УСТРОЙСТВО СВЧ-НАГРЕВА Российский патент 1995 года по МПК H05B6/66 F24C7/02 

Изобретение относится к области конструирования устройств нагрева с использованием СВЧ.

Известно устройство СВЧ-нагрева с твердотельным источником СВЧ [1] Оно содержит твердотельный СВЧ-автогенератор, множество усилителей, позволяющих получить требуемую выходную мощность устройства, и циркулятор с нагрузкой в третьем канале, служащей для поглощения отраженной мощности.

К недостаткам данного устройства можно отнести низкий КПД (например, по сравнению с магнетроном). Сильная чувствительность к рассогласованию нагрузки компенсируется использованием развязывающих устройств. В рассматриваемом устройстве СВЧ-нагрева установлен циркулятор с нагрузкой в третьем плече, поглощающей отраженную мощность. Поскольку для нагрева необходимо от источника СВЧ высокую мощность (от десятков до сотен Вт), в нем применена многокаскадная схема автогенератор предусилитель усилитель сумматор, которая достаточно сложна при настройке и в производстве. КПД многокаскадной схемы падает с ростом числа каскадов. Встают также проблемы устойчивости работы таких устройств. Например, с целью исключить подачу СВЧ-сигнала на усилители, в которых не закончились переходные процессы, связанные с моментом включения питания, в рассматриваемом устройстве предусматривается подача питания на автогенератор с некоторой задержкой по отношению к подаче питания на усилительные каскады, что усложняет схему устройства в целом.

Известен полупроводниковый источник энергии для СВЧ-печи, содержащий твердотельный СВЧ-автогенератор, являющийся источником СВЧ-мощности, излучатель, подключенный к выходу автогенератора непосредственно или через согласующие цепи и блок управления работой (режимом) источника энергии, который представляет управляемый источник питания. Данное устройство принято за прототип предложенного изобретения.

К недостаткам прототипа можно отнести сравнительно невысокую выходную мощность при использовании одного автогенератора в качестве источника СВЧ-нагрева. Для получения требуемой выходной мощности необходимо использовать значительное число автогенераторов, соединенных с излучателем с помощью цепей согласования, что весьма усложняет схему и снижает надежность ее работы и КПД.

Цель изобретения повышение выходной мощности, надежности работы и КПД устройства.

Цель достигается тем, что в устройство СВЧ-нагрева, содержащее твердотельный источник СВЧ-мощности, выполненный в виде автогенератора, излучатель и блок регулировки уровня мощности и режима автогенератора, соединенный с автогенератором, введен циркулятор, блок регулировки уровня мощности и режима автогенератора выполнен в виде последовательно соединенных импульсного генератора и модулятора, при этом выход автогенератора соединен с первым каналом циркулятора, второй канал циркулятора соединен с излучателем, третий с нагрузкой, причем транзистор автогенератора выполнен в виде параллельно соединенных транзисторных кристаллов, разделен на секции, при этом каждая секция выполнена в виде одного или нескольких кристаллов, вдоль которых расположен отрезок полосковой линии, соединенный рядами из одинаковых проводников с одним из выводов транзистора и с одноименными выводу электродами транзисторных кристаллов, секции соединены между собой цепями подавления паразитных поперечных колебаний, причем каждая секция имеет электрические размеры в направлении, перпендикулярном распространению СВЧ-мощности, меньше половины длины волны колебаний на рабочей частоте.

Цель достигается также тем, что каждая секция транзистора автогенератора содержит два ряда параллельно соединенных транзисторных кристаллов и цепи согласования для синфазного сложения мощности, включенные между этими рядами.

Цель достигается тем, что в устройство СВЧ-нагрева, содержащее твердотельный источник СВЧ-мощности, выполненный в виде автогенератора, излучатель и блок регулировки уровня мощности и режима автогенератора, введен циркулятор, а блок регулировки уровня мощности и режима автогенератора содержит импульсный генератор, модулятор, нагрузку циркулятора, блоки ответвителей сигналов падающей и отраженной мощности с детекторными секциями и блок сравнения, при этом первые входы блоков ответвителей сигналов падающей и отраженной мощности с детекторными секциями соединены с первым и вторым входами блока сравнения соответственно, вторые выходы соединены с вторым выходом блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора и нагрузкой циркулятора соответственно, а входы блоков ответвителей падающей и отраженной мощности с детекторными секциями соединены соответственно с первым и вторым входами блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора, выход блока сравнения соединен с входом управления модулятора, сигнальный вход которого соединен с выходом импульсного генератора, а выход модулятора соединен с первым выходом блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора, при этом первый выход блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора соединен с входом управления автогенератора, а выход автогенератора соединен с первым входом блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора, первый канал циркулятора соединен с вторым выходом блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора, второй канал циркулятора соединен с излучателем, третий с вторым входом блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора, транзистор автогенератора выполнен в виде параллельно соединенных транзисторных кристаллов, разделен на секции, при этом каждая секция выполнена в виде одного или нескольких кристаллов, вдоль которых расположен отрезок полосковой линии, соединенный рядами из одинаковых проводников с одним из выводов транзистора и с одноименными выводу электродами транзисторных кристаллы, секции соединены между собой цепями подавления паразитных поперечных колебаний, причем каждая секция имеет электрические размеры в направлении, перпендикулярном распространению СВЧ-мощности, меньше половины длины волны колебаний на рабочей частоте.

Цель достигается тем, что каждая секция транзистора автогенератора содержит два ряда параллельно соединенных транзисторных кристаллов и цепи согласования для синфазного сложения мощности, включенные между этими рядами, а также тем, что блок регулировки уровня мощности и режима автогенератора содержит пульт с элементами регулировки времени работы и уровня мощности, таймер и индикаторы, при этом выходы пульта с элементами регулировки времени работы и уровня мощности соединены с входом таймера, входом запуска импульсного генератора и входом задания уровня сравнения блока сравнения соответственно, третьи выходы ответвителей сигналов падающей и отраженной мощности с детекторными секциями соединены с соответствующими индикаторами, а вход останова импульсного генератора соединен с первым выходом таймера, второй выход которого соединен с соответствующими индикаторами.

На фиг. 1 изображена схема предложенного устройства СВЧ-нагрева по первому объекту; на фиг. 2 то же, по второму объекту; на фиг. 3 пример выполнения устройства с блоком регулировки уровня мощности и режима автогенератора; на фиг. 4 пример выполнения транзистора автогенератора.

Устройство содержит (фиг. 1 4):
1 твердотельный источник СВЧ-мощности, выполненный в виде автогенератора (фиг. 1 3);
2 блок регулировки уровня мощности и режима автогенератора;
3 циркулятор;
4 излучатель;
5 транзисторные кристаллы (фиг. 4);
6 секции;
7 отрезки полосковых линий;
8 ряды соединительных проводников;
9 цепи подавления паразитных поперечных колебаний;
цепи согласования для синфазного сложения мощности, например, согласующие и трансформирующие L-C-цепи (на фиг. 4 не показаны);
11 импульсный генератор (фиг. 1 3);
12 модулятор;
13 нагрузка циркулятора;
14 блок ответвителя сигнала падающей мощности с детекторной секцией;
15 блок ответвителя сигнала отраженной мощности с детекторной секцией;
16 блок сравнения;
17 пульт с элементами регулировки времени работы и уровня мощности;
18 таймер;
19 индикаторы;
20, 23 первый и второй входы блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора соответственно;
21, 22 первый и второй выходы блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора соответственно.

Первый выход блока 2 регулировки уровня мощности и режима автогенератора соединен с входом автогенератора 1 (фиг. 2, 3), выход которого соединен с первым входом блока 2, первый канал циркулятора 3 соединен с вторым выходом блока 2 регулировки уровня мощности и режима автогенератора, второй канал циркулятора 3 соединен с излучателем 4, третий канал с вторым входом блока 2; транзистор автогенератора 1 (фиг. 4) выполнен в виде параллельно соединенных транзисторных кристаллов 5, разделенных на секции 6, соединенные цепями 9 подавления паразитных поперечных колебаний, каждая секция выполнена в виде одного или нескольких кристаллов, вдоль которых расположен отрезок 7 полосковой линии, соединенный рядами 8 из одинаковых проводников с одним из выводов транзистора и с одноименными выводу электродами транзисторных кристаллов, при этом каждая секция 6 имеет электрические размеры в направлении, перпендикулярном распространению СВЧ-мощности, меньше половины длины волны колебаний на рабочей частоте. Каждая секция может содержать два ряда параллельно соединенных транзисторных кристаллов 5 и цепи согласования для синфазного сложения мощности, например согласующие и трансформирующие L-C-цепи (вариант не указан).

Автогенератор в простейшем случае может быть выполнен на одном мощном СВЧ-транзисторе по схеме с общим коллектором, с резонансным контуром в базовой цепи, регулируемой емкостью обратной связи, включенной в эмиттерную цепь, и элементами трансформации выходного импеданса автогенератора к 50-омной нагрузке. Вход управления автогенератором подсоединен к цепи базы.

Блок 2 регулировки уровня мощности и режима автогенератора (фиг. 2, 3) содержит импульсный генератор 11, модулятор 12, нагрузку 13 циркулятора, блоки 14 и 15 ответвителей сигналов соответственно падающей и отраженной мощностей с детекторными секциями, индикаторы 19, таймер 18, блок 16 сравнения и пульт 17 с элементами регулировки времени работы и уровня мощности, при этом пульт 17 соединен выходами с входом таймера 18, первым входом импульсного генератора 11 и входом задания уровня сравнения блока 16 сравнения соответственно, первые выходы блоков 14, 15 ответвителей сигналов падающей и отраженной мощностей с детекторными секциями соединены с первым и вторым входами блока 16 сравнения соответственно, вторые выходы блоков 14, 15 соединены с вторым выходом 22 блока 2 регулировки уровня мощности и режима автогенератора и нагрузкой 13 циркулятора соответственно, третьи выходы блоков 14, 15 соединены соответственно с первым 20 и вторым 23 входами блока 2, выход блока 16 сравнения соединен с входом управления модулятора 12, сигнальный вход модулятора 12 соединен с первым выходом 21 блока 2 регулировки уровня мощности и режима автогенератора, второй вход импульсного генератора 11 соединен с первым выходом таймера 18, второй выход таймера 18 соединен с соответствующим индикатором 19.

Устройство СВЧ-нагрева работает следующим образом.

Оператор устанавливает требуемые режимы СВЧ-нагрева (время и уровень мощности) (фиг. 2), подсоединяет излучатель 4, выполненный, например, в виде набора антенн, к объекту нагрева и нажимает клавишу "Пуск" пульта 17 с элементами регулировки времени работы и уровня мощности блока 2 регулировки уровня мощности и режима автогенератора. Управление выходной мощностью источника СВЧ может производиться как с помощью изменения режима по току или напряжению источника СВЧ, например, работающего в непрерывном режиме, так и с помощью изменения длительности импульса и периода следования управления импульсного генератора 11, работающего в "Старт-стопном" режиме, запускаемого от пульта 17 с элементами регулировки времени работы и уровня мощности и останавливаемого таймером 18. Индикаторы 19, выполненные, например, в виде стрелочных или цифровых приборов и лампочек, позволяют устанавливать и фиксировать требуемое время нагрева, средний уровень выходной мощности нагрева, выдают световой и звуковой сигналы аварийной остановки. После запуска автогенератор 1 выдает СВЧ-сигнал (например, 20 Вт на частоте 2450 МГц ± 2% или 250 Вт на частоте 915 МГц ± 2%). Средний уровень падающей мощности фиксируется на одном из индикаторов 19 с помощью детектированного сигнала, поступающего с третьего выхода блока 14 ответвителя сигнала падающей мощности с детекторной секцией, выполненного, например, на основе направленного или ненаправленного ответвителя на связанных полосковых линиях или на емкостях, при этом отраженная мощность поступает в третий канал циркулятора 3 и через блок 15 ответвителя сигнала отраженной мощности с детекторной секцией поступает в нагрузку 13 циркулятора, где поглощается. Детектированный сигнал с третьего выхода блока 15 ответвителя сигнала отраженной мощности поступает на индикаторы 19, детектированные сигналы падающей и отраженной мощностей поступают также с первых выходов блоков 14, 15 на соответствующие входы блока 16 сравнения, порог сравнения сигналов задается с пульта 17 с элементами регулировки времени и уровня мощности по входу задания уровня сравнения блока 16 сравнения. В случае превышения установленного порога сигнал с выхода блока 16 сравнения через модулятор 12 отключает автогенератор 1 и на индикаторы 19 подается сигнал аварийной остановки (с блоком 14, 15). В этом случае проверяется качество контакта излучателя 4 с объектом нагрева.

В случае, когда отраженный сигнал не превышает заданный уровень, выходная мощность передается к объекту нагрева в течение установленного на пульте 17 времени, по прошествии которого таймер 18 отключает СВЧ-автогенератор 1 через модулятор 12.

Автогенератор 1 может быть реализован как на биполярном, так и полевом транзисторах, конструкция последнего принципиально не отличается от приведенной на фиг. 1 3. Приведенная схема автогенератора 1 на фиг. 1 3 дана условно без внутренних реактивных цепей согласования транзистора.

Сущность изобретения: устройство СВЧ-нагрева содержит твердотельный источник СВЧ-мощности, выполненный в виде автогенератора, блок регулировки уровня мощности и режима автогенератора, циркулятор, излучатель. Транзистор автогенератора выполнен в виде параллельно соединенных транзисторных кристаллов, разделен на секции, соединенные цепями подавления паразитных поперечных колебаний. Каждая секция имеет электрические размеры в направлении, перпендикулярном распространению СВЧ-мощности, меньше половины волны колебаний на рабочей частоте. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. УСТРОЙСТВО СВЧ-НАГРЕВА, содержащее твердотельный источник СВЧ-мощности, выполненный в виде автогенератора на транзисторе по схеме с общим коллектором, излучатель и блок регулировки уровня мощности и режима автогенератора, соединенный с автогенератором, отличающееся тем, что в него введен циркулятор, блок регулировки выполнен в виде последовательного соединения импульсного генератора и модулятора, выход автогенератора соединен с первым каналом циркулятора, второй канал циркулятора соединен с излучателем, третий с нагрузкой, транзистор автогенератора выполнен в виде параллельно соединенных транзисторных кристаллов, разделен на секции, при этом каждая секция выполнена в виде одного или нескольких кристаллов, вдоль которых расположен отрезок полосковой линии, соединенный рядами из одинаковых проводников с одним из выводов транзистора и с одноименными выводу электродами транзисторных кристаллов, секции соединены между собой цепями подавления паразитных поперечных колебаний, причем каждая секция имеет электрические размеры в направлении, перпендикулярном распространению СВЧ-мощности, меньше половины длины волны колебаний на рабочей частоте. 2. Устройство СВЧ-нагрева, содержащее твердотельный источник СВЧ-мощности, выполненный в виде автогенератора на транзисторе по схеме с общим коллектором, излучатель и блок регулировки уровня мощности и режима автогенератора, отличающееся тем, что в него введен циркулятор, а блок регулировки уровня мощности и режима автогенератора содержит импульсный генератор, модулятор, нагрузку циркулятора, блоки ответвителей сигналов падающей и отраженной мощности с детекторными секциями и блок сравнения, при этом первые выходы блоков ответвителей сигналов падающей и отраженной мощности с детекторными секциями соединены с первым и вторым входами блока сравнения соответственно, вторые выходы с вторым выходом блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора и нагрузкой циркулятора соответственно, а входы блока ответвителей падающей и отраженной мощности с детекторными секциями соединены соответственно с первым и вторым входами блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора, выход блока сравнения соединен с входом управления модулятора, сигнальный вход которого соединен с выходом импульсного генератора, а выход модулятора соединен с первым выходом блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора, при этом первый выход блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора соединен с входом управления автогенератора, а выход автогенератора с первым входом блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора, первый канал циркулятора соединен с вторым выходом блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора, второй канал с излучателем, третий с вторым входом блока регулировки уровня мощности и режима автогенератора, транзистор авторегулятора выполнен в виде параллельно соединенных транзисторных кристаллов, разделен на секции, при этом каждая секция выполнена в виде одного или нескольких кристаллов, вдоль которых расположен отрезок полосковой линии, соединенный рядами из одинаковых проводников с одним из выводов транзистора и с одноименными выводу электродами транзисторных кристаллов, секции соединены между собой цепями подавления паразитных поперечных колебаний, причем каждая секция имеет электрические размеры в направлении, перпендикулярном распространению СВЧ-мощности, меньше половины длины волны колебаний на рабочей частоте. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что каждая секция транзистора автогенератора содержит два ряда параллельно соединенных транзисторных кристаллов и цепи согласования для синфазного сложения мощности, включенные между этими рядами. 4. Устройство по пп. 2 и 3, отличающееся тем, что блок регулировки уровня мощности и режима автогенератора дополнительно содержит пульт с элементами регулировки времени работы и уровня мощности, таймер и индикаторы, при этом выходы пульта с элементами регулировки времени работы и уровня мощности соединены с входом таймера, входом запуска импульсного генератора и входом задания уровня сравнения блока сравнения соответственно, третьи выходы ответвителей сигналов падающей и отраженной мощности с детекторными секциями соединены с соответствующими индикаторами, а вход останова импульсного генератора соединен с первым выходом таймера, второй выход которого соединен с соответствующими индикаторами.