Микроволновой СВЧ излучатель Российский патент 2024 года по МПК H01J7/06 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к сверхвысокочастотным излучателям электромагнитной энергии, и может быть использовано для передачи микроволновой электромагнитной энергии в технических устройствах электроэнергетики, космической техники, связи, в устройствах радиоэлектронной борьбы, микроволновой обработки диэлектрических материалов и сред, в устройствах нагрева в промышленности и быту, в сельском хозяйстве для сушки и электромагнитной обработки продукции.

Известны СВЧ излучатели с волноводами в виде отрезка трубы из проводящего материала с прямоугольным сечением полости, шириной большей высоты, в качестве ограничивающих и направляющих элементов потока энергии СВЧ электромагнитных волн [Электродинамика сверхвысоких частот: учебное пособие / И.В. Пегель. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 158 с.; Введение в электродинамику СВЧ: учебное пособие / С.А. Афанасьев, Д.Г. Санников. - Ульяновск: УлГУ, 2012. - 60 с.].

Недостатком таких излучателей является то, что в них волноводы, выполняя функции линий передачи СВЧ электромагнитных волн, выполняют только направляющую и ограничивающую функции для потока энергии электромагнитных волн, поступающего в их полость.

Наиболее близким по конструкции является микроволновой излучатель, содержащий магнетрон в качестве генератора СВЧ электромагнитных колебаний и волновод в виде отрезка трубы из проводящего материала с прямоугольным сечением полости, шириной большей высоты, с одним закрытым торцом и отверстием в широкой стенке для ввода антенны магнетрона. В излучателе волновод обеспечивает возможность возбуждения в полости электромагнитных колебаний в виде волн, направленных в сторону открытого торца волновода из-за отражения части волн от внутренней поверхности закрытого торца и, соответственно, создание направленного потока электромагнитной энергии. Эффективность работы данного излучателя увеличивается, если в волноводе расстояние от центра отверстия для ввода источника колебаний до поверхности закрытого торца составляет четверть длины волны, возбуждаемых источником. Часть полости волновода между торцом и центром отверстия для ввода источника колебаний как отрезок линии передачи с одним короткозамкнутым концом при этом служит четвертьволновым резонатором СВЧ электромагнитных колебаний [Техника и полупроводниковая электроника СВЧ: Учебное пособие [Электронное издание] / О.О. Дробахин, С.В. Плаксин, В.Д. Рябчий, Д.Ю. Салтыков. - Севастополь: Вебер, 2013 - 322 с.].

Недостатком данного излучателя является то, что он не может обеспечить создание сквозного ускоряющегося потока энергии через полость волновода.

Задачей изобретения является создание микроволнового СВЧ излучателя, в полости волновода которого резонансно возбуждаются волноводные волны и ускоряющийся сквозной поток электромагнитной энергии с максимальной интенсивностью вдоль оси полости волновода.

Поставленная задача решается тем, что микроволновой СВЧ излучатель, включающий источник электрического тока, генератор СВЧ электромагнитных колебаний в виде магнетрона и волновод, отличается тем, что в нем волновод, выполненный в виде отрезка трубы из проводящего материала с открытыми торцами и прямоугольным сечением полости, шириной большей высоты, содержит на одном из торцов четвертьволновой резонатор с полостью прямоугольной формы, шириной полости меньшей ширины полости волновода, отверстие в одной из широких стенок напротив полости четвертьволнового резонатора для ввода антенны магнетрона, в середине второго торца пластинчатый раструб шириной, равной одной трети ширины полости волновода и длиной не больше длины полости четвертьволнового резонатора, и пластинчатые проводники с внешней стороны широких стенок волновода, изолированные от поверхности волновода диэлектрическим зазором и соединяющие края широких сторон противоположных торцов волновода по обе стороны от четвертьволнового резонатора и раструба и образующие вместе с внутренними поверхностями волновода замкнутые проводящие поверхности.

На фиг.1 показана схема микроволнового СВЧ излучателя с волноводом с открытыми торцами полости: 1 - источник электрического тока, 2 - магнетрон, 3 - волновод.

На фиг.2 показан волновод микроволнового СВЧ излучателя с магнетроном: 2 - магнетрон, 3 - волновод, 4 - четвертьволновой резонатор, 5 - раструб, 6 - внешние пластинчатые проводники, 7 - диэлектрические зазоры, 8 - антенна магнетрона, 9 - электромагнитная волна.

На фиг.3 изображена картина возбуждения волноводной волны в полости волновода микроволнового СВЧ излучателя: 3 - волновод, 4 - четвертьволновой резонатор, 8 - антенна магнетрона, 9 - электромагнитная волна, 10 - волноводная волна.

На фиг.4 изображено возбуждение волны, токов смещения и поверхностных токов в полости волновода в плоскости, расположенной по оси волновода и перпендикулярной широким сторонам волновода микроволнового СВЧ излучателя: 2 - магнетрон, 3 - волновод, 4 - четвертьволновой резонатор, 5 - раструб, 6 - внешние пластинчатые проводники, 8 - антенна магнетрона, 10 - волноводная волна, 11 - линии токов.

На фиг.5 изображено возбуждение волноводной волны, токов смещения и поверхностных токов в плоскостях, расположенных на расстоянии от оси полости волновода, равном половине длины волны и перпендикулярных широким сторонам волновода микроволнового СВЧ излучателя: 3 - волновод, 6 - внешние пластинчатые проводники, 10 - волноводная волна, 11 - линии токов в полости волновода, 12 - линии токов на поверхности внешних проводников.

На фиг.6 изображено возбуждение электромагнитной волны и вихревых и общего потоков электромагнитной энергии в полости волновода с открытыми торцами микроволнового СВЧ излучателя: 3 - волновод, 9 - электромагнитная волна, 13 - линии вихревых потоков энергии, 14 - линии общего потока энергии.

Работа микроволнового СВЧ излучателя (рис. 1), включающего источник электрического тока 1, генератор СВЧ электромагнитных колебаний в виде магнетрона 2 и волновод 3, заключается в следующем. Волновод 3 выполнен в виде отрезка трубы с прямоугольным сечением полости из хорошо проводящего материала, в качестве которого может быть латунь, алюминий, нержавеющая сталь с дополнительным покрытием или из диэлектрического материала с металлическим покрытием поверхности и содержит на одном торце полости четвертьволновой резонатор 4, на втором торце - раструб 5 и внешние пластинчатые проводники 6, изолированные от корпуса диэлектрическим зазором 7 и соединяющие края широких сторон противоположных торцов волновода по обе стороны от четвертьволнового резонатора и раструба (рис. 2). Ширина а полости волновода выбирается исходя из длины λ₀ электромагнитной волны, возбуждаемой генератором СВЧ электромагнитных колебаний соответствующей частоты f=с/λ₀, где с - скорость света и на ширине полости волновода должны укладываться три полудлины волны а=3(λ₀/2). Высота b полости волновода намного меньше ее ширины и выбирается исходя из электрической прочности среды в полости, в частности, воздуха. Минимальная длина L волновода между открытыми торцами равна ширине а ее полости. Четвертьволновой резонатор имеет полость прямоугольной формы, и представляет собой короткий волновод с одним закрытым торцом, изготовленный из материала волновода высотой, равной высоте волновода и шириной меньшей ширины волновода. Четвертьволновой резонатор открытой стороной полости подведен к торцу волновода так, что полости волновода и резонатора образуют общую полость. Ширина полости четвертьволнового резонатора должна быть чуть больше половины длины волны, возбуждаемой источником и составляет а_р=(0,6÷0,8)λ₀, а ее длина - четверть длины волны L_p=λ₀/4. Центр отверстия для ввода источника СВЧ колебаний на широкой стенке волновода должен находиться в центре края открытой стороны полости четвертьволнового резонатора вдоль линии оси полости волновода. Диаметр отверстия выбирается исходя от конструкции источника СВЧ колебаний, в качестве которого может служить штыревая антенна магнетрона. В этом случае часть внутренней поверхности противоположной широкой стенки волновода напротив отверстия должна иметь полусферическую вогнутую форму для увеличения емкости зазора между антенной магнетрона и поверхностью полости волновода.

Микроволновой СВЧ излучатель, работающий в миллиметровом диапазоне волн, в качестве генератора СВЧ электромагнитных колебаний может содержать СВЧ диод, например диод Ганна, который должен быть встроен в полость волновода напротив полости четвертьволнового резонатора.

Полость волновода в микроволновом СВЧ излучателе условно может быть разделена на три части - на центральную часть, закрытую с одного торца узкими стенками четвертьволнового резонатора и открытую со второго торца вместе с раструбом, и две части по обе стороны от четвертьволнового резонатора и раструба с двумя открытыми торцами, противоположные края широких сторон которых соединены внешними пластинчатыми проводниками, образующими вместе с внутренними поверхностями волновода замкнутые проводящие поверхности. Внешние проводники должны быть изолированы от корпуса волновода диэлектрическим слоем или воздушным зазором для исключения замыкания поверхностных токов через внешние поверхности боковых стенок волновода.

После подключения магнетрона 2 к источнику тока 1 в зазоре между внутренней поверхностью широкой стенки волновода 3 и поверхностью антенны 8 магнетрона возбуждается переменный ток смещения частотой работы магнетрона. Вблизи этого зазора возбуждаются электромагнитные колебания, распространяющиеся в полости волновода в виде цилиндрических электромагнитных волн 9 (рис. 2). Часть волн отражается четвертьволновым резонатором 4, в результате которого волны преобразовываются в полуцилиндрические волны (рис. 3), движущиеся в полости волновода 3 в сторону от полости резонатора 4. Эти волны достигают поверхности боковых сторон волновода и распространяются дальше в виде волн 9 с дугообразными линиями фронтов. Величина волнового вектора k волн, возбуждаемых источником, равна l=ω₀/ν₀, где ω₀=2πf - круговая частота, ν₀=с - фазовая скорость волн.

Скорость с света связана с электрическим ε₀ и магнитным μ₀ постоянными соотношением Колебания напряженности электрического поля электромагнитных волн 9, распространяющихся в полости волновода 3 от антенны 8 магнетрона, описываются уравнением цилиндрических волн:

где E₀ - амплитуда напряженности электрического поля при r=r₀=а/2.

Волны после достижения внутренних поверхностей узких боковых стенок волновода отражаются под углом θ, равным углу падения и зависящим от расстояния r от источника и координаты z точек поверхности узких стенок волновода вдоль оси полости. При этом sinθ=z/r и cosθ=(а/2)/r=(3λ₀/4)/r. Волновой вектор k отраженной волны можно разложить на поперечную k_x и продольную k₂ составляющие так, что Длина этих векторов равна k_x=kcosθ и k_z=ksinθ. Так как волна отражается одновременно от двух противоположных поверхностей узких сторон волновода, то поперечные составляющие отраженных волн с учетом изменения знака при отражении запишутся уравнениями

Уравнения поперечных составляющих отраженных волн описывают волны, бегущие навстречу друг к другу вдоль поперечной линии z=rsinθ, которые при интерференции дают результирующую волноводную волну 10 (рис. 3), описываемую уравнением

Амплитуда этой волноводной волны равна

и является распределенной вдоль поперечной линии в полости волновода в виде стоячей волны.

Продольные составляющие отраженных волн записываются одним и тем же выражением

которое можно переписать в виде

Так как cosθ=а/2r уравнение продольной составляющей отраженных волн примет вид

В уравнении (3) волноводной волны с распределенной амплитудой выражение ω₀t - kr=ϕr есть фаза волны, исходящей от источника в момент времени достижения внутренней поверхности узких боковых сторон волновода. Колебания в волноводной волне запаздывают по фазе от колебаний в волне, возбуждаемой источником, на величину, равную Δϕ_w=k_x а/2+π=(a/2)kcosθ+π. Так как а/2=3λ₀/4 и k=2π/λ₀, эта разность фаз равна Δϕ_w=(3/2)πcosθ+π. Разность фаз в колебаниях волноводной волны и волны, исходящей от источника, с увеличением угла θ уменьшается.

Источник волн в полости волновода находится на линии z=0, вдоль которой r=а/2, k_x=k и θ=0. Уравнение волноводной волны вдоль линии z=0 запишется в виде

Если источником возбуждаются волны длиной λ₀=2а/3, то разность фаз между колебаниями, возбуждаемым источником и распределенными колебаниями в волноводной волне составит Δϕ=4π. Максимальная амплитуда волноводной волны приходится на ось полости волновода, где х=0 и где находится источник. Поэтому колебания напряженности электрического поля волноводной волны накладываются на электромагнитные колебания, возбуждаемые источником через два периода колебаний и усиливают их.

