JP4252274B2 - マグネトロン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、スプリアスモードの発振を効果的に抑制することができる構造のマグネトロンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、発振管であるマグネトロンは、その発振機構上スプリアス放射抑制が困難なデバイスである。しかし、マグネトロンは低価格、かつ、取扱いが容易で大出力が得られることから、レーダ装置などの送信機に広く用いられている。そのため、マグネトロンのスプリアス放射を抑える製品開発が進められている。
【０００３】
一般的にマグネトロンは、主発振モードとしてπモードと呼ばれる隣接する空胴間がπラジアンの位相差となるモードで発振させている。しかしながら、マグネトロンは、その構造からこのπモード以外の沢山の共振モードを有している。ベーンストラップタイプのマグネトロンにおいて、一般的にマグネトロンが放射するスプリアス成分の中で最大のものは、π−１モードとよばれる成分で、πモードの発振周波数に対して、１.１〜２倍程度の周波数の不要輻射を発生させる。通常は、このπモードとπ−１モードの出力レベルの比は、−３０〜−５０ｄＢｃ（基本波レベルとの比較デシベル値）程度得られているが、混信やノイズ源とならないように、さらに高いレベルでスプリアス輻射を抑制する必要がある。
【０００４】
これらスプリアス輻射を抑制するため、マグネトロン５０のアンテナ５１からπモードの基本波と共に、導波管５２内に伝送されたスプリアス発振波を、図５に示されるように導波管５２に接続されたフィルタ５３により減衰させる回路構成が考えらている。なお、図５で５５はアノードシェル、５６はベーン、５７はストラップをそれぞれ示している。
【０００５】
フィルタとしては、主発振モードの周波数を通過し、スプリアス成分のπ−１モードを通過しないような、帯域通過フィルタ、低域通過フィルタ、帯域阻止フィルタなどの使用が考えられている（たとえば特許文献１参照）。フィルタを装着することにより、通過帯域幅となるπモードの基本波発振は、問題なく通過するが、たとえばπモードより高い周波数にあるπ−１モードのスプリアス発振は、フィルタにより遮断され、送信アンテナ方向に伝送されないことになる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２００１−３５３９９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、マグネトロンでは、スプリアス発振波が出力から輻射されるため、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、船舶などの高い位置に取り付けられることが多く、軽量で小型に設計することが要求され、フィルタの装着と相反することになる。また、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ことから、精度の高い寸法での加工が必要となり、コストが高くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、マグネトロンでとくに問題となるπ−１モードなどのスプリアスの発振を抑制し、フィルタを挿入しなくても、スプリアスの輻射を抑制することができるマグネトロンを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、マグネトロンでスプリアス発振を抑制するため鋭意検討を重ねた結果、たとえばベーンの側端部とポールピースとの間の空間などを利用して、スプリアス発振をする周波数より若干低い周波数で共振する共振モードを形成することにより、スプリアスを発生する共振のＱ値が低下し、非常にその発振を抑制することができ、ノイズとして殆ど問題を生じない程度にすることができることを見出した。そして、とくにその出力が大きいπ−１モードのスプリアスは、基本波の周波数（波長λ）に対して、１.１倍程度にあり、たとえばポールピースの先端部を、ベーンの先端部からベーン長の１／３以上の範囲において、ベーンの側端部に対して０.０１５λ以内の位置に近づけることにより、ベーンの側端部とポールピースとの間の空間により起因するモードの共振周波数がπ−１モードより若干低い周波数で共振し、π−１モードの共振のＱ値を低下させてその発振を大きく抑制し得ることを見出した。
【００１０】
