УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТИ ДВУХ МНОГОСЕКЦИОННЫХ МАГНЕТРОНОВ Российский патент 2014 года по МПК H03B9/10 H03H7/48 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), конкретно к сложению мощности нескольких магнетронов, и может быть использовано преимущественно в передающих устройствах радиолокационных станций (РЛС), а также в системах связи, сверхвысокочастотных промышленных установках для нагрева.

В науке и технике известен аналог - генератор магнетронного типа (патент на полезную модель RU 95898 U1, опубл. 10.07.2010), состоящий из k одинаковых магнетронов, где k≥2, работающих на основной частоте, соединенных между собой передающей линией, в которой суммируются их выходные мощности.

Недостаток данной полезной модели заключается в ухудшении массогабаритных характеристик.

Недостаток полезной модели состоит также в увеличении в k раз количества отрезков передающей линии в случае суммирования мощности многосекционных магнетронов, где k≥2 - число идентичных секций (патент на полезную модель RU 130451 U1, опубл. 20.07.2013).

Известен аналог «Многосекционный магнетрон» (патент на полезную модель RU 130451 U1, опубл. 20.07.2013), в котором осуществляется суммирование мощности k≥2 идентичных секций (магнетронов без магнитных систем).

Недостаток аналога заключается в ограничении количества секций многосекционного магнетрона, связанного с ростом сложности и массогабаритных показателей общей для всех секций магнитной системы. Ограничение количества секций приводит к уменьшению выходной мощности многосекционного магнетрона, что может оказаться неприемлемым для конкретной установки.

Известно принятое за прототип изобретение «Устройство для сложения мощностей двух СВЧ генераторов на магнетронах» (патент на изобретение RU 2392733 C1, опубл. 20.06.2010). В данном устройстве наряду с увеличением выходной мощности решаются задачи повышения его надежности при одновременном упрощении конструкции по сравнению с описанным в указанном изобретении «Многофункциональным сумматором СВЧ мощности», разработанным в 1991 г. авторами Ильиным С.Н., Ильиным B.C., Лобановым В.Г. и Хоркиной А.А.

Недостаток прототипа состоит в необходимости перемещения магнетронов вдоль оси волновода. Тем самым подбирается величина расстояния между выводами энергии магнетронов с целью повышения коэффициента полезного действия (КПД) устройства.

К недостатку прототипа можно отнести также обязательную фиксацию каждого магнетрона и его крепление, например, с помощью хомута, охватывающего волновод. При использовании прототипа в мобильных установках тряска и вибрация с большой вероятностью приведут к нарушению фиксации магнетронов.

Технической задачей заявленного изобретения является разработка нового «Устройства для сложения мощности двух многосекционных магнетронов», конструктивные и функциональные особенности которого позволяют повысить надежность, энергетические и эксплуатационные показатели, оптимизировать массогабаритные характеристики устройства.

Реализация указанной технической задачи заявленным изобретением обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:

- сложение мощности двух многосекционных магнетронов является актуальной задачей, так как приводит к снижению стоимости СВЧ генераторов;

- применение короткозамкнутого волновода, являющегося внешним объемным резонатором-сумматором мощности, для суммирования мощности идентичных секций двух многосекционных магнетронов повышает стабильность рабочей частоты каждой секции и поэтому электронный КПД и выходная мощность каждого многосекционного магнетрона и их суммарная мощность и КПД растет с повышением стабильности рабочей частоты;

- короткозамкнутый волновод выполнен в форме закороченного отрезка прямоугольного волновода длиной nΛ/2, где n≥(2m+5), Λ - длина волны в волноводе, m=0, 1, 2, …, с продольными щелями длиной λ/2, где λ - длина волны в свободном пространстве, прорезанными по средней линии его одной широкой стенки в количестве, равном числу секций каждого магнетрона, причем расстояние между центрами щелей равно L=Λ|2, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, что обеспечивает синфазную и устойчивую работу каждой секции двух многосекционных магнетронов, что также способствует повышению КПД и выходной мощности;

- при подключении двух многосекционных магнетронов к одной широкой стенке короткозамкнутого волновода вывод энергии каждой секции второго магнетрона вводится в ту же широкую стенку короткозамкнутого волновода, что и вывод энергии каждой секции первого магнетрона, а расстояние между серединами продольных щелей, к которым подключены ближайшие секции магнетронов, определяется размерами магнетронов с магнитными системами, требованием синфазности их работы и равно (2m+1)Λ2, где Λ - длина волны в волноводе, m=0, 1, 2, …;

- подключение двух многосекционных магнетронов к одной широкой стенке короткозамкнутого волновода удобно в случае критичности поперечных размеров (перпендикулярных продольной оси короткозамкнутого волновода) устройства для сложения мощности двух многосекционных магнетронов в конкретной установке;

- взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь в устройстве позволяют получить практически увеличенную в 2(k≥2) раз выходную мощность путем суммирования мощности каждой секции двух многосекционных магнетронов в короткозамкнутом волноводе, где k≥2 - число идентичных секций каждого из двух многосекционных магнетронов;

- заявленное изобретение может быть реализовано и для случая, когда два многосекционных магнетрона заменяются на два обычных многорезонаторных магнетрона.