Так как k_xa/2=(3π/2)cosθ, уравнение волноводной волны можно переписать также в виде

С расстоянием r от источника величина cosθ уменьшается и стремится к нулю. При θ=π/2 колебания в волне, возбуждаемой источником, и в волноводной волне оказываются в противофазе. Вместе с этим величина cos(kxcosθ) стремится к 1 и амплитуда такой волны становится одинаковой вдоль поперечной линии волновода z=rsinθ, а сама волна переходит в плоскую волну. В связи с этим, на больших расстояниях r от источника величина cosθ стремится к нулю и волна, исходящая от источника, должна подавляться волноводной волной, у которой амплитуда колебаний напряженности электрического поля в 2 раза больше.

Волновой вектор k и скорость ν₀ волны, возбуждаемой источником, связаны соотношением k=ω₀/ν₀. Так как волновой вектор поперечной составляющей волноводной волны равен k_x=kcosθ=ω₀cosθ/ν₀, для ее скорости можно записать выражение в виде ν_x=ω₀/k_x=ν₀/cosθ. С расстоянием r от источника скорость ν_x поперечной составляющей волноводной волны, согласно этому выражению, должна увеличиваться превышая скорость волны, возбуждаемой источником (скорость света). С другой стороны, изменение волнового вектора поперечной составляющей волноводной волны в зависимости от угла θ можно объяснить изменением частоты волн ω_х=ω₀cosθ. Период колебаний в такой волне равен Т=2π/ω_х=2π/ω₀cosθ. Колебания в поперечной составляющей волноводной волны с увеличением угла θ как бы замедляются.

Чтобы представить волноводную волну бегущей вдоль оси полости волновода, в уравнении этой волны учтем, что r=z/sinθ. Тогда уравнение волноводной волны запишется в виде

В этом уравнении второе слагаемое в фазе волны можно представить тождественными равенствами k(z/sinθ)=(k/sinθ)z, k(z/sinθ)=(2π/λ₀sinθ)z, k(z/sinθ)=(ω₀/ν₀sinθ)z и k(z/sinθ)=[(ω₀/sinθ)/ν₀]z, которым можно дать следующие объяснения. Так как величина sinθ с увеличением расстояния r возрастает, то рассматриваемая волна по сравнению с волной, возбуждаемой источником, распространяется вдоль оси полости волновода с уменьшающейся величиной волнового вектора k_w=k/sinθ=k(r/z), с возрастающей длиной волны λ_w=λ₀sinθ=λ₀(z/r), с уменьшающейся частотой ω_w=ω₀/sinθ=ω(r/z) и с возрастающей скоростью ν_w=ν₀sinθ=ν₀(z/r).

Здесь особо важным является последнее тождество, указывающее на то, что в интервале углов Δθ=θ₂-θ₂, волноводные волны распространяются как пакет волн с частотами в диапазоне ω₀/sinθ₁≤ω≤ω₀/sinθ₂. Тогда можно указать на то, что волноводные волны, которые распространяются с групповой скоростью ν_w=ν₀sinθ, должны переносить энергию и создавать поток энергии в полости волновода.

Так как энергия волн является пропорциональной квадрату напряженности электрического поля волн и в волноводной волне локализуется в пучностях колебаний амплитуды, волноводные волны могут существенно изменить характер распределения электромагнитных колебаний в полости волновода. При этом волны, исходящие от источника, в последующих периодах после возбуждения результирующей волны, на некотором расстоянии от источника распространяются в полости волновода в движущемся потоке энергии и линии их фронтов из-за наложения на поток энергии должны исказиться. Кроме этого, частота волн так же должна измениться. Так, если скорость и потока равна групповой скорости волноводных волн u=ν₀sinθ, то частота волн в потоке согласно эффекту Доплера составит

Возбуждение волноводных волн с распределенной амплитудой в полости волновода, таким образом, приведет к изменению частоты электромагнитных волн, исходящих от источника, расположенного в полости волновода.

Возбуждение волноводных волн с поперечной составляющей в виде стоячей волны имеет аналогию с резонансным явлением, подобным возбуждению поперечных колебаний струны. В множителе cos(k_xx) амплитуды волноводной волны координата х находится в пределах - 3λ₀/4≤х≤3λ₀/4, амплитуда волны имеет максимумы при значениях аргумента k_xx - 0 и k_xx=±π, которые определятся из соотношения х=±(nπ/k_x)=±(n/2)(λ₀/cosθ), (n=0,1).

