この場合も、カットする長さcは、h/10以下であることが望ましい。
The structure shown in FIG. 4 is obtained by chamfering the
本発明は、漁船、航空機、気象用などのレーダの送信管として利用することができる。 The present invention can be used as a transmission tube of a radar for fishing boats, aircraft, weather, and the like.
1 アノード
2 カソード
3 ポールピース
4 作用空間
11 アノードシェル
12 ベーン
13 空胴
14 ストラップ
21 基体金属
22 電子放出物質
1
11 Anode shell
12 Vane
13 Cavity
14 Strap
21 Base metal
22 Electron emitting materials
Claims (1)
前記カソードの表面で、前記複数個のベーンの各ベーンの先端部と対向する部分に合せて軸方向に沿った溝が形成され、該溝内に熱電子放出物質が塗り込まれていることにより、スプリアスの発生を抑制することを特徴とするパルスマグネトロン。 An anode formed by providing a plurality of vanes radially on the inner peripheral wall of the cylindrical anode shell, and an axial direction at the center of the anode so as to face the tip of the plurality of vanes And a pair of pole pieces provided in a working space in which the surface of the cathode and the tip of the vane face each other so that a magnetic field substantially parallel to the surface of the cathode can be applied. In a pulse magnetron that operates with pulses,
In the cathode surface, said plurality of grooves along the axial direction in accordance with the tip facing portion of each vane of the vane is formed by the thermal electron emission material is rubbed into the groove A pulse magnetron characterized by suppressing spurious generation .
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