Устройство сложения мощностей двух магнетронных генераторов на щелевой структуре

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) - к сложению мощностей генераторов на магнетронах. Технический результат - увеличение совокупной мощности. Предлагаемое устройство позволяет складывать мощности двух генераторов как в режиме взаимной синхронизации с когерентным излучением, так и без взаимной синхронизации при некогерентном излучении через щелевую структуру. В обоих случаях система обеспечивает хорошее согласование работы генераторов на различные виды нагрузок. 1 табл., 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) - к сложению мощностей нескольких генераторов.

Уровень техники

Сложение мощностей СВЧ генераторов на магнетронах в настоящее время является актуальной задачей с точки зрения снижения стоимости СВЧ генераторных устройств.

Известно сложение мощностей 2-х СВЧ генераторов на магнетронах, реализованное на стандартном волноводе 90×45, описанное в патенте [1], который взят за прототип. Здесь при противофазном питании генераторов выходная мощность практически равна сумме мощностей отдельных генераторов. Это объясняется тем, что генераторы работают в разные моменты времени (один генератор работает - другой "молчит"), т.е. они практически не влияют друг на друга. При синфазном же питании генераторы работают одновременно, что приводит к возникновению режима взаимной синхронизации. Выходная мощность при этом почти на 30% меньше суммы мощностей отдельных генераторов, а рабочие температуры магнетронов близки к критическим. Происходит это по причине очень сильной связи между генераторами. Из работы [2] известно, что при сильной связи между генераторами, работающими в режиме взаимной синхронизации, происходит ослабление колебаний, либо их полное затухание ("вымирание"). Связано это с потерями, возникающими в системе закороченного волновода с подключенными к нему двумя одновременно работающими магнетронами, которые физически выражаются в повышении рабочей температуры магнетронов на 30-40°C по сравнению с режимом работы при противофазном питании [1]. В предлагаемом устройстве связь между магнетронами значительно меньше. Между ними включен волновод со щелевой структурой, ослабляющий эту связь, поскольку основная часть поля от каждого магнетрона излучается через щелевую структуру в окружающее пространство. В результате рабочая температура магнетронов при синфазном режиме питания значительно снижается. К тому же щелевая структура является согласующим элементом между генераторами и различными видами нагрузок. Тогда как в приведенном аналоге необходимо принимать меры для согласования работы системы двух генераторов с разными нагрузками, как и для генератора на одном магнетроне.

Сущность изобретения

В предлагаемом устройстве осуществляется сложение мощностей 2-х СВЧ генераторов на магнетронах с применением щелевой структуры, суть которой описана в работе [3]. В ней приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования электродинамических характеристик системы волноводных излучателей, возбуждающих электромагнитное поле как в неограниченном, так и в ограниченном объемах, которая в совокупности с подводящим СВЧ энергию волноводом представляет собой шлейфовый направленный ответвитель с переходным ослаблением, близким к нулю дБ, без вспомогательного (вторичного) волновода. Область связи шлейфового ответвителя представляет собой щелевую структуру - совокупность неэквидистантно расположенных одинаковых волноводов связи прямоугольного поперечного сечения в полосе прозрачности, электрическая длина которых близка к оптимальной - λ/4. Такая совокупность волноводных излучателей формирует в свободном пространстве диаграмму направленности, типичную для многощелевой антенны с нерезонансными щелями. Возбуждаемая шлейфами электромагнитная волна имеет линейную поляризацию. Результаты эксперимента подтверждают целесообразность использования таких излучателей в СВЧ камерах лучевого типа для нагрева материалов с потерями.

Сущность изобретения проиллюстрирована на фиг.1-3 и фото 1-2. На фиг.1 представлена схема подключения генератора к волноводу со щелевой структурой короткозамкнутой, где: 1 - магнетрон, 2 - волновод связи с магнетроном, 3 - волновод, 4 - щелевая структура, 5 - соединительные фланцы, 6 - короткозамыкатель. На фиг.2 - схема подключения двух генераторов к волноводу со щелевой структурой, где: 1 - магнетроны, 2 - волноводы связи с магнетронами, 3 - волновод, 4 - щелевая структура, 5 - соединительные фланцы. На фиг.3 - график амплитудно-частотной характеристики системы при синфазном (СФ) и противофазном (ПФ) питании генераторов от сети, где: А - показания по шкале прибора волномера в относительных единицах, f - частота в МГц. На фото 1 показан внешний вид щелевой структуры. На фото 2 - устройство с двумя генераторами и поворотами в плоскости Е.

