КОНЦЕНТРАТОР СВЧ МОЩНОСТЕЙ ГЕНЕРАТОРОВ НА МАГНЕТРОНАХ Российский патент 2023 года по МПК H03B9/10 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) – к сложению мощностей нескольких генераторов на магнетронах.

Уровень техники.

Сложение мощностей СВЧ генераторов на магнетронах средней мощности является актуальной задачей по снижению стоимости и уменьшению массогабаритных характеристик при создании на их основе генераторов большой мощности.

В патенте № 2394357 RU «Устройство сложения мощностей генераторов на магнетронах» [1] описано устройство сложения мощностей N-ого числа генераторов на магнетронах, состоящее из резонатора в виде отрезка прямоугольного волновода, на котором магнетроны расположены рядом друг с другом 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, обеспечивающие когерентное сложение полей от всех магнетронов в результате синхронизации [2] и, соответственно, сложение их мощностей в окружающем пространстве. Описанное в этом патенте устройство осуществляет сложение мощностей магнетронов при когерентном излучении и обеспечивает излучение с плоским фонтом волны, которое хорошо подходит для обработки объектов с линейной протяжённостью или с плоской поверхностью. Однако такое устройство не применимо при решении задач, в которых требуется концентрация всей СВЧ мощности в заданном ограниченном объеме, что является его недостатком.

Сущность изобретения.

Заявленное устройство обеспечивает технический результат по сложению мощностей магнетронов в ограниченном объёме.

Указанный технический результат достигается устройством сложения мощностей N-ого, больше 3-х, числа генераторов на магнетронах, состоящим из резонатора в виде отрезка прямоугольного волновода, магнетроны на котором расположены рядом друг с другом 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, при этом прямоугольный волновод (фиг.1) свёрнут в тор (1) по широкой стенке так, что магнетроны (3) располагаются на внешней стороне тора, излучающие щели (2) – на внутренней стороне тора, торцевые стенки отсутствуют, если в устройстве используется чётное число магнетронов, или остаётся одна перегородка между двумя любыми секторами, если используется нечётное число магнетронов; внутренний диаметр тора кратен нечётному числу половин длины волны, соответствующей рабочей частоте магнетронов, а группа чётных генераторов и группа нечётных генераторов запитаны противофазно по сети питания, если используются блоки питания магнетронов с удвоением напряжения, или работа каждой группы разносится во времени с помощью широтно-импульсной модуляции по питанию, если магнетроны питаются от блоков с постоянным выходным напряжением.

Предлагаемое устройство обеспечивает концентрацию сложенных мощностей N магнетронов, где N ≥ 3, в объеме, соответствующем половине длины волны излучения (λ/2).

Во внутренней области пространства, ограниченного широкой стенкой тора с излучающими щелями, диаметр которого равен нечётному числу длин полуволн (λ/2), происходит когерентное сложение электромагнитных полей. Максимум сложенных полей находится в центре тора в пределах половины длины волны излучения λ/2.

Размеры тора рассчитываются исходя из требуемого количества магнетронов и их конструктивных параметров с учетом длины волны излучения λ.

Осуществление изобретения.

На фигуре 1 представлен тор с прямоугольным внутренним сечением, рассчитанный, сконструированный и изготовленный исходя из конструктивных особенностей магнетронов, применяемых в бытовых СВЧ печах, с рабочими частотами в пределах 2450÷2470 МГц в количестве 6 штук. Диаметр внутреннего пространства тора 180 мм, что обеспечивает суммирование мощностей магнетронов в центральной области в пределах половины длины волны излучения (λ/2).

Установка, собранная для проверки работоспособности концентратора мощностей магнетронов показана на фигуре 2. Она состоит из корпуса (6), на котором располагаются: тор (1) с магнетронами (3) и вентиляторами (4); блоки питания магнетронов (7); кварцевая труба (5), проходящая через центральную область тора; ёмкость с водой (8); насос (13); система управления (на фигуре не показана); а также другие элементы – крышка (9), вентиль (10), датчик температуры (14), осциллограф (11), волномер (12).

Вода, являющаяся нагрузкой, насосом забирается из емкости, прокачивается через кварцевую трубу и сбрасывается обратно в емкость.

Зная объем воды, время работы устройства и прирост температуры воды, измеряемый датчиками температуры, встроенными в водяной тракт, можно по известным формулам определить суммарную выходную СВЧ мощность устройства:

P = 4,19 c m ΔT / t [Вт]

где c - теплоемкость воды (1 кал/гр. град.);

m - масса воды в граммах;

ΔT - разность температур в градусах;

t - время нагрева в секундах.

При питании генераторов от сети переменного тока 220 В, 50 Гц с блоками питания, выполненных по схеме удвоения напряжения, возможно включение генераторов по сети как синфазно, так и противофазно, как это описано в патенте № 2392733 RU [3].

В случае синфазного включения всех генераторов по сети, в центре тора будет происходить вычитание полей, измеренная мощность становится в несколько раз меньше суммы мощностей отдельных магнетронов. Если запитать по сети группу чётных генераторов и группу нечётных генераторов синфазно, а каждую группу – противофазно, то в центре тора получим концентрацию сложенных мощностей от каждой группы.

Мощность концентратора на шести магнетронах, измеренная калориметрически, составила 3591 Вт, в то время как сумма мощностей отдельных магнетронов равнялась 3798 Вт. При включении всех магнетронов синфазно по питанию от сети мощность, измеренная калориметрически, составила 1795 Вт в течение первой минуты измерения, амплитуда сигнала с датчика поля была близка к нулю, а затем стала нулевой с небольшими выбросами в начале и в конце импульса.

При использовании источников постоянного напряжения 4 кВ для каждого магнетрона, необходимо применять широтно-импульсную модуляцию по питанию каждой группы генераторов (чётной и нечётной), чтобы разнести их работу по времени.

Рабочая частота устройства измерялась волномером Ч2-9А, а огибающая СВЧ сигнала контролировалась по экрану осциллографа штыревым датчиком поля с детекторной головкой. Мощность каждого магнетрона измерялась на стенде с помощью проточной волноводной нагрузки.

Таким образом реализованное устройство обеспечивает технический результат по сложению мощностей магнетронов в ограниченном объёме.

Источники информации:

1. Патент №2394357 RU.

2. Пиковский А., Розенблюм М., Куртс Ю. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление. М., Техносфера, 2003, с.147.

3. Патент №2392733 RU.

Изобретение относится к СВЧ-технике. Устройство сложения мощностей N-ого, больше 3-х, числа генераторов на магнетронах, состоящее из резонатора в виде отрезка прямоугольного волновода, магнетроны на котором расположены рядом друг с другом 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. Размер широкой стенки резонатора равен половине длины волны, соответствующей рабочей частоте магнетронов. Прямоугольный волновод свёрнут в тор по широкой стенке так, что магнетроны располагаются на внешней стороне тора, излучающие щели - на внутренней стороне тора. Торцевые стенки отсутствуют, если в устройстве используется чётное число магнетронов, или остаётся одна перегородка между двумя любыми секторами, если используется нечётное число магнетронов. Внутренний диаметр тора кратен нечётному числу половин длины волны. Группа чётных генераторов и группа нечётных генераторов запитаны противофазно или работа каждой группы разносится во времени с помощью широтно-импульсной модуляции по питанию. Технический результат - уменьшение массогабаритных характеристик, простота управления, обслуживания и технологического применения. 2 ил.

Устройство сложения мощностей N-ого, больше 3-х, числа генераторов на магнетронах, состоящее из резонатора в виде отрезка прямоугольного волновода, магнетроны на котором расположены рядом друг с другом 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, отличающееся тем, что прямоугольный волновод свёрнут в тор по широкой стенке так, что магнетроны располагаются на внешней стороне тора, излучающие щели - на внутренней стороне тора, торцевые стенки отсутствуют, если в устройстве используется чётное число магнетронов или остаётся одна перегородка между двумя любыми секторами, если используется нечётное число магнетронов; внутренний диаметр тора кратен нечётному числу половин длины волны, соответствующей рабочей частоте магнетронов, а группа чётных генераторов и группа нечётных генераторов запитаны противофазно по сети питания, если используются блоки питания магнетронов с удвоением напряжения или работа каждой группы разносится во времени с помощью широтно-импульсной модуляции по питанию, если магнетроны питаются от блоков с постоянным выходным напряжением.