Для достижения указанного технического результата предложено «Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов», содержащее магнетроны и короткозамкнутый волновод, отличающееся тем, что магнетроны являются многосекционными, а короткозамкнутый волновод содержит продольные щели длиной λ/2 с расстоянием между центрами щелей L=Λ/2, прорезанными по средней линии его одной широкой стенки в количестве, равном числу секций каждого магнетрона, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, а при подключении двух многосекционных магнетронов к одной широкой стенке короткозамкнутого волновода расстояние между серединами продольных щелей, к которым подключены ближайшие секции магнетронов, определяется размерами магнетронов с магнитными системами, требованием синфазности их работы и равно (2m+1)Λ/2, где Λ - длина волны в волноводе, m=0, 1, 2, ….

Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что магнетроны являются многосекционными, а короткозамкнутый волновод содержит продольные щели длиной λ/2 с расстоянием между центрами щелей L=Λ|2, прорезанными по средней линии его одной широкой стенки в количестве, равном числу секций каждого магнетрона, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, а при подключении двух многосекционных магнетронов к одной широкой стенке короткозамкнутого волновода расстояние между серединами продольных щелей, к которым подключены ближайшие секции магнетронов, определяется размерами магнетронов с магнитными системами, требованием синфазности их работы и равно (2m+1)Λ/2, где Λ - длина волны в волноводе, m=0, 1, 2, ….

Дополнительным отличием является то, что короткозамкнутый волновод, являющийся внешним объемным резонатором-сумматором мощности, выполнен в форме закороченного отрезка прямоугольного волновода длиной nΛ/2, где n≥(2m+5), Λ - длина волны в волноводе, m=0, 1, 2, ….

Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для получения практически увеличенной в 2(k≥2) раз выходной мощности путем суммирования мощности каждой секции двух многосекционных магнетронов в короткозамкнутом волноводе, где k≥2 - число идентичных секций каждого из двух многосекционных магнетронов.

Именно наличие в заявленном изобретении общих отличительных и дополнительных отличительных признаков позволяет не только повысить основные энергетические параметры, такие как выходная мощность и КПД, надежность, но и значительно улучшить качественные массогабаритные характеристики, эксплуатационные показатели, снизить стоимость устройства.

Заявленное изобретение может быть реализовано и для случая, когда два многосекционных магнетрона заменяются на два обычных многорезонаторных магнетрона.

Сущность изобретения для случая двух секций каждого из двух многосекционных магнетронов поясняется чертежами:

- фиг.1 - Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Общий вид;

- фиг.2 - Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Короткозамкнутый волновод;

- фиг.3 - Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Функциональная схема.

На фиг.1 представлено Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Общий вид:

1. Короткозамкнутый волновод;

1.1. Устройство вывода энергии;

1.2. Реактивный вибратор;

1.3. Продольная щель;

1.4. Реактивный вибратор;

1.5. Продольная щель;

1.6. Реактивный вибратор;

1.7. Продольная щель;

1.8. Реактивный вибратор;

1.9. Продольная щель;

2. Магнитная система;

3. Многосекционный магнетрон;

3.1. Секция;

3.2. Устройство вывода энергии;

3.3. Пазовое электрическое соединение секций;

3.4. Секция;

3.5. Устройство вывода энергии;

4. Магнитная система;

5. Многосекционный магнетрон;

5.1. Секция;

5.2. Устройство вывода энергии;

5.3. Пазовое электрическое соединение секций

5.4. Секция;

5.5. Устройство вывода энергии.

Два многосекционных магнетрона 3, 5 фиг.1 идентичны и подключены к одной широкой стенке короткозамкнутого волновода 1 фиг.1. Каждая из двух секций 3.1, 3.4 магнетрона 3 фиг.1 и секций 5.1, 5.4 магнетрона 5 фиг.1 через соответствующие устройства вывода энергии 3.2, 3.5, 5.2, 5.5 фиг.1 подключены к короткозамкнутому волноводу 1 фиг.1 через продольные щели 1.9, 1.7, 1.5, 1.3 фиг.1. Короткозамкнутый волновод 1 фиг.1 включает продольные щели 1.3, 1.5, 1.7, 1.9 фиг.1, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 фиг.1, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны.

Вывод суммарной электромагнитной энергии магнетронов 3, 5 фиг.1 осуществляется из короткозамкнутого волновода 1 фиг.1 посредством устройства вывода энергии 1.1 фиг.1.

На фиг.2 представлено Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Короткозамкнутый волновод:

1. Короткозамкнутый волновод;

1.1. Устройство вывода энергии;

1.2. Реактивный вибратор;

1.3. Продольная щель;

1.4. Реактивный вибратор;

1.5. Продольная щель;

1.6. Реактивный вибратор;

1.7. Продольная щель;

1.8. Реактивный вибратор;

1.9. Продольная щель.

Короткозамкнутый волновод 1 фиг.1, 2 выполнен в форме отрезка прямоугольного волновода длиной nΛ/2, где n≥(2m+5), Λ - длина волны в волноводе, m=0, 1, 2, …. В конструкции короткозамкнутого волновода 1 фиг.2 имеются продольные щели в середине широкой стенки отрезка прямоугольного волновода 1.3, 1.5, 1.7, 1.9 фиг.2 длиной λ/2, где λ - длина волны в свободном пространстве. Расстояние между центрами щелей 1.3, 1.5 и 1.7, 1.9 фиг.2 соответствует L=Λ/2, где Λ - длина волны в волноводе. Расстояние между серединами продольных щелей 1.5, 1.7 фиг.1, 2, к которым подключены ближайшие секции магнетронов 3, 5 фиг.1, определяется размерами магнетронов с магнитными системами, требованием синфазности работы магнетронов и равно (2m+1)Λ/2, где Λ - длина волны в волноводе, m=0, 1, 2, ….

Для возбуждения щелей используются реактивные вибраторы 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 фиг.1, 2, помещенные рядом с серединами щелей по разные их стороны. В качестве устройства вывода энергии 1.1 фиг.1, 2 из короткозамкнутого волновода 1 фиг.1, 2 в волноводный тракт может быть использован четвертьволновый трансформатор.

На фиг.3 представлено Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Функциональная схема:

1. Короткозамкнутый волновод;

1.1. Устройство вывода энергии;

1.2. Реактивный вибратор;

1.3. Продольная щель;

1.4. Реактивный вибратор;

1.5. Продольная щель;

1.6. Реактивный вибратор;

1.7. Продольная щель;

1.8. Реактивный вибратор;

1.9. Продольная щель;

3.1. Секция;

3.2. Устройство вывода энергии;

3.4. Секция;

3.5. Устройство вывода энергии;

5.1. Секция;

5.2. Устройство вывода энергии;

5.4. Секция;

5.5. Устройство вывода энергии.

Секции 3.1, 3.4, 5.1, 5.4 фиг.3 параллельно запитаны рабочим напряжением U_A от общего источника питания - импульсного модулятора. Устройства вывода генерируемой электромагнитной энергии 3.2, 3.5, 5.2, 5.5 фиг.3 секций 3.1, 3.4, 5.1, 5.4 фиг.3 магнетронов 3, 5 фиг.1 подключены к продольным щелям 1.9, 1.7, 1.5, 1.3 фиг.3 одной широкой стенки короткозамкнутого волновода 1 фиг.3. Реактивные вибраторы 1.8, 1.6, 1.4, 1.2 фиг.3 помещены рядом с серединами щелей и установлены по разные их стороны. Выход короткозамкнутого волновода 1 фиг.3 связан с волноводным трактом через устройство вывода энергии 1.1 фиг.3.

Устройство работает следующим образом

«Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов» предназначено для суммирования мощности магнетронов в составе передающего устройства радиолокационной станции или конкретной промышленной установки. При подаче рабочего напряжения U_A от общего источника питания параллельно на все секции 3.1, 3.4, 5.1, 5.4 фиг.1, 3 магнетронов 3, 5 фиг.1 указанные секции генерируют СВЧ электромагнитную энергию.

В короткозамкнутый волновод 1 фиг.1, 2, 3 электромагнитная энергия из устройств вывода энергии 3.2, 3.5, 5.2, 5.5 фиг.1, 3 поступает через продольные щели 1.9, 1.7, 1.5, 1.3 фиг.1, 2, 3. Поскольку щели прорезаны по средней линии широкой стенки волновода, то они возбуждаться не будут. Для возбуждения продольных щелей 1.3, 1.5, 1.7, 1.9 фиг.1, 2, 3 используются реактивные вибраторы 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 фиг.1, 2, 3, помещенные рядом с серединами щелей. Реактивные вибраторы 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 фиг.1, 2, 3 установлены по разные стороны щелей и меняют фазу возбуждения на 180°. С учетом расстояния между серединами щелей 1.3, 1.5 и 1.7, 1.9 фиг.2, равного половине длины волны в волноводе, обеспечивается синфазная и устойчивая работа секций 3.1, 3.4 и 5.1, 5.4 фиг.3 магнетронов 3, 5 фиг.1, что также способствует повышению КПД и выходной мощности.

Расстояние между серединами продольных щелей, к которым подключены ближайшие секции магнетронов, определяется размерами магнетронов с магнитными системами, требованием синфазности работы магнетронов и равно (2m+1)Λ/2, где Λ - длина волны в волноводе, m=0, 1, 2, ….

Заявленное изобретение «Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленного изобретения, устройством для суммирования мощности магнетронов в составе передающего устройства радиолокационной станции или конкретной промышленной установки.

Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:

- сложение мощности двух многосекционных магнетронов является актуальной задачей, так как приводит к снижению стоимости СВЧ генераторов;

- применение короткозамкнутого волновода, являющегося внешним объемным резонатором-сумматором мощности, для суммирования мощности идентичных секций двух многосекционных магнетронов повышает стабильность рабочей частоты каждой секции и поэтому электронный КПД и выходная мощность каждого многосекционного магнетрона и их суммарная мощность и КПД растет с повышением стабильности рабочей частоты;

- короткозамкнутый волновод выполнен в форме закороченного отрезка прямоугольного волновода длиной nΛ/2, где n≥(2m+5), Λ - длина волны в волноводе, m=0, 1, 2, …, с продольными щелями длиной λ/2, где λ - длина волны в свободном пространстве, прорезанными по средней линии его одной широкой стенки в количестве, равном числу секций каждого магнетрона, причем расстояние между центрами щелей равно L=Λ/2, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, что обеспечивает синфазную и устойчивую работу каждой секции двух многосекционных магнетронов, что также способствует повышению КПД и выходной мощности;

- подключение двух многосекционных магнетронов к одной широкой стенке короткозамкнутого волновода удобно в случае критичности поперечных размеров (перпендикулярных продольной оси короткозамкнутого волновода) устройства для сложения мощности двух многосекционных магнетронов в конкретной установке;

- взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь в устройстве позволяют получить практически увеличенную в 2(k≥2) раз выходную мощность путем суммирования мощности каждой секции двух многосекционных магнетронов в короткозамкнутом волноводе, где k≥2 - число идентичных секций каждого из двух многосекционных магнетронов;

- заявленное изобретение может быть реализовано и для случая, когда два многосекционных магнетрона заменяются на два обычных многорезонаторных магнетрона.

Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко известные материалы и технологии производства резонаторов-сумматоров мощности, выполненных в форме закороченного отрезка прямоугольного волновода, многорезонаторных магнетронов обычной конструкции.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в передающих устройствах радиолокационных станций, в системах связи, в сверхвысокочастотных промышленных установках для нагрева. Достигаемый технический результат - повышение КПД и выходной мощности. Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов содержит многосекционные магнетроны и короткозамкнутый волновод, который содержит продольные щели длиной λ/2, где λ - длина волны в свободном пространстве, с расстоянием между центрами щелей L=Λ/2, где Λ - длина волны в волноводе, прорезанными по средней линии его одной широкой стенки в количестве, равном числу секций каждого магнетрона с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, при подключении магнетронов к одной широкой стенке короткозамкнутого волновода расстояние между серединами продольных щелей, к которым подключены ближайшие секции магнетронов, определяется размерами магнетронов с магнитными системами, требованием синфазности их работы и равно (2m+1)Λ/2, где m=0,1,2, …. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов, содержащее магнетроны и короткозамкнутый волновод, отличающееся тем, что магнетроны являются многосекционными, а короткозамкнутый волновод содержит продольные щели длиной λ/2 с расстоянием между центрами щелей L=Λ/2, прорезанными по средней линии его одной широкой стенки в количестве, равном числу секций каждого магнетрона, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, а при подключении двух многосекционных магнетронов к одной широкой стенке короткозамкнутого волновода расстояние между серединами продольных щелей, к которым подключены ближайшие секции магнетронов, определяется размерами магнетронов с магнитными системами, требованием синфазности их работы и равно (2m+1)Λ/2, где Λ - длина волны в волноводе, m=0, 1, 2,….

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что короткозамкнутый волновод, являющийся внешним объемным резонатором-сумматором мощности, выполнен в форме закороченного отрезка прямоугольного волновода длиной nΛ/2, где n≥(2m+5).