本発明によるマグネトロンは、円筒状のアノードシェルの内周壁に、一端部が固着され、該一端部と対向する先端部が該アノードシェルの中心に向って放射状に延びるように、複数個のベーンが設けられることにより隣接するベーン間に空胴が形成されるアノードと、該アノードの中心部に設けられるカソードと、前記ベーンの先端部と前記カソードとが対向する作用空間に前記カソードとほぼ平行な磁界を印加し得るように前記ベーンの側端部側から挟み込むように設けられる１組のポールピースとを有するマグネトロンにおいて、前記１組のポールピースの少なくとも一方の先端部と前記ベーンの側端部との間に、前記ベーン先端部から該ベーンの長さ（前記一端部と先端部との間の長さ）の１／３以上の範囲において、前記ベーンの側端部との間隔が０．０１５λ（λはマグネトロンの発振波長）以内の位置に、非磁性体からなる金属片が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
ここにベーンの側端部とは、アノードシェルの軸方向に延びるベーンの両端部を意味し、アノードシェルの半径方向におけるベーンの両端部が前記一端部および先端部を意味し、この径方向のベーン長が、前記ベーンの長さを意味する。
【００１２】
この構造にすることにより、ベーンの側端部とポールピース先端部との間に形成される空間部の共振周波数が、π−１モードのスプリアス発振の周波数より若干低い共振周波数となり、π−１モード発振の共振のＱ値が低下し、その結果、π−１モード発振の出力を非常に小さくすることができ、フィルタを付加しなくても、スプリアスとしての影響を殆ど与えないマグネトロンとすることができる。
【００１３】
前記１組のポールピースの少なくとも一方の先端部と前記ベーンの側端部との間に、前記ベーン先端部から該ベーンの長さ（前記一端部と先端部との間の長さ）の１／３以上の範囲において、前記ベーンの側端部との間隔が０．０１５λ（λはマグネトロンの発振波長）以内の位置に、金属片が設けられている構造にすることで、ポールピースの間隔は最適な寸法を維持して作用空間に最適な磁界を印加しながら、銅などの非磁性体により、スプリアスのＱ値を低下させる共振モードを形成することができる。なお、金属片としては、ポールピースの先端に付着させる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
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。本発明によるマグネトロンは、図１にその一実施形態の断面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、一端部が固着され、その一端部と対向する先端部１２ａがアノードシェル１１の中心に向って放射状に延びるように、複数個のベーン１２が設けられることにより隣接するベーン間に空胴１３（図１（ｂ）参照）を有するアノード１が形成されており、そのアノード１の中心部にカソード２が設けられている。そして、ベーン１２の先端部１２ａとカソード２とが対向する作用空間３にカソード２とほぼ平行な磁界を印加し得るようにベーン１２の側端部１２ｂ側から挟み込むように、１組のポールピース４が設けられている。
【００１７】
本発明では、このベーン先端部１２ａからベーンの長さＬ（前記一端部と先端部との間の長さ）の１／３以上の範囲Ａにおいて、ベーンの側端部１２ｂとポールピース４の先端部との間隔Ｂが０.０１５λ（λはマグネトロンの発振波長）以内で、かつ、ベーン１２と接触しないように、ポールピース４の少なくとも一方が設けられていることに特徴がある。
【００１８】
アノード１は、図１（ａ）および（ｂ）にそれぞれ縦断面および横断面の説明図が示されるように、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１２ａ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。
【００１９】
ベーン１２の先端部１２ａ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１２ａとカソード２との間に作用空間３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３のカソード２と平行方向に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４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３に印加できるようになっており、作用空間に印加される電磁界により電子が運動してエネルギーを空胴に与えることにより共振するように形成されている。
【００２０】
図１に示される例では、ポールピース４の先端部とベーン１２の側端部１２ｂとの間隔Ｂが、発振波長をλとして０.０１５λ以下となるようにポールピース４が設けられている。すなわち、前述のように、主発振のモードはπモードで発振するようにアノード１が形成されており、このようなπモードで発振するマグネトロンは、その発振周波数の１.１倍程度の周波数となるπ−１モードのスプリアスが一番大きな出力のスプリアスとなり、その周波数より若干低い周波数で共振する共振モードを形成することにより、π−１モードの共振のＱ値を低下させることができ、その発振出力を非常に低下させ得ることを見出したものである。そして、前述のポールピース４の先端部とベーン側端部１２ｂとの間隔を０.０１５λ以下にすることにより、π−１モードの共振のＱ値を低下させ得ることを見出しものである。
【００２１】
たとえば主発振を９.４ＧＨｚとすると、その波長λは、３１.９ｍｍであり、０.０１５λは０.４８ｍｍ程度と非常に小さくなり、その間の容量がきいて、π−１モードの発振周波数より低い周波数で共振した。これより間隔を広くすると、共振周波数が高くなり、π−１モードのスプリアスを効率的に減少させることができなかった。また、この間隔にする範囲として、あまり狭い範囲では充分にスプリアスを抑制することができず、ベーン先端部１２ａから少なくともベーン長Ｌの１／３以上の範囲Ａに亘って上記間隔Ｂを保持する必要があった。
【００２２】
図２は、このマグネトロン共振器のリターンロス特性をネットワークアナライザにより観測したものである。横軸は、周波数で縦軸がリターンロス量をｄＢで表示している。図中の周波数９.４ＧＨｚにあるディップが基本波であるπモードの共振である。そして、一般的にマグネトロン放射のスプリアス成分の中で最大であるπ−１モードのスプリアス周波数が、図２に点線で示されるように１０.５ＧＨｚ程度にある。図２に実線で示されるように、前述のポールピース４とベーン側端部１２ｂとの間の距離Ｂを、ベーン先端部１２ａから、ベーン長Ｌの１／３の範囲Ａでマグネトロンの発振波長λの０.０１５倍以内と選択することにより、主発振の９.４ＧＨｚでの共振ディップはそのまま現われ、π−１モードの周波数より若干低いところに近接して、新たな共振モード周波数が現われ、Ｑ値を低下させている。これにより、πモード以外のＱ値の低い発振が抑制されて、スプリアス発振が抑制される。
【００２３】
このように、ベーン側端部１２ｂとポールピース４との間隔Ｂを前述の寸法以下にしなくても、ベーン側端部１２ｂとポールピース４との間の空間を利用して、πモードより高くπ−１モードより低い周波数で共振するような共振モードを形成することにより、π−１モードの発振を有効に阻止することもできる。すなわち、こうすることにより、パルス陽極電圧が加わり、立上り部でπ−１モード発振が起こる前に、周波数が低いポイントにある上記の共振でロックがかかり、π−１モードで発振することなく、πモードの発振が立ち上がることになるからである。したがって、マグネトロンからは、πモードは従来どおりで影響なく輻射され、π−１モードは輻射されないというスプリアスの抑制されたスペクトラム特性を有する良質のマイクロ波が供給される。この場合、この空間５における共振周波数が最も低いπ−１モード周波数（π−１モードの発振し得る周波数の一番低い周波数）２５０ＭＨｚ以内になるように調整することにより、前述のＱ値を下げることにも寄与し、より一層スプリアス発振を抑制することができる。
【００２４】
ポールピース４は、本来、作用空間３に磁界を与えることが目的であるため、その先端部の形状は完全な平坦面である必要はない。すなわち、先端部を尖らせたり、エッジを面取り加工したり、中心部においてカソード２からの距離を確保するために遠く離した形状であっても、本願の示したベーン１２の側端部１２ｂからベーン長Ｌの１／３の距離内で、ポールピース４の先端部の一部において前述の距離Ｂがマグネトロンの発振波長の０.０１５倍以内となる部分が存在すれば、上述したような効果が得られる。
【００２５】
前述の例では、ポールピース４の先端部を所定の寸法以下となるようにベーン１２の側端部１２ｂに近づけるか、ベーン側端部１２ｂとポールピース４との間の空間部に起因する共振モードがπモードより高くπ−１モードより低い周波数で共振するように、ポールピース４の先端部を配置する構成にしたが、ポールピース４の先端部をベーン１２側に近づけることにより、１組の対向するポールピース４の間隔が変ると、作用空間３への磁界パターンが変り、発振特性に影響が現れる場合がある。このような場合には、ポールピース４の先端部の位置を変えることなく、ポールピース４の先端部に銅のような非磁性体からなる金属片６を貼着したり、アノードシェル１１の内壁に固着した金属片６をベーン先端部１２ｂからベーン長Ｌの少なくとも１／３の部分Ａをカバーするように設けてもよい。
