СВЧ-НАГРУЗКА Российский патент 2009 года по МПК H01P1/24 

Предлагаемое изобретение относится к сверхвысокочастотной радиотехнике и может быть использовано в качестве согласованной мощной СВЧ-нагрузки.

Известна нагрузка для высокого уровня мощности СВЧ (АС №357633), представляющая собой волноводную клиновидную нагрузку, в корпусе которой выполнены отверстия, предназначенные для подачи охлаждающего воздуха для охлаждения поглощающего материала воздушным потоком.

Недостатком данной нагрузки является сложность конструкции и необходимость принудительного обдува поглощающего материала.

Известна сверхвысокочастотная нагрузка, содержащая отрезок СВЧ-линии с пластинами из металла с низкой электрической проводимостью (АС №585794, прототип).

Пластины выполнены из электротехнической стали с окисным слоем на поверхности, расположены в плоскости электрического вектора СВЧ-поля, снабжены отверстиями и собраны в пакет, образуя отрезок линии.

Недостатком известной нагрузки является то, что в ней затруднен теплообмен как между пластинами, так и между пластинами и наружными теплорассеивающими поверхностями. Не оптимизирована мощность, рассеиваемая поглощающим клином.

Кроме того, известная нагрузка обладает недостаточным согласованием и ограниченной широкополосностью ввиду наличия отражений от неоднородностей, образованных пластинами из электротехнической стали, а также низкого погонного затухания.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение рассеиваемой мощности и расширение рабочей полосы частот.

Поставленная задача достигается тем, что гребневой волновод выполнен из металла с низкой проводимостью, величина воздушного зазора гребневого волновода составляет менее 0,1 его высоты, причем коэффициент затухания по его длине изменяется по закону:

α=10lg(n/(n-1))

где n - число секций поглощающего клина, а требуемое затухание каждой поглощающей секции

α=8,68((πλ_кр/λ²b₁)+Q)/√((λ_кр/λ)²-1)

где

Q={{q-r)²πq²/r²[tg(πγ/k)+πγ/ksec(πγ/k)]+(q-r)/qk(B')}tg²(2πδ₁/k)+4π²/ksec(2πδ₁/k)}/a₁k{2q/t[tg(πγ/k)+πγ/ksec²(πγ/k)]tg²(2πδ₁/k)-2tg(2πδ₁/k)+4πδ₁/ksec²(πδ₁/k)};

q=b₁/2C₁;

γ=a₂/a₁;

k=λ_кр/a₁;

r=b₂/b₁;

δ₁=(1-a₂/a₁);

B'=B₀/Y₀=ctg[π(a₁-a₂)/λ_кр]-b₁tg(πa₂/λ_кр)/b₂;

δ - глубина проникновения тока;

а1 - ширина волновода вне гребня;

а2 - ширина гребня;

b1 - высота гребневого волновода;

b2 - величина воздушного промежутка;

λ - длина волны;

λ_кр - критическая длина волны гребневого волновода;

достигается выбором ширины гребня соответствующей поглощающей секции.

Суть технического решения поясняется чертежом, где на фиг.1 показан общий вид СВЧ-нагрузки.

Мощная цельнометаллическая СВЧ-нагрузка содержит волновод 1, гребневой волновод 2, например П- или Н-волновод. Согласование волновода 1 с гребневым волноводом 2 осуществляет переход 3.

Использование гребневого волновода 2, являющегося сверхширокополосным элементом и выполняющего роль поглощающего элемента, существенно улучшает согласование и расширяет полосу рабочих частот заявляемой нагрузки.

В отличие от прототипа, конструкция предлагаемого устройства обеспечивает увеличение рассеиваемой СВЧ-мощности, а также расширение рабочей полосы частот.

Предлагаемое устройство (фиг.1) работает следующим образом. Поданная на вход нагрузки СВЧ-мощность переходом 3 преобразуется в основную волну гребневого волновода, соответствующую, например, волне H₀₁ прямоугольного волновода.

В гребневом волноводе СВЧ-мощность распространяется вдоль волновода, выполненного из металла с низкой проводимостью, наводит на поверхностях его стенок и особенно гребня токи, проникающие на глубину, обратно пропорциональную σ (где σ - проводимость слабо проводящего металла стенок), нагревает их. Низкая проводимость металла обуславливает повышенное проникновение токов, т.е. приводит к повышенному погонному затуханию гребневого волновода.

Этой же цели способствует пониженная величина воздушного зазора гребневого волновода.

Нагрев металла стенок способствует ионизации воздуха внутри нагрузки и может привести к ее пробою.

Для того чтобы этого избежать, следует оптимизировать распределение мощности вдоль поглощающего клина, в идеале - сделать его равномерным.

Для обеспечения равномерного распределения рассеиваемой мощности по длине поглощающего клина, волновод должен иметь переменное сечение, например переменную ширину.

Разобьем поглощающий клин на n секций, каждая из которых характеризуется своей шириной гребневого волновода. Равномерное рассеяние мощности вдоль нагрузки реализуется при условии, что коэффициент затухания по ее длине изменяется по закону:

α=10lg(n/(n-1)).

Этого можно добиться выбором параметра а2 (ширина гребня), поскольку затухание гребневого волновода определяется соотношением:

α=8,68((πλ_кр/λ²b₁)+Q)/√((λ_кр/λ)²-1), Дб/м,

где

Q={{q-r)²πq²/r²[tg(πγ/k)+πγ/ksec(πγ/k)]+(q-r)/qk(B')}tg²(2πδ₁/k)+4π²/ksec(2πδ₁/k)}/a₁k{2q/t[tg(πγ/k)+πγ/ksec²(πγ/k)]tg²(2πδ₁/k)-2tg(2πδ₁/k)+4πδ₁/ksec²(πδ₁/k)};

q=b₁/2C₁;

γ=a₂/a₁;

k=λ_кр/a₁;

r=b₂/b₁;

δ₁=(1-a₂/a₁);

В'=В₀/Y₀=ctg[π(a₁-a₂)/λ_кр]-b₁tg(πa₂/λ_кр)/b₂;

δ - глубина проникновения тока;

а1 - ширина волновода вне гребня;

а2 - ширина гребня;

b1 - высота гребневого волновода;

b2 - величина воздушного промежутка;

λ - длина волны;

λ_кр - критическая длина волны гребневого волновода;

В связи с этим, в отличие от прототипа, конструкция предлагаемого устройства способна рассеивать большую мощность.

Что касается существенности отличий, то в рамках доступных автору материалов не обнаружены признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого объекта.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к сверхвысокочастотной радиотехнике, и может быть использовано в качестве согласованной мощной СВЧ-нагрузки. Техническим результатом изобретения является увеличение рассеиваемой мощности и расширение рабочей полосы частот СВЧ-нагрузки. Поставленная задача достигается тем, что гребневой волновод выполнен из металла с низкой проводимостью, величина воздушного зазора в гребневом волноводе составляет менее 0,1 высоты гребневого волновода, причем коэффициент затухания по ее длине изменяется по закону: α=10lg(n/(n-1)), где n - число поглощающих секций, а требуемое затухание поглощающих секций подчиняется описанной в формуле зависимости, где выбор ширины гребня соответствующей секции и ширины поглощающих секций обеспечивает равномерное рассеяние мощности вдоль нагрузки. 1 ил.

СВЧ-нагрузка, содержащая волновод, гребневой волновод, состоящий из n поглощающих секций переменной ширины и одинаковой высоты, переход с волновода на гребневой волновод, отличающаяся тем, что гребневой волновод выполнен из металла с низкой проводимостью, величина воздушного зазора гребневого волновода составляет менее 0,1 его высоты, причем коэффициент затухания по его длине изменяется по закону:
α=10*lg(n/(n-1)),
где n - число секций поглощающего клина, а требуемое затухание каждой поглощающей секции
α=8,68((πλ_кр/λ²b₁)+Q)/√((λ_кр/λ)²-1),
где
Q={{q-r)²πq²/r²[tg(πγ/k)+πγ/ksec(πγ/k)]+(q-r)/qk(B')}tg²(2πδ₁/k)+4π²/ksec(2πδ₁/k)}/a₁k{2q/t[tg(πγ/k)+πγ/ksec²(πγ/k)]tg²(2πδ₁/k)+4πδ₁/ksec²(πδ₁/k)};
q=b₁/2C₁;
γ=a₂/a₁;
k=λ_кр/a₁;
r=b₂/b₁;
δ₁=(1-a₂/a₁);
B'=B₀/Y₀=ctg[π(a₁-a₂)/λ_кр]-b₁tg(πa₂/λ_кр)/b₂;
δ - глубина проникновения тока;
а1 - ширина волновода вне гребня;
а2 - ширина гребня;
b1 - высота гребневого волновода;
b2 - величина воздушного промежутка;
λ - длина волны;
λ_кр - критическая длина волны гребневого волновода;
достигается выбором ширины гребня соответствующей поглощающей секции.