УСТРОЙСТВО СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТЕЙ ГЕНЕРАТОРОВ НА МАГНЕТРОНАХ Российский патент 2010 года по МПК H03B9/10 

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=¹/₂λ_раб, получено экспериментальным путем).

Оптимальная форма и площадь излучающих щелей должна соответствовать совпадению собственной резонансной частоты ƒ_рез полученной системы с рабочей частотой ƒ_раб 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 Р_вых и рабочей частоты λ_раб каждого из магнетронов фирмы «Samsung».

Табл. 1 Тип и номер магнетрона Выходная мощность Р_вых, Вт Рабочая частота ƒ_раб, МГц Примечание «Samsung» M.75 (S21)       №1 775 2463,2 ΣР_вых=3036 Вт №2 776 2467,7   №3 773 2460,5   №4 712 2458,3 P_4мaгн.=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.

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.

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.