Особенностью данного щелевого излучателя является передача в окружающее пространство максимальной мощности СВЧ излучения генератора при закороченном выходе волновода (фиг.1, фото 1). Щелевая структура обеспечивает передачу в окружающее пространство 85% мощности СВЧ излучения при прохождении прямой волны и 85% мощности отраженной волны. В результате в окружающее пространство будет передаваться 98% мощности излучения. А коэффициент стоячей волны по мощности в тракте между генератором и щелевым излучателем будет близок к 1,07. То есть генератор будет работать на хорошо согласованную нагрузку. Экспериментальное исследование показало, что такой щелевой излучатель обеспечивает очень хорошее согласование СВЧ генератора (к.с.в.н. не более 1,5) при излучении как в замкнутый объем, так и в окружающее пространство с широким диапазоном диэлектрических свойств (от воздуха до воды).

Сущность изобретения состоит в том, что вместо короткозамыкателя к излучателю подключается другой СВЧ генератор (фиг.2, фото 2). Полученная система обеспечивает не только сложение мощностей магнетронов, но так же, как отмечено выше, хорошее согласование излучения с различными нагрузками.

При противофазном питании от сети, поскольку магнетроны работают поочередно - в разные периоды напряжения сети, максимальная напряженность поля E₀ будет соответствовать √P_вых одного магнетрона. При синфазном питании от сети магнетроны работают в одни и те же периоды напряжения сети, т.е. магнетроны работают одновременно. В этом случае устанавливается режим взаимной синхронизации магнетронов. Излучение становится когерентным, т.к. происходит сложение полей в одинаковой фазе. В результате максимальная напряженность поля E становится больше E₀. Это имеет существенное значение при воздействии на вещества с очень низкими потерями, в которых преобразования на молекулярном уровне могут происходить за счет силы поля, а не за счет теплового нагрева.

Осуществление изобретения

Устройство, схема которого приведена на фиг.2, может иметь различное расположение генераторных частей СВЧ генераторов относительно волновода 3 со щелевой структурой 4. Это достигается с помощью волноводных поворотов в плоскостях Е или Н, вставляемых между генераторами и волноводом со щелевой структурой, и определяется конкретным расположением устройства сложения относительно элементов технологической установки.

На фото 2 представлен один из вариантов устройства сложения мощностей 2-х генераторов без блоков питания и вентиляторов охлаждения магнетронов.

Работоспособность устройства сложения проверялась с магнетронами различных фирм, в том числе с магнетронами фирмы Samsung ОМ75Р(31) с номинальной выходной мощностью 1000 Вт и рабочей частотой 2463 МГц. Выходная мощность каждого магнетрона измерялась ваттметром М3-46 (986 Вт и 1012 Вт, Σ=1998 Вт). Частота излучения измерялась волномером Ч2-9А. На фиг.3 приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) системы при синфазном и противофазном питании генераторов при излучении в свободное окружающее пространство. Синфазное питание, обеспечивающее работу генераторов в режиме взаимной синхронизации, приводит к сужению АЧХ и смещению ее в сторону низкочастотной части спектра, что является характерным для работы связанных автогенераторов [2].

Измерение СВЧ мощности при различных режимах питания генераторов (синфазное и противофазное) осуществлялось по нагреву воды в 3-литровой емкости, размещаемой в металлической камере объемом 23 литра, в которую подавалась СВЧ энергия через щелевую структуру схемы сложения в течение нескольких минут (от 2 до 5). После окончания нагрева вода в емкости перемешивалась для усреднения температуры по объему. Поглощенная мощность вычислялась по формуле:

P=4,19 cm ΔT/t [Вт]

где c - теплоемкость воды (1 кал/гр.град.); m - масса воды в граммах;

ΔT - разность температур в градусах (до и после нагрева);

t - время нагрева в секундах.

Результаты приведены в таблице 1. В этой же таблице приведены максимальные значения температуры магнетронов при длительной работе (более 2-х часов) предлагаемого устройства на различные нагрузки.

Табл. 1
Режим питания магнетронов	Измеренная СВЧ мощность, Вт	Температурный режим магнетронов, °C
Синфазный	1713	117
Противофазный	1952	105

Источники информации

1. Патент RU №2392733 от 20.06.2010 г.

2. Пиковский А., Розенблюм М., Куртс Ю. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление. М., Техносфера, 2003, с.147.

3. Сосунов В.А. Волноводные излучатели для СВЧ камер лучевого типа. Тезисы докладов на Всесоюзной VI научно-практической конференции «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях». Саратов, 11-13 июля 1991 г., с.114.

Устройство для сложения мощностей двух СВЧ генераторов на магнетронах, состоящее из волновода, одна из широких стенок которого выполнена в виде щелевой структуры, и СВЧ генератора, подключенного к волноводу с одной стороны, отличающееся тем, что к противоположной стороне волновода, вместо закорачивающей стенки, подключается другой СВЧ генератор.