ПЕРЕДАТЧИК СВЧ

Изобретение относится к СВЧ передатчикам и усилителям и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи, радионавигации и других отраслях техники.

Известен передатчик СВЧ, включающий задающий генератор с перестраиваемой частотой, усилитель СВЧ, выполненный на лампе бегущей волны, развязывающие элементы, источник питания и нагрузку (см., Вамбергский М.В. и другие. Передающие устройства СВЧ, Высшая школа, 1984, с.9-14, 315).

Недостатком такого передатчика является то, что в диапазоне частот нет согласования по оптимальной мощности и нет эффективной системы отвода тепла.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является прибор СВЧ, содержащий замкнутый жидкостной контур, включающий емкость с охлаждающей жидкостью, систему подводящих и отводящих трубопроводов, воздушный теплообменник, устройство съема тепла с охлаждаемого прибора СВЧ и насос для организации циркуляции охлаждающей жидкости (см. , книгу Иванова О.А., "Охлаждение аппаратуры РЛС", Москва, Воениздат, 1975, с. 36-38).

Данный прибор СВЧ, например передатчик СВЧ, имеет систему охлаждения, которая позволяет интенсивно отводить тепло от охлаждаемого электронного прибора. Однако эффективность работы системы охлаждения и ее массогабаритные характеристики во многом зависят от параметров работы системы охлаждения, конструктивных особенностей конструктивных элементов, из которых состоит система охлаждения и их взаимосвязи. Только в этом случае удается достигнуть максимально возможной эффективности съема тепла с нагревающихся в процессе работы электронных приборов при минимально возможных габаритах и весе. При этом важно не просто рационально выполнить систему охлаждения, но оптимально расположить в ней блоки прибора СВЧ.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности работы передатчика СВЧ путем улучшения отвода тепла от блоков передатчика СВЧ и улучшение массогабаритных характеристик передатчика СВЧ.

Указанная задача решается за счет того, что передатчик СВЧ содержит последовательно соединенные задающий генератор с перенастраиваемой частотой, P-i-n аттенюатор, управляемый от источника тока, и усилитель СВЧ, к входу управления которого подключен модулятор, дискриминатор частоты, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а выход с управляющим входом источника тока, а также систему охлаждения с замкнутым жидкостным контуром, включающую емкость с охлаждающей жидкостью, систему из подводящего и отводящего трубопроводов, воздушный теплообменник и устройство съема тепла, причем емкость с охлаждающей жидкостью выполнена в виде трубы, со стороны одного из торцов в которой размещен температурный компенсатор, выполненный в виде сильфона, внутренняя полость которого сообщена с окружающим емкость пространством и со стороны этого торца емкость посредством отводящего трубопровода подключена через воздушный теплообменник к устройству съема тепла, внутри которого размещен усилитель СВЧ, выполненный на лампе бегущей волны, с наружной стороны устройства съема тепла размещены задающий генератор, P-i-n аттенюатор, источник тока, дискриминатор и модулятор, а со стороны противоположного торца в емкости размещен жидкостной насос, сообщенный всасывающей стороной с емкостью и подключенный нагнетательной стороной через подводящий трубопровод к устройству съема тепла, при этом воздушный теплообменник снабжен вентилятором, причем за вентилятором по ходу потока подаваемой им охлаждающей воздушной среды установлен делитель потока для подачи части охлаждающей воздушной среды на обдув задающего генератора, источника тока, дискриминатора, P-i-n аттенюатора и модулятора, теплообменник выполнен в виде спирального трубопровода с выполненными на наружной его стороне ребрами, наружная поверхность воздушного теплообменника составляет не менее 2000 см², внутренний объем емкости с охлаждающей жидкостью не менее чем в два раза превышает внутренний объем остальных частей контура, объем внутренней полости сильфона составляет от 10 до 30% от внутреннего объема емкости с охлаждающей жидкостью, а охлаждающая жидкость имеет удельную теплоемкость не менее 0,7 кал/(г•^oС).

