ГЕНЕРАТОР ЭНЕРГИИ МИКРОВОЛНОВОЙ ЧАСТОТЫ Российский патент 2000 года по МПК H01J25/00 H01J25/10 

Настоящее изобретение относится к генератору, предназначенному для использования в микроволновой печи, а более конкретно - к генератору энергии микроволновой частоты, причем генератор имеет простую структуру.

На фиг. 1 показана микроволновая печь, известная из патента США N 4204138, включающая в себя корпус 1, блок 2 источника питания, который имеет высоковольтный трансформатор (не показан) и высоковольтный конденсатор (не показан), цилиндрический магнетрон 10 для генерирования энергии микроволновой частоты и камеру 3 для приготовления находящейся в ней пищи. На фиг.2 изображен магнетрон 10, который представляет собой цилиндрическую двухполюсную вакуумную трубку и обычно включает в себя катод 11, установленный в центре трубки, два магнита 12a и 12b, расположенные сверху и снизу трубки соответственно, анод 13, размещенный вокруг катода 11, и антенну 14, подсоединенную к аноду 13.

Когда на входной вывод 15 из блока 2 источника питания подается рабочее напряжение, равное, например, 4 кВ, катод 11 нагревается, испуская электроны. Испускаемые электроны попадают на анод.

Магниты 12a и 12b создают магнитные потоки, которые, в свою очередь, направляются при помощи направляющих элементов 16a и 16b для прохождения через резонатор 17, образованный между катодом 11 и анодом 13. Электроны, испускаемые из катода 11, в начальный момент отклоняются под действием магнитного поля, которое создается в резонаторе 17 для того, чтобы они могли вращаться между катодом 11 и анодом 13 перед попаданием на анод 13 и приемом на нем.

Вращение электронов между катодом 11 и анодом 13 заканчивается в резонансном контуре, который выполнен в аноде 13, при этом резонансный контур генерирует микроволны, которые в дальнейшем излучаются через антенну 14. Излучаемые микроволны направляются в камеру 3 для приготовления пищи при помощи волновода 5 и затем распространяются в камере 3 для приготовления пищи с помощью размешивателя 6. Распространяющиеся микроволны попадают на пищу, находящуюся в камере 3 для ее приготовления так, чтобы можно было осуществить приготовление пищи.

Поскольку в такой микроволновой печи управление движением электронов возникает в результате совместного действия электрического и магнитного полей, то требуется множество магнитов, которые, в свою очередь, усложняют структуру микроволновой печи. Кроме того, поскольку устройство для генерирования энергии микроволновой частоты, которое используется в известной микроволновой печи, является двухполюсным типом, то невозможно управлять выходной энергией микроволновой частоты.

Следовательно, основной задачей изобретения является разработка генератора, простого по структуре и способного генерировать энергию микроволновой частоты.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения выполнен высокочастотный генератор, который содержит нагревательный элемент, катод, установленный над нагревательным элементом и предназначенный для испускания электронов, первую сетку, выполненную над катодом, для управления и фокусировки потока электронов, испускаемых из катода, первую сетку, имеющую множество щелей для преобразования электронов, испускаемых из катода в электронные пучки, дроссельную структуру, позиционированную между катодом и первой сеткой, которая служит в качестве блокировочного конденсатора, в котором катод, первая сетка и структура дросселя образуют входной резонатор, работающий как резонансный контур, сопротивление, один конец которого подсоединен к первой сетке, а другой его конец подсоединен к катоду для наведения напряжения смещения на первой сетке, вторую сетку, выполненную над первой сеткой и имеющую множество щелей, через которые проходят электронные пучки, проходящие через щели первой сетки, анод для приема электронов, проходящих через щели второй сетки, в котором вторая сетка и анод образуют выходной резонатор для генерирования энергии микроволновой частоты таким способом, что выходной резонатор электрически изолирован от входного резонатора, источник напряжения возбуждения для подачи напряжения возбуждения на катод и анод, антенну, размещенную в аноде для отвода микроволны из выходного резонатора, и структуру обратной связи, проходящую из входного резонатора в выходной резонатор, для подачи части энергии микроволновой частоты из выходного резонатора обратно во входной резонатор.

Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схематический вид известной микроволновой печи;
фиг.2 изображает сечение магнетрона микроволновой печи (фиг.1);
фиг.3 изображает схематически микроволновую печь согласно настоящему изобретению;
фиг.4 изображает сечение предлагаемой структуры высокочастотного генератора согласно настоящему изобретению;
фиг. 5 изображает общий вид катода, который входит в состав высокочастотного генератора согласно настоящему изобретению;
фиг. 6 изображает общий вид сеток, которые входят в состав высокочастотного генератора согласно настоящему изобретению;
фиг. 7 изображает сечение дроссельной структуры, которая входит в состав высокочастотного генератора согласно настоящему изобретению;
фиг. 8 изображает эквивалентную схему высокочастотного генератора (фиг. 4);
фиг.9 изображает график напряжения на первой сетке, которая входит в состав высокочастотного генератора согласно настоящему изобретению.

На фиг.3 изображена микроволновая печь согласно настоящему изобретению, которая включает в себя корпус 21, генератор 100 энергии микроволновой частоты, блок 105 источника питания, который установлен в устройстве 100, и камеру 22 для приготовления находящейся в ней пищи.

На фиг. 4 изображен генератор 100 энергии микроволновой частоты, согласно настоящему изобретению, который включает в себя нагреватель 110 в качестве нагревательного элемента, катод 120, первую сетку 130, вторую сетку 140 и анод 150. Кроме того, внутри генератора 100 поддерживается состояние вакуума.

Нагреватель 110 состоит из нити накаливания, и катод 120 расположен над нагревателем 110. Катод 120, имеющий тороидальную форму (см. фиг.5), испускает тепловые электроны при нагревании нагревателя 110. Первая сетка 130 для управления и фокусировки электронов, испускаемых из катода 120, расположена над катодом 120. Первая сетка 130 имеет форму диска, выполненную с множеством щелей 135 (см. фиг.6). Между катодом 120 и первой сеткой 130 выполнена структура 160 дросселя. Первая сетка 130, структура 160 дросселя и катод 120 образуют входной резонатор 170, работающий в качестве резонансного контура.

Над первой сеткой 130 расположена вторая сетка 140, имеющая множество щелей 145, через которые проходят электронные пучки, прошедшие сквозь щели 135 первой сетки 130. Над второй сеткой 140 установлен анод 150, имеющий цилиндрическую форму. Вторая сетка 140 и анод 150 образуют выходной резонатор 180, предназначенный для генерирования энергии микроволновой частоты. Выходной резонатор 180 электрически изолирован от входного резонатора 170. В частности, вторая сетка 140 расположена отдельно от первой сетки 130 таким способом, чтобы электронные пучки, проходящие через щели 135 первой сетки 130, эффективно генерировали энергию микроволновой частоты в выходном резонаторе 170 перед их диффундированием. Кинетическая энергия электронов, плотность потока которых модулируется во входном резонаторе 170, преобразовывается в энергию микроволновой частоты в выходном резонаторе 180 и затем излучается в виде энергии микроволновой частоты в камеру 22 для приготовления пищи через антенну 155, которая расположена в аноде 150 для отвода микроволны.

Между входным резонатором 170 и выходным резонатором 180 проходит структура 190 обратной связи, которая обеспечивает подачу части энергии, находящейся в выходном резонаторе 180, обратно во входной резонатор 170, которая также образует резонансный контур. Структура 190 обратной связи имеет форму стержня.

Изображенная на фиг. 7 структура 160 дросселя включает в себя металлическую пластину 162, которая поддерживается при помощи держателя 164 сетки, и расположена между первой сеткой 130 и катодом 120 и диэлектрическим материалом 166 во входном резонаторе 170. Металлическая пластина 162 электрически изолирована от катода 120. Структура 160 дросселя служит в качестве блокировочного конденсатора для поверхностного тока, протекающего во время генерирования энергии микроволновой частоты во входном резонаторе 170, и защиты по постоянному току.

На фиг. 8 изображена эквивалентная схема устройства 100 для генерирования энергии микроволновой частоты (фиг.4).

Нагреватель 110 электрически соединен с блоком 105 источника питания. Анод 150 и катод 120 соединены с положительным выводом и отрицательным выводом соответственно источника 200 возбуждения постоянного тока для подачи напряжения в интервале 300 - 500 В.

Вторая сетка 140 имеет такой же потенциал, как и анод 150, поскольку вторая сетка 140 представляет собой единое целое с анодом 150. Однако первая сетка 130 представляет собой единое целое с катодом 120, но первая сетка 130 имеет отличный от катода 120 потенциал благодаря структуре 160 дросселя.

С другой стороны, дополнительно предусмотрено подстроечное сопротивление 210 в качестве сопротивления, причем один конец подстроечного сопротивления 210 подсоединен к первой сетке 130, а другой его конец к катоду 120. Подстроечное сопротивление 210 предназначено для подачи напряжения смещения, например 60 В, на первую сетку 130. В начальный момент работы генератор 100 энергии микроволновой частоты первая сетка 130 имеет нулевое напряжение смещения.

На фиг. 9 первая кривая 220 показывает величину изменения тока, протекающего по аноду 150, вторая кривая 230 изображает изменение напряжения смещения, которое подается на первую сетку 130, и третья кривая 240 изображает резонансный сигнал микроволны во входном резонаторе 170.

Ниже со ссылкой на фиг.8 и 9 будет подробно описан принцип работы генератор 100.

При нагреве нагревателя 110 до температуры в пределах 600^oC - 1200^oC катод 120 начинает испускать электроны. Поскольку первая сетка 130 в начальный момент имеет нулевой напряжение смещения, то часть электронов, испускаемых из катода 120, достигает анода 150 сквозь щели 135 и 145 первой сетки 130 и второй сетки 140, а остаточные электроны поглощаются в первой сетке 130. Электроны, которые поглощаются в первой сетке 130, наводят напряжение смещения и по поверхности входного резонатора 170 начинает протекать поверхностный ток, причем направление его протекания изменяется при помощи структуры 160 дросселя, которая, в свою очередь, наводит слабое колебание во входном резонаторе 170. В результате протекания поверхностного тока при достижении необходимой величины тока в первой сетке 130, амплитуда вышеупомянутого колебания увеличивается, что будет описано ниже.

Поглощение электронов, испускаемых из катода 120 в направлении первой сетки 130, создает на первой сетке 130 отрицательный потенциал. Отрицательный потенциал на первой сетке 130 сначала резко увеличивается, поскольку первоначально первая сетка 130 имеет нулевое напряжение смещения, так как относительно большое количество электронов может поглощаться в ней, при этом количество электронов, поглощаемых в первой сетке 130, со временем уменьшается. Отрицательный потенциал на первой сетке 130 постепенно увеличивается до тех пор, пока он не достигает предварительно заданного значения, причем величина определяется количеством электронов, которые могут поглотиться в первой сетке 130 в пределах изменения подстроечного сопротивления 210.

В ответ на изменение потенциала увеличивается со временем амплитуда колебания до тех пор, пока потенциал на первой сетке 130 не достигнет предварительно заданного значения, при котором амплитуда колебания становится постоянной. В этот момент первая сетка 130 имеет предварительно заданное напряжение и колебание происходит на резонансной частоте, которая определяется с помощью резонансной структуры входного резонатора 170.

В то же самое время, в ответ на изменение потенциала первой сетки 130, электроны, испускаемые из катода 120, постоянно модулируются по своей плотности и группируются во входном резонаторе 170 до тех пор, пока потенциал на входной сетке 130 не достигнет предварительно заданного потенциала смещения.

Однако, так как разность потенциалов между первой сеткой 130 и второй сеткой 140 увеличивается, электрическое поле между ними также увеличивается. Когда группы электронов во входном резонаторе 170 проходят через щели 135 первой сетки 130, как показано пунктирными линиями на фиг. 8, под действием электрического поля, образованного между входным резонатором 170 и выходным резонатором 180, они преобразовываются в электронные пучки, причем электронные пучки ускоряются между первой сеткой и второй сеткой 140. Ускоренные электронные пучки перемещаются по направлению к аноду 150 через щели 145 второй сетки 140. Кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию микроволны, которая излучается при этом в виде энергии микроволновой частоты. Энергия микроволновой частоты выводится с помощью антенны 155 и направляется в камеру 22 для приготовления пищи при помощи волновода 23. Энергия микроволновой частоты затем распространяется при помощи размешивателя 24 и попадает на пищу, которая находится в камере 22 для ее приготовления так, чтобы можно было осуществить приготовление пищи.

В таком генераторе, поскольку первая и вторая сетки, соединенные друг с другом, фокусируют и управляют электронными лучами, можно устранить множество магнитов, и поскольку первая сетка, катод и структура дросселя и вторая сетка, анод образуют соответственно входной резонатор и выходной резонатор, микроволновая печь имеет простую конструкцию. Кроме того, поскольку первая сетка расположена отдельно от второй сетки, можно уменьшить влияние гармоники и шума между сетками, и можно изменять выходную энергию микроволновой частоты, позволяя при помощи подстроечного сопротивления управлять потенциалом смещения первой сетки.

Хотя в целях иллюстрации изобретения были раскрыты предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что различные модификации, добавления и изменения возможны без изменения сущности и объема изобретения, в том виде, как оно раскрыто в формуле изобретения.

Генератор энергии микроволновой частоты включает в себя катод для испускания электронов, первую сетку для управления и фокусировки потоком электронов, испускаемых из катода, структуру дросселя, которая служит в качестве конденсатора, и катод. Первая сетка и структура дросселя образуют входной резонатор, который служит в качестве резонансного контура. Генератор дополнительно включает в себя подстроечное сопротивление, один конец которого подсоединяется к первой сетке и другой его конец подсоединяется к катоду для подачи напряжения смещения на первую сетку, вторую сетку, выполненную над первой сеткой и имеющую множество щелей, через которые проходят электронные пучки, проходящие через щели первой сетки, анод для приема электронов, проходящих через щели второй сетки, источник напряжения возбуждения для подачи напряжения возбуждения на катод и анод, антенну для отвода микроволны из выходного резонатора, причем входной резонатор образован при помощи второй сетки и анода, и структуру обратной связи, проходящей от входного резонатора в выходной резонатор, для подачи части энергии микроволновой частоты обратно во входной резонатор. Техническим результатом является упрощение конструкции генератора. 5 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Генератор энергии микроволновой частоты содержит катод, анод, антенну, расположенную на аноде, нагревательный элемент, установленный под катодом, первую сетку, расположенную над катодом и выполненную с возможностью управления и фокусировки потока электронов, причем первая сетка имеет множество щелей для преобразования электронов в электронные пучки, структуру дросселя, расположенную между катодом и первой сеткой и выполненную с возможностью работы в качестве блокировочного конденсатора, причем катод, первая сетка и структура дросселя образуют входной резонатор, сопротивление, один конец которого подсоединен к первой сетке и другой его конец подсоединен к катоду с возможностью подачи напряжения смещения на первую сетку, вторую сетку, расположенную над первой сеткой и имеющую множество щелей, для электронных пучков, проходящих через щели первой сетки к аноду, и вторая сетка и анод образуют выходной резонатор, при этом выходной резонатор является электрически изолированным от входного резонатора, источник напряжения возбуждения, выполненный с возможностью подачи напряжения возбуждения на катод и анод, отличающийся тем, что структура обратной связи имеет форму стержня и проходит от входного резонатора в выходной резонатор и выполнена с возможностью подачи энергии микроволновой частоты обратно во входной резонатор, а первая сетка первоначально имеет нулевое напряжение смещения. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что сопротивление является подстроечным сопротивлением. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что внутри поддерживается состояние вакуума. 4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что вторая сетка расположена отдельно от первой сетки и выполнена с возможностью эффективной генерации энергии микроволновой частоты электронными пучками, проходящими через щели первой сетки, в выходном резонаторе перед их диффундированием. 5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что структура дросселя имеет металлическую пластину между первой сеткой и катодом и диэлектрическим материалом во входном резонаторе, причем металлическая пластина электрически изолирована от катода. 6. Генератор по п.1, отличающийся тем, что катод имеет торроидальную форму.