【００２６】
すなわち、図３に示される例がポールピース４の先端部に無酸素銅からなる金属片６を貼着することにより、その表面とベーン側端部１２ｂとの距離Ｂを０．０１５λ以下となるようにするか、ベーン側端部１２ｂとポールピース４との間の空間５に起因する共振モードの共振周波数がπモードより高くπ−１モードより低い周波数で共振するようにされている。すなわち、共振周波数的には、前述の図１に示される例と同様に作用しながら、金属片６が非磁性体からなっているため、磁界に関しては、ポールピース４を動かさないのと同様の特性を示し、マグネトロンのπモード発振の電気的特性には何ら影響を与えず、スプリアスの発生のみを抑制することができ、非常にスペクトラム特性の良好なマグネトロンが得られる。
【００２７】
図４に示される例は、金属片６をポールピース４に貼着しないで、アノードシェル１１の内周壁に固着して、直接その中心側に延ばすことにより、ベーン先端部１２ａから少なくとも１／３の範囲をカバーするように設けたものである。このようにしても、ベーン側端部１２ｂとの間隔Ｂを所定の寸法にすることにより、共振周波数をスプリアスモードの周波数より若干低い周波数に設定することができたり、ベーン１２とポールピース４との間の空間５に起因する共振モードをπモードより高くπ−１モードより低い周波数で共振するように設定することができる。なお、図３および図４において、金属片６以外の部分の構造は図１に示される構造と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２８】
図３および図４のいずれの例においても、金属片６は、ポールピース４の先端部全周に相当する部分に亘って均一に設けられてもよいし、所望の特性が得られるように、ポールピース４先端部表面の一部に相当する部分に部分的に形成され、部分的にベーン１２との間の容量を大きくすることにより、全体の特性を調整することもできる。
【００２９】
さらに、ポールピース４の先端部位置の調整や、金属片６を設ける構造は、１組の対向するポールピースの一方だけでも効果はあるし、両側のポールピース部分で調整しても構わない。また、１組のポールピース４の両側で、それぞれ異なる周波数で共振させることにより、一方でπ−１モードを抑制し、他方で他のモードのスプリアスを抑制することもできる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、主発振モードであるπモードのＱ値や、結合度に影響を与えることなく、π−１モードを代表とする、沢山のスプリアス共振のＱ値を低減することにより抑えることができる。その結果、πモードで安定に発振し、スプリアスを発生しないスペクトラム特性の優れたマグネトロンが得られる。したがって、スペース効率を阻害したり、重量増を余儀なくさせたフィルタをなくすることができるようになり、非常に使い勝手がよくなると共に、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマグネトロンの一実施形態を示す断面説明図である。
【図２】図１に示されるマグネトロンの共振特性をネットワークアナライザにより観測した図である。
【図３】本発明によるマグネトロンの他の構成例を示す断面説明図である。
【図４】本発明によるマグネトロンの他の構成例を示す断面説明図である。
【図５】従来のマグネトロンの構成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
３ 作用空間
４ ポールピース
１１ アノードシェル
１２ ベーン
１２ａ 先端部
１２ｂ 側端部
１３ 空胴

Claims (1)

1. 円筒状のアノードシェルの内周壁に、一端部が固着され、該一端部と対向する先端部が該アノードシェルの中心に向って放射状に延びるように、複数個のベーンが設けられることにより隣接するベーン間に空胴が形成されるアノードと、該アノードの中心部に設けられるカソードと、前記ベーンの先端部と前記カソードとが対向する作用空間に前記カソードとほぼ平行な磁界を印加し得るように前記ベーンの側端部側から挟み込むように設けられる１組のポールピースとを有するマグネトロンにおいて、
   前記１組のポールピースの少なくとも一方の先端部と前記ベーンの側端部との間に、前記ベーン先端部から該ベーンの長さ（前記一端部と先端部との間の長さ）の１／３以上の範囲で、前記ベーンの側端部との間隔が０．０１５λ（λはマグネトロンの発振波長）以内の位置に、非磁性体からなる金属片が設けられていることを特徴とするマグネトロン。

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