Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТЕЙ ТРЕХ СВЧ-ГЕНЕРАТОРОВ НА МАГНЕТРОНАХ

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) - к сложению мощностей нескольких генераторов и предназначено для создания источников СВЧ повышенного уровня выходной мощности.

Известно устройство (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), в котором задействованы три магнетрона средней мощности. В описанном устройстве мощности 3 генераторов складывают с использованием двойного волноводного тройника и шестигранного волновода с использованием фазовращателей в прямоугольных волноводах, обеспечивающих 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 следует признать наличие большого числа СВЧ-элементов: двойного волноводного тройника, шестигранного волновода и фазовращателей, с использованием которых достигается технический 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.

Известно также (RU, патент 2394357) устройство сложения мощностей N-го числа генераторов на магнетронах, состоящее из резонатора в виде отрезка прямоугольного волновода, закороченного по торцам. В известном устройстве 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.

Недостатком известного устройства следует признать сложность конструкции, а также его недостаточную эффективность.

Наиболее близким аналогом разработанного устройства можно признать (RU, патент 2392733) устройство сложения мощностей двух СВЧ-генераторов на магнетронах, содержащее блоки питания, магнетроны и короткозамкнутый волновод, причем вывод энергии второго магнетрона вводится в волновод через противоположную широкую стенку на расстоянии А от вывода первого магнетрона, причем вывод энергии второго магнетрона расположен на расстоянии L от короткозамкнутого конца волновода, а величины А и L выбираются из соотношения 4,2<A/L<7,2 для получения максимальной отдачи СВЧ-мощности в волновод.

Недостатком известного устройства следует признать его недостаточную эффективность.

Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в повышении мощности генерируемого СВЧ- излучения.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать устройство сложения мощностей магнетронов разработанной конструкции. Разработанное устройство содержит блоки питания, магнетроны и короткозамкнутый волновод, причем вывод энергии второго магнетрона расположен на противоположной стороне относительно вывода энергии в волновод первого магнетрона. Также устройство дополнительно содержит третий магнетрон, установленный на той же стороне волновода, что и второй магнетрон, выход первого магнетрона подключен к волноводу через резонатор с двумя короткозамкнутыми концами, причем в стенке волновода под резонатором выполнено щелевое отверстие длиной 1, вывод энергии первого магнетрона в резонатор расположен на расстоянии L от поперечной оси щелевого отверстия, расстояние между вторым и третьим магнетронами составляет величину A₁, расстояние между вторым магнетроном и короткозамкнутым концом волновода составляет величину А₃, при этом величины A₁, А₂ отвечают условию L=A₁-A₂/2-λ_p/8, где λ_p - длина волны резонатора, а длина щели 1 лежит в диапазоне от а/2≤1≤а, где а - длина резонатора.

В некоторых вариантах реализации между первым магнетроном и резонатором может быть расположена проставка.

Также в некоторых вариантах реализации между вторым магнетроном и волноводом и/или между третьим магнетроном и волноводом может быть расположена проставка.

Экспериментально было установлено, что указанное расположение трех магнетронов в устройстве, независимо от мощности каждого из них, позволяет получить максимальный суммарный эффект от одновременного использования трех магнетронов.

В устройстве блоки питания магнетронов могут быть подключены к электросети с возможностью обеспечения их запитывания как одинаковыми фазами напряжения, так и противоположными фазами напряжения.

Сущность изобретения проиллюстрирована на чертеже.

Устройство состоит из магнетрона 1 с выводом энергии 2 и магнетронов 3 и 4 с выводами энергии 5. Магнетрон 1 размещен на противоположной относительно расположения магнетронов 3 и 4 широкой стенке волновода 6 через резонатор 7. В одном из торцов волновода 6 размещен короткозамкнутый поршень 8, другой торец соединен с нагрузкой через фланец 9. В качестве нагрузки может использоваться волноводная водяная нагрузка, согласованный щелевой излучатель, рупорная антенна или безэховая камера.

В разработанном устройстве в отличие от ближайшего аналога магнетрон 1 установлен на волноводе 6 через резонатор 7. Использование резонатора позволяет получить максимальную мощность от сложения энергий трех магнетронов, а также уменьшить их взаимное влияние друг на друга.

В предлагаемом устройстве второй и третий магнетроны 3 и 4 устанавливают на волновод 6 таким образом, что выводы энергии 5 этих магнетронов входили в волновод 6 на расстоянии A₁+А₂ и А₂ от короткозамкнутого поршня 8 соответственно. При этом величины A₁ и A₂ отвечают условию L=A₁-A₂/2-λ_p/8, где λ_p - длина волны резонатора, a L равно расстоянию от точки вывода энергии первого магнетрона в резонатор от поперечной оси щелевого отверстия. Все три магнетрона установлены с возможностью перемещения вдоль оси волновода в пределах указанного соотношения L=A₁-A₂/2-λ_p/8, a длину щели 1 в резонаторе выбирают по получению максимальной суммарной мощности от сложения мощностей трех магнетронов в диапазоне от а/2≤1≤а, где а - длина резонатора. Ширину щели также выбирают по получению максимальной суммарной мощности от сложения мощностей трех магнетронов.

Перемещение магнетрона по волноводу может быть осуществлено любым известным способом, в частности, за счет перемещения вывода энергии внутри продольного паза. Фиксация положения магнетрона и его крепление может быть осуществлено любым известным образом, в частности, с использованием хомута, охватывающего волновод 6.

Величины L, A₁ и А₂ выбирают из условий максимальной отдачи суммарной СВЧ мощности трех магнетронов в волноводный тракт, оптимальных температурных режимов их работы и варианта запитки каждого генератора от сети, а также соблюдения ранее приведенного соотношения.

При синфазном включении магнетронов, когда они работают в одни и те же промежутки времени, каждый из них воздействует друг на друга в рабочем режиме. К уменьшению взаимного влияния до величин, обеспечивающих устойчивую работу, приводит оптимизация положения вывода энергии в волноводе, которая осуществляется за счет установки дополнительных проставок 10 между магнетронами 3 и 4 и волноводом. Это позволяет обеспечить синхронизацию работы магнетронов на одной частоте при синфазном включении.

При противофазном питании магнетроны в устройстве работают по очереди, так как заряд конденсаторов в блоках питания происходит от разных фаз напряжения сети (т.е. от полуволн напряжения питающей сети противоположной полярности).

При синфазном питании магнетроны работают одновременно в режиме взаимной синхронизации, так как заряд конденсаторов в блоке питания происходит от полуволн напряжения питающей сети одинаковой полярности.

Проверка работы устройства на 3-х магнетронах фирмы Daewoo М 218 показала, что в режиме противофазного питания выходная СВЧ- мощность составляет 95-98% от суммы номинальных мощностей каждого магнетрона, а в режиме синфазного питания (режиме взаимной синхронизации) - 75-82%. Температурный режим магнетронов в случае синфазного питания на 50°С выше температурного режима противофазного питания, но магнетроны работают в устойчивом режиме длительное время (непрерывный режим работы составлял не менее 5-ти часов).

Использование разработанного устройства позволяет повысить суммарную мощность СВЧ-излучения до 100% от теоретически допустимой.