УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ СВЧ СИГНАЛОВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ Российский патент 2021 года по МПК H01J27/16 

Изобретение относится к области техники, описывающей устройства для усиления и генерации электромагнитного излучения.

Природа продольно-волнового излучения ЭМВ практически мало изучена.

Существует множество способов создания вихря, например, перемещения ионизированных частиц в постоянных полях: магнитном и электростатическом (Еньшин А.В., Илидоров В.А. Продольные электромагнитные волны - от мифа к реальности. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. 2000 г. т. 8. №3-4(28). Стр. 124-126).

Одним из первых обосновавших возможность формирования продольных ЭВМ в газовой плазме при наличии магнитных полей был шведский ученый Х. Альфвен, названных волнами Альфвена, за которые в 1970 г. ему была присуждена Нобелевская премия.

Изучению распространения СВЧ продольных волн в воде посвящено много работ, начиная от способов излучения продольных СВЧ колебаний (Харченко К.П. Способ излучения продольных электромагнитных радиоволн и антенны для его осуществления. Патент РФ №2310954. Приоритет от 20.05.2006 г.), экспереминтальных исследований по возможности передачи видеоизображений и биологических эффектах в каналах связи (Ермолаев Ю.М., Ломакова Е.М., Павлов А.Н. Экспериментальные исследования возможности ТВ канала связи под водой и биологические эффекты продольных электромагнитных волн. Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. 2012 г. т. 17. №1(46). Стр. 191-198) в воде (Ермолаев Ю.М. Эффект преобразования двух СВЧ поперечных электромагнитных волн в продольную в водной среде. Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. 2002 г. т. 10. вып. 4(36). стр. 18-23).

Очень интересны результаты в части изучения энергетического изменения состояния воды при облучении продольной электромагнитной волной Е-типа (Ермолаев Ю.М., Ломакова Е.М., Павлов А.Н. Энергетическое изменение состояния воды при облучении продольной электромагнитной волной Е-типа. Электросвязь. 2013 г. №7. Стр. 32-33).

Особый интерес представляет экспериментальная работа по изучению изменения свойств воды при воздействии СВЧ сигнала большой мощности в интервале температур от минус двух до плюс девяносто пяти градусов Цельсия (В.Ю. Князев, И.А. Косой, Н.И. Малых. Проникновение микроволнового излучения в воду. Журнал технической физики. 2003 г. том 73. Вып. 11. стр. 133-136). Было установлено, что коэффициент затухания СВЧ сигнала при средней мощности 480 Вт по мере прогрева воды уменьшается с 2,2 до 0,3 на см, т.е. в 7,3 раза. Схема этой экспериментальной установки приведена на фиг. 1. Устройство состоит из магнетрона 1, прямоугольного волновода 2, тефлоновых прокладок 3, 10, конических переходов 4, 9, 11, прокладки 7, направленного ответвителя 12, калиброванного аттенюатора 13, детектора 14. Данная установка послужила прототипом. Недостатком этого способа является нагрев воды без ее ионизации.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в том, что под действием большой СВЧ мощности в плазме возникают продольно-поперечные волны, усиливающиеся вдоль оси распространения волн. Это позволяет создавать СВЧ усилители с выходными мощностями в десятки и сотни кВт.

Технический результат достигается за счет использования конструкции устройства (фиг. 2), в которой сигнал внешнего источника 27 через циркулятор 26 и волноводно-коаксиальный переход 20 и 21 излучает мощность антенной 23, погруженной в жидкость (воду) 25, которая, в свою очередь, находится в кварцевой колбе 24, помещенной в металлический корпус 22, который отражает возникающий усиленный СВЧ сигнал в воде и через антенну 23 и коаксиально-волноводный переход 20 и 21 и циркулятор 26 усиленный сигнал поступает на выход усилителя. При этом уровень входного СВЧ сигнала должен быть достаточным для доведения воды до предплазменного состояния, аналогичного неравновесному электронно-дырочному газу в полупроводниках. В таком исполнении конструкция работает в режиме усилителя большой мощности.

Другой вариант исполнения представлен на фиг. 3. В качестве внешнего источника сигнала используется магнетрон 1 с соответствующей выходной мощностью, доводящей усилитель 34 до режима насыщения. В остальном усилитель будет функционировать так, как описано выше. В таком исполнении конструкция работает в режиме генератора большой мощности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.

На фиг. 1 представлена экспериментальная установка. На ней изображены магнетрон 1, прямоугольный волновод 2, тефлоновые прокладки 3, 10, конические переходы 4, 9, 11, прокладки 7, направленный ответвитель 12, калиброванный аттенюатор 13, детектор 14.

На фиг. 2 представлена структурная схема СВЧ усилителя большой мощности с продольной электромагнитной волной. На ней изображены нагрузка 19, прямоугольный волновод 20, коаксиал 21, алюминиевый корпус 22, штырьевая антенна 23, кварцевая колба 24, вода 25, циркулятор 26, внешний источник 27, измеритель мощности 28, отверстие отводов газов 29, усилитель мощности 30.

На фиг. 3 представлена структурная схема СВЧ генератора большой мощности. На ней изображены полезная нагрузка 31, входной фланец СВЧ нагрузки 32, выходной фланец СВЧ усилителя 33, СВЧ усилитель большой мощности с продольной электромагнитной волной 34, входной фланец СВЧ усилителя 35, магнетрон 1.

На фиг. 4 представлена зависимость выходной мощности усилителя от времени с момента подачи входной.

Экспериментальные результаты выхода генератора в номинальный режим представлены на фиг. 4.

Условия эксперимента:

- рабочая частота, МГц 915. - размер корпуса, диаметр, см 30. - размер корпуса, длина, см 30. - объем колбы, литры 10. - входная непрерывная мощность, кВт, 10.

Сущность изобретения.

В момент подачи входной мощности отраженный сигнал от несогласованной антенны отражается на выход усилителя. Но, по мере разогрева воды и улучшения согласования, примерно на 6-7 минут, происходит резкое изменение характеристик воды и нарастание ее ионизации, рост продольной волны с выходом в режим насыщения на уровне 100 кВт на 15 минуте при коэффициенте усиления 10 дБ.

Высокая выходная мощность сохраняется до момента сохранения контакта антенны 23 с водой 25. В процессе работы усилителя и генератора через отверстие 1 выделяются пары воды Н₂О, Н₂, О₂, О и др.

Изобретение относится к области усиления и генерации электромагнитного излучения. Технический результат – повышение выходной мощности. Сигнал внешнего генератора через циркулятор и волноводно-коаксиальный переход излучает мощность антенной, погруженной в жидкость (воду), которая, в свою очередь, находится в кварцевой колбе, помещенной в металлический корпус, который отражает возникающий усиленный СВЧ сигнал в воде, и через антенну и коаксиально-волноводный переход и циркулятор усиленный сигнал поступает на выход усилителя. При этом уровень входного СВЧ сигнала должен быть достаточным для доведения воды до состояния предплазменного состояния. В таком исполнении конструкция работает в режиме усилителя большой мощности. 1 ил.

Устройство, использующее воду в качестве активной среды, представляющее собой устройство усиления большой мощности, при этом усилитель состоит из волноводного циркулятора, на первый вход которого подается входной сигнал от внешнего источника, а к выходу первого плеча подключен волноводно-коаксиальный переход со штыревой антенной, погруженной в кварцевый цилиндрический сосуд с водой, который помещен в металлический корпус, выступающий в качестве отражающего экрана усиленнего сигнала, поступающего через ту же антенну и коаксиально-волноводный переход на вход второго плеча циркулятора, с выхода которого сигнал подается на нагрузку.