На линии z=0 угол θ=0 и на ширине полости волновода укладывается 3 максимума амплитуды волны с координатами х=-λ₀/2, х=0 и х=λ₀/2. Расстояние между максимумами и расстояние между узлами колебаний амплитуды волноводной волны при этом составит Δх=λ₀/2. Разность фаз между колебаниями в волноводной волне и колебаниями, создаваемыми источником волн, составит Δϕ=4π. Поэтому колебания в волноводной волне накладываются на электромагнитные колебания, создаваемые источником в последующие периоды колебаний.

Так как с увеличением угла θ величина cosθ уменьшается (cosθ<1), расстояние между узлами колебаний амплитуды волноводной волны должно увеличиваться. Координаты этих узлов можно найти из условия kxcosθ=±(2n+1)(π/2), n=0,1. Они составят х=±(2n+1) (λ₀/4)/cosθ. При θ>0 узлы колебаний амплитуды волноводной волны с координатами х=+(3λ₀/4)/cosθ оказываются за пределами полости рассматриваемого волновода. Узлы же с координатами х=±(λ₀/4)/cosθ смещаются в сторону поверхности узких сторон волновода, пока величина угла θ не составит значения θ≈70°. Этот угол падения можно найти из условия λ₀/2=(λ₀/4)(1/cosθ-1). Длина отрезка волновода от линии z=0 до узлов колебаний амплитуды волноводной волны для этого условия составит Δz=(a/2)tg70°≈2.7(а/2) или Δz=(3λ₀/4)tg70°≈2λ₀.

Таким образом, для возбуждения волноводных волн с распределенной амплитудой в полости волновода шириной а=3λ₀/2, равной трем полудлинам волн, излучаемых источником в полости волновода, достаточно иметь волновод общей длиной не более ΔL=2λ₀+λ₀/4 или ΔL=(3/2)а.

Поток энергии, переносимый электромагнитными волнами, характеризуется плотностью потока, равной величине вектора Умова-Пойнтинга S. В случае бегущей плоской волны он равен произведению напряженностей электрического и магнитного полей в волне S=Е×Н. Так как в волне напряженности электрического и магнитного полей изменяются по гармоническому закону, практически имеют дело с интенсивностью волны, равной плотности потока энергии в среднем за период колебаний. Интенсивность волны в таком случае равна модулю среднего значения вектора Умова-Пойнтинга и является пропорциональной произведению амплитуд напряженностей электрического и магнитного полей в волне I=(1/2)E₀H₀. Величина потока энергии в полости волновода в среднем равна произведению интенсивности I волн и сечения S_w=ab полости:

Поток энергии в полости волновода с встроенным источником электромагнитных волн энергии формируется волнами, исходящими от источника, и волноводными волнами. Волны, возбуждаемые источником, являются монохроматическими, скорость переноса энергии в них равна фазовой скорости. Волноводными волнами с распределенной амплитудой энергия переносится с групповой скоростью волн ν_w=ν₀sinθ, зависящей от угла θ. В итоге бегущие волны, исходящие от источника, в полости волновода должны распространяться в ускоряющемся потоке энергии, переносимой резонансно возбуждаемой волноводной волной, так как групповая скорость этой волны с увеличением угла θ возрастает.

Поток энергии в среднем создаваемой волноводной волной в полости волновода, можно определить из произведения плотности энергии в среднем волноводной волны, групповой скорости ν_w волноводной волны и сечения S_w полости волновода. Так как ν_w=ν₀sinθ и S_w=ab, этот поток энергии равен

В этом уравнении и его перепишем в виде

Отсюда плотность потока энергии в среднем, переносимой волноводной волной или интенсивность волноводной волны можно выразить уравнением

Полученное выражение указывает на то, что интенсивность в волноводной волне является максимальной вдоль оси полости и вдоль линий расположения пучностей поперечной составляющей волноводной бегущей волны. Кроме этого, интенсивность волноводной волны оказывается максимальной при θ=π/4, что соответствует координате z=а/2 вдоль длины волновода. Можно заметить, что скорость переноса энергии зависит от угла θ и при θ=0 переноса энергии нет.

Приравнивая выражение интенсивности волноводной волны к выражению модуля вектора Умова-Пойнтинга в среднем I_ww=(1/2)E_w0H_w0, можно записать выражение для амплитуды напряженности магнитного поля в волноводной волне:

Правая часть этого выражения может быть представлена в виде произведения амплитуды плотности распределенного поверхностного заряда на стенках волновода q_s0=2ε₀E₀cos(kxcosθ) и скорости u=ν₀sinθ и, соответственно, равна амплитуде плотности поверхностного тока i_s0=q_s0u. В связи с этим, напряженность магнитного поля волноводной волны, распространяющейся в полости волновода, по величине равна плотности поверхностного тока, индуцируемого электрическим полем волны на внутренних стенках волновода H_w=i_s.

Такой же результат можно получить считая, что магнитное поле в полости волновода создается поверхностными токами на внутренних стенках волновода. При этом токи на противоположных участках поверхностей широких стенок волновода направлены в противоположных направлениях. Часть волновода с выбранными противоположными участками поверхностей можно представить в виде полосковой линии, состоящей из двух плоских проводников длиной Δz и шириной Δх, зазор между которыми равен b. Емкость ΔС и индуктивность ΔL такой полосковой линии, соответственно, равны ΔС=ε₀ΔzΔx/b и ΔL=μ₀bΔz/Δх. Емкость и индуктивность могут быть выражены через объем ΔV=aΔzΔx в полости волновода между выбранными участками поверхностей волновода площадью Δs=ΔzΔx: ΔC=(ε₀/b²)ΔV и ΔL=(μ₀/(Δx)²]ΔV. Энергия ΔW_н магнитного поля полосковой линии с поверхностным током I_s равна . Подставляя в это равенство выражение для индуктивности получаем . Тогда плотность энергии магнитного поля составит где i_s=I_s/Δx - плотность поверхностного тока на участках внутренних поверхностей волновода. С другой стороны, плотность w_н магнитного поля волноводной волны в полости волновода пространстве вблизи проводника с током определяется через напряженность H_w магнитного поля равенством Отсюда получаем, что электромагнитные волны в полости волновода должны возбуждать поверхностные токи на стенках волновода, плотность которых по величине равна напряженности магнитного поля в полости волновода i_s=H_w.

В открытом пространстве магнитное поле электромагнитных волн создается токами смещения вследствие изменения напряженности электрического поля в электромагнитной волне. Для практического приложения можно принять, что плотность потока энергии, переносимой волноводной волной в полости волновода, является пропорциональной произведению амплитуды E_w0 напряженности электрического поля в волноводной волне и амплитуды i_s0 плотности поверхностного тока на стенках волновода I_ww=(1/2)E_w0i_s0. Умножая плотность потока энергии на сечение полости волновода получим выражение для потока энергии в среднем, которое можно записать в виде: в котором произведение ширины полости волновода и амплитуды плотности поверхностного тока есть амплитуда I_s0=ai_s0 поверхностного тока I_s.

Поток энергии волн несет за собой импульс. Выражение для плотности импульса в среднем, переносимой волноводной волной, можно записать уравнением . Тогда плотность импульса в среднем можно представить через интенсивность волноводной волны: Отсюда

Плотность импульса, так же как и интенсивность, в волноводной волне оказывается максимальной в пучностях колебаний распределенной амплитуды.

Плотность кинетической энергии в среднем в электромагнитном потоке можно определить из соотношения Подставляя в это соотношение выражение плотности импульса в среднем в волноводной волне, получим выражение для плотности кинетической энергии в среднем в потоке в виде

Таким образом, плотность кинетической энергии в потоке электромагнитной энергии, создаваемой волноводной волной, определяется плотностью энергии магнитного поля волноводной волны в полости волновода. Так как напряженность магнитного поля волноводной волны в полости волновода равна по величине плотности поверхностного тока на внутренних стенках волновода, плотность кинетической энергии в среднем в потоке энергии можно выразить через амплитуду плотности поверхностного тока i_s0 на стенках волновода:

Исходя из вышеописанного, электромагнитное поле в полости волновода 3, создаваемое электромагнитной волной 10 с напряженностью электрического поля E_w, может быть представлено распределенными замкнутыми линиями 11 токов, в которых токи смещения I_b, перемещающиеся вместе с волной в объеме полости волновода, замыкаются поверхностными токами I_s на внутренних стенках волновода (рис. 4).

В предлагаемом микроволновом СВЧ излучателе электромагнитная энергия выходит от полностью открытого торца полости волновода 3. Так как волновод имеет и внешние поверхности, которые являются проводящими, становятся возможными потери энергии из-за возбуждения поверхностных токов I_s на участках внешних поверхностей волновода непосредственно вблизи торца полости волновода, где вместе с волной периодически возбуждается переменный ток I_b смещения. Ток смещения между противоположными участками поверхности волновода наводит поверхностные заряды Q_s и токи I_s. Поэтому для исключения потерь необходим раструб 5, ограничивающий эти потери. Так как колебания напряженности электрического поля в волноводной волне с поперечной составляющей в виде стоячей волны ограничиваются узлами, то достаточно использовать раструб шириной, равной расстоянию между соседними узлами колебаний напряженности электрического поля в центре полости волновода.

С другой стороны, возбуждение поверхностных токов I_s токов снаружи полости волновода может эффективно использоваться путем применения дополнительных внешних проводников 6, соединяющих края широких сторон на противоположных торцах волновода 3 (рис. 5). Поверхность стороны внешних пластинчатых проводников, прилегающей к внешней поверхности волновода, при этом должна быть изолирована от поверхности волновода диэлектрическим слоем или зазором. При этом наружные поверхности внешних пластинчатых проводников и внутренние поверхности широких сторон волновода образуют замкнутые проводящие поверхности. Чтобы создать токи I_s на наружной поверхности внешних проводящих пластин, необходимо условие колебаний токов смещения I_b вблизи противоположных открытых торцов волновода в противофазе, которое можно обеспечить заданной длиной волновода. При этом на участках поверхности противоположных торцов полости волновода будут наводиться поверхностные заряды Q_s противоположного знака, что и приведет к возникновению переменного тока I_s на наружных проводящих поверхностях внешних пластин, замкнутых внутренними поверхностями волновода. Поверхностный ток I_s при этом создает переменное магнитное поле, плотность энергии которого определяет плотность кинетической энергии электромагнитного потока вдоль поверхности. В результате часть электромагнитного потока исходящего от излучающего торца полости волновода, обратно направляется через окружающее пространство в противоположный открытый торец полости волновода. Это приводит к возбуждению вихревых потоков 13 электромагнитной энергии, поддерживающих общий поток 14 энергии в полости волновода 3 и, в целом, к усилению интенсивности излучения предлагаемого микроволнового СВЧ устройства.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к сверхвысокочастотным излучателям электромагнитной энергии. Технический результат – повышение интенсивности излучения электромагнитной энергии вдоль оси полости волновода. Микроволновой СВЧ излучатель содержит источник электрического тока, генератор СВЧ электромагнитных колебаний в виде магнетрона и волновод. Волновод, выполненный в виде отрезка трубы из проводящего материала с открытыми торцами и прямоугольным сечением полости, шириной, большей высоты, содержит на одном из торцов четвертьволновой резонатор с полостью прямоугольной формы, шириной полости, меньшей ширины полости волновода, отверстие в одной из широких стенок напротив полости четвертьволнового резонатора для ввода антенны магнетрона, в середине второго торца пластинчатый раструб шириной, равной одной трети ширины полости волновода, и длиной не больше длины полости четвертьволнового резонатора, и пластинчатые проводники с внешней стороны широких стенок волновода, изолированные от поверхности волновода диэлектрическим зазором и соединяющие края широких сторон противоположных торцов волновода по обе стороны от четвертьволнового резонатора и раструба и образующие вместе с внутренними поверхностями волновода замкнутые проводящие поверхности. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Микроволновой СВЧ излучатель, включающий источник электрического тока, генератор СВЧ электромагнитных колебаний в виде магнетрона и волновод, отличающийся тем, что в нем волновод, выполненный в виде отрезка трубы из проводящего материала с открытыми торцами и прямоугольным сечением полости, шириной, большей высоты, содержит на одном из торцов четвертьволновой резонатор с полостью прямоугольной формы, шириной полости, меньшей ширины полости волновода, отверстие в одной из широких стенок напротив полости четвертьволнового резонатора для ввода антенны магнетрона, в середине второго торца пластинчатый раструб шириной, равной одной трети ширины полости волновода, и длиной не больше длины полости четвертьволнового резонатора, и пластинчатые проводники с внешней стороны широких стенок волновода, изолированные от поверхности волновода диэлектрическим зазором и соединяющие края широких сторон противоположных торцов волновода по обе стороны от четвертьволнового резонатора и раструба и образующие вместе с внутренними поверхностями волновода замкнутые проводящие поверхности.

2. Микроволновой СВЧ излучатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит в качестве генератора СВЧ электромагнитных колебаний СВЧ диод.