Устройство сложения мощностей генераторов на магнетронах
Владельцы патента RU 2394357:
Егоров Юрий Михайлович (RU)
Иванов Игорь Михайлович (RU)
Юсупалиев Усен (RU)
Артамонов Владимир Иванович (RU)
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к технике СВЧ. Техническим результатом является отсутствие водяного охлаждения, значительное снижение массогабаритных характеристик, уменьшение стоимости единицы СВЧ мощности в несколько раз. Устройство состоит из резонатора в виде отрезка прямоугольного волновода, закороченного по торцам, магнетроны расположены вплотную друг к другу на широкой стенке резонатора так, что выводы энергии магнетронов входят в резонатор через середину широкой стенки. Между выводами энергии магнетронов внутри резонатора симметрично установлены закорачивающие селекционные вставки. В другой широкой стенке резонатора, напротив каждого магнетрона, расположены излучающие щели для вывода энергии в окружающее пространство, а размер широкой стенки резонатора равен половине длины волны, соответствующей рабочей частоте магнетронов. Устройство позволяет складывать мощности N-го числа генераторов на магнетронах средней мощности для получения большей суммарной мощности в режиме взаимной синхронизации и когерентного излучения. 1 табл., 3 ил., 5 фото.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) - к сложению мощностей нескольких генераторов.
Уровень техники
Как известно, высокая стоимость мощных СВЧ-генераторов сильно тормозит разработку перспективных СВЧ-технологий и их внедрение в промышленное производство. В то же время во всем мире развернуто производство генераторов на магнетронах средней мощности (для бытовых СВЧ-печей), стоимость единицы мощности которых значительно ниже, чем стоимость единицы мощности генераторов на магнетронах большой мощности. Поэтому сложение мощностей генераторов на магнетронах является актуальной задачей с точки зрения снижения стоимости СВЧ-генераторных устройств, а также уменьшения их веса и габаритных размеров.
Однако сложение излучения магнетронов с целью увеличения мощности связано с серьезными трудностями из-за особенностей обеспечения условий взаимной синхронизации без существенного снижения кпд при их совместной работе.
Из литературы известно сложение мощностей СВЧ-генераторов на основе полупроводниковых приборов (транзисторы, диоды Ганна и т.п.) [1], а также на основе электровакуумных приборов (отражательные клистроны, магнетроны и т.п.) [2]. В частности, в работе [3] описано устройство «Многофункциональный сумматор СВЧ-мощности», работающий на 3 магнетронах средней мощности. В описанном устройстве мощности 3 генераторов складываются с использованием двойного волноводного тройника и шестигранного волновода, к тому же применяются фазовращатели в прямоугольных волноводах, обеспечивающие поляризационную развязку между генераторами. Устройство обеспечивает кпд суммирования до 95% в режиме взаимной синхронизации и одночастотных колебаний, а также в режиме многочастотных колебаний.
Недостатком этого устройства является наличие большого числа СВЧ-элементов: двойного волноводного тройника, шестигранного волновода и фазовращателей, с помощью которых достигается результат. Эти дополнительные к СВЧ-генераторам элементы приводят к увеличению материалоемкости всего устройства - повышается вес, увеличиваются габаритные размеры всего устройства и, как следствие, его стоимость.
В предлагаемом устройстве осуществляется сложение мощностей N-го числа генераторов на магнетронах средней мощности с применением прямоугольного резонатора.
Сущность изобретения
Устройство состоит из прямоугольного волновода 1, закороченного по торцам 2 (фиг.1). N-e число магнетронов 3 размещается вплотную друг к другу на широкой стенке волновода соответствующей длины L так, что выводы энергии магнетронов 4 вводятся внутрь образованного таким образом прямоугольного резонатора. Каждый магнетрон имеет собственный источник питания. Между выводами энергии магнетронов 4 симметрично располагаются селекционные вставки (штыри) 5, закорачивающие середины широких стенок. В другой широкой стенке резонатора напротив каждого магнетрона расположены излучающие щели 6 для вывода энергии в окружающее пространство.
Размер А широкой стенки прямоугольного резонатора при максимальной передаче мощности излучения магнетронов в свободное пространство равен половине длины волны, соответствующей рабочей частоте магнетронов (А=1/2λраб, получено экспериментальным путем).
Оптимальная форма и площадь излучающих щелей должна соответствовать совпадению собственной резонансной частоты ƒрез полученной системы с рабочей частотой ƒраб магнетронов (имеющих близкие рабочие частоты).
Осуществление изобретения
На фото 1-4 показано устройство для сложения мощностей 4 магнетронов (без блоков питания и вентиляторов охлаждения магнетронов), выполненное по предлагаемому изобретению. Для проверки работоспособности изобретения использовались магнетроны фирмы «Daewoo» M218 (на фото) и «Samsung» M75 S(21) с номинальной мощностью по 800 Вт. В табл.1 приведены измеренные характеристики выходной мощности Рвых и рабочей частоты λраб каждого из магнетронов фирмы «Samsung».
| Табл. 1 | |||
| Тип и номер магнетрона | Выходная мощность Рвых, Вт | Рабочая частота ƒраб, МГц | Примечание |
| «Samsung» M.75 (S21) | |||
| №1 | 775 | 2463,2 | ΣРвых=3036 Вт |
| №2 | 776 | 2467,7 | |
| №3 | 773 | 2460,5 | |
| №4 | 712 | 2458,3 | P4мaгн.=2200 Bт |
Для обеспечения направленности излучения (предотвращения замыкания поля на собственную конструкцию) использовался рупор, который крепился к устройству со стороны широкой стенки с излучающими щелями (фото 5). На фото 2 показаны форма и расположение излучающих щелей.
Максимальное время непрерывной работы данного устройства составило более 6 часов, а суммарное время работы в процессе исследования режимов и определения характеристик превысило 50 часов.
При испытаниях данного устройства измерялись: суммарная выходная мощность излучения с помощью стационарной калориметрической нагрузки, частота излучения и его амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) волномером.
На фиг.2 показана АЧХ при одновременной работе всех четырех магнетронов, что говорит о режиме полной взаимной синхронизации.
На фиг.3 представлено распределение поля вдоль оси устройства, измеренное на расстоянии 1,2 м от среза рупора. Такое распределение поля показывает, что все магнетроны работают синхронно, а излучение является когерентным.
В течение 6 часов работы устройства температура магнетронов не превышала 120°С.
Мощность излучения устройства с четырьмя магнетронами фирмы «Samsung», измеренная стационарной калориметрической нагрузкой, равнялась Р=2200 Вт (без учета потерь на излучение в окружающее пространство). Суммарная арифметическая мощность 4 магнетронов (см. табл.1) равнялась 3036 Вт.
Литература
1. А.В.Галдецкий и др. «Сложение мощностей полевых СВЧ-транзисторов в двухсантиметровом диапазоне длин волн». «Радиотехника», 2007 г., №3, с.50-52.
2. Дейвид. «Анализ характеристик генерирующих систем». «Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями». М., Изд-во «Иностранной литературы», 1961, с.338-342.
3. Ильин С.Ч., Ильин B.C., Лобанов В.Г., Хоркина А.А. «Многофункциональный сумматор СВЧ-мощности». Тезисы докладов на Всесоюзной VI научно-практической конференции «Применение СВЧ-энергии в технологических процессах и научных исследованиях». Саратов, 11-13 июля 1991 г., с.113.
Устройство сложения мощностей N-го числа генераторов на магнетронах, состоящее из резонатора в виде отрезка прямоугольного волновода, закороченного по торцам, отличающееся тем, что магнетроны расположены вплотную друг к другу на широкой стенке резонатора так, что выводы энергии магнетронов входят в резонатор через середину широкой стенки, между выводами энергии магнетронов внутри резонатора симметрично установлены закорачивающие селекционные вставки, в другой широкой стенке резонатора напротив каждого магнетрона расположены излучающие щели для вывода энергии в окружающее пространство, а размер широкой стенки резонатора равен половине длины волны, соответствующей рабочей частоте магнетронов.