Усилитель СВЧ передатчика может быть выполнен в виде на лампе бегущей волны, содержит также анодный источник питания и источник питания модулятора, при этом коллекторный вывод лампы бегущей волны подключен к положительной шине коллекторного источника питания, отрицательная шина которого подключена к катоду лампы бегущей волны, отрицательная шина анодного источника питания соединена с положительной шиной коллекторного источника питания, положительная шина анодного источника питания соединена с положительным выводом регулирующего каскада высоковольтного стабилизатора, отрицательный вывод которого соединен с корпусом, а управляющий вход - с регулирующим входом делителя напряжения, один вывод которого соединен с катодом лампы бегущей волны, а второй - с корпусом, общий вывод источника питания модулятора соединен с катодом лампы бегущей волны, отрицательная шина источника питания модулятора соединена с эмиттером первого ключа, а положительная шина - с коллекторами второго и третьего ключей, управляющий вход первого ключа соединен с последовательно включенными первым формирователем, первым детектором, первой высокочастотной катушкой, импульсным генератором, разъемом запуска "коротких" импульсов, коллектор первого ключа соединен с эмиттером третьего ключа, второй управляющей сеткой лампы бегущей волны и через разделительный диод с первой управляющей сеткой лампы бегущей волны, которая соединена с анодом разделительного диода, с эмиттером второго ключа, который через разрядный резистор соединен с эмиттером первого ключа, управляющий вход второго ключа соединен с последовательно включенными вторым формирователем, вторым детектором, второй высокочастотной катушкой, первым коммутатором, разъемом запуска "длинных" импульсов, управляющий вход третьего ключа соединен с последовательно включенными третьим формирователем, третьим детектором, третьей высокочастотной катушкой, вторым коммутатором и через инвертор с разъемом запуска "длинных" импульсов, выход импульсного генератора соединен с высокочастотными входами первого и второго коммутаторов.

Усилитель СВЧ передатчика может быть выполнен на лампе бегущей волны (ЛБВ), содержит также анодный источник питания, коллекторный вывод лампы бегущей волны подключен к положительной шине коллекторного источника питания, а отрицательная шина коллекторного источника питания подключена к катоду лампы бегущей волны, при этом отрицательная шина анодного источника питания соединена с положительной шиной коллекторного источника питания, положительная шина анодного источника питания соединена с положительным выводом регулирующего каскада высоковольтного стабилизатора, отрицательный вывод которого соединен с корпусом, а управляющий вход с регулирующим выходом делителя напряжения, один вывод которого соединен с катодом лампы бегущей волны, а второй - с корпусом, общий вывод источника питания модулятора соединен с катодом лампы бегущей волны, отрицательная шина источника питания модулятора соединена с выходом первого ключа, а положительная шина - с входами второго и третьего ключей, вход первого.

Модулятор передатчика СВЧ может быть выполнен в виде импульсного многорежимного модулятора, содержащего два последовательно соединенных выходных ключа, первый из которых входом соединен с положительной шиной источника питания, а второй - с нагрузкой, при этом модулятор работает на две нагрузки с запуском от источника внешних управляющих импульсов и содержит третий выходной ключ, два разрядных резистора, разделительный диод, коммутатор, формирователь, три пусковых устройства, каждое состоящее из последовательно соединенных согласующего устройства, светодиода, световода, фотодиода, ключевого усилителя и форсирующей цепи, соответственно управляющих выходными ключами, причем положительная шина источника питания соединена с входом третьего выходного ключа, выход которого соединен с катодом разделительного диода, входом второго выходного ключа, первым выводом первого разрядного резистора и второй нагрузкой, анод разделительного диода соединен с выходом первого выходного ключа, первым выводом второго разрядного резистора и первой нагрузкой, отрицательная шина источника питания соединена с вторыми выводами разрядных резисторов и выходом второго выходного ключа, первый выход источника внешних управляющих импульсов соединен с первым входом коммутатора, управляющего первым пусковым устройством, и формирователем, управляющим вторым пусковым устройством, второй выход источника внешних управляющих импульсов соединен со вторым входом коммутатора и входом третьего пускового устройства.

Проведенные исследования показали, что выполнение передатчика СВЧ в сочетании с описанной выше комбинированной системой охлаждения позволяет добиться отвода тепла при высокой плотности теплового потока, что позволяет добиться подачи оптимальной входной мощности на вход усилителя СВЧ и снизить уровень шумов на его входе и выходе. Это особенно важно при охлаждении таких электронных приборов, как передатчик СВЧ с лампой бегущей волны. Описанный передатчик может работать в непрерывном или импульсном режимах в расширенном диапазоне рабочих частот передающего устройства. Достигнуто снижение уровня амплитудных и фазовых шумов за счет применения дискриминатора и управляемого источника стабилизированного тока, позволяющего производить регулировку тока на оптимум. Достигнутый результат стал возможен благодаря сочетанию эффективного отвода тепла и включению в состав между вторым выходом задающего генератора и управляющим входом p-i-n-аттенюатора частотного дискриминатора и управляемого от дискриминатора источника тока. При этом важно, что циркуляционная система охлаждения представляет собой замкнутый герметичный контур с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости. Выполнение емкости с охлаждающей жидкостью в виде трубы, размещение в емкости со стороны одного из ее торцов насоса и размещение в емкости со стороны другого ее торца температурного компенсатора позволили с одной стороны максимально упростить технологию изготовления емкости, а с другой стороны значительно повысить надежность работы системы охлаждения. При этом исключается любая возможность нарушения подачи охлаждающей жидкости к охлаждаемому электронному прибору, резко сокращается длина трубопроводов для подвода к электронному прибору охлаждающей жидкости и отвода от него нагретой охлаждающей жидкости. Исключена возможность образования в контуре циркуляции охлаждающей жидкости газовых пузырей. В контуре циркуляции охлаждающей жидкости поддерживается требуемый режим циркуляции охлаждающей жидкости независимо от температуры охлаждающей жидкости. На это же направлено выполнение емкости с охлаждающей жидкостью с внутренним объемом, не менее чем в два раза превышающим внутренний объем остальных частей контура циркуляции охлаждающей жидкости, и выполнение объема внутренней полости сильфона составляющей от 10 до 30% от внутреннего объема емкости с охлаждающей жидкостью. Одновременно удалось решить задачу стабилизации температуры охлаждающей жидкости на требуемом уровне за счет эффективного охлаждения охлаждающей жидкости после ее нагрева в воздушном теплообменнике, обдуваемом вентилятором. По существу выполненная в виде трубы емкость с охлаждающей жидкостью является вторым теплообменником, где охлаждающая жидкость дополнительно охлаждается. Таким образом, выполнение воздушного теплообменника с ребрами и площадью наружной поверхностью не менее 2000 см в сочетании с емкостью, объем которой не менее чем в два раза превышает объем всех других коммуникаций, и жидкостью с удельной теплоемкостью не менее 07 кал/г•^oС позволило стабилизировать температуру во время работы электронного прибора на заданном уровне, не превышающем 60-80^oС. Существенным моментом размещение отдельных блоков передатчика СВЧ относительно устройства съема тепла. Наиболее целесообразно размещение усилителя СВЧ с лампой бегущей волны в устройстве съема тепла, а с наружной стороны устройства съема тепла разместить остальные блока передатчика СВЧ. Это предоставляет возможность интенсивно отводить тепло от наиболее интенсивно работающего блока - усилителя СВЧ и в то же время обеспечить комплексное охлаждение остальных блоков. Это достигается за счет того, что эти "остальные" блоки располагают на наружной поверхности устройства съема тепла, что позволяет охлаждать их посредством охлаждающей жидкостью. Одновременно эти блок обдуваются охлаждающей воздушной средой, подаваемой вентилятором. Таким образом, разделение потока охлаждающей воздушной среды на два потока позволяет одновременно интенсивно охлаждать жидкую среду в воздушном теплообменнике и "остальные" блоки передатчика СВЧ. Кроме того, выполнение усилителя СВЧ и модулятора передатчика СВЧ, как это описано выше в зависимых пунктах формулы изобретения, позволяет расширить функциональные возможности по формированию СВЧ импульсов, по длительности импульсов, по частоте повторения и частоте импульсов, обеспечивается работоспособность на чередующихся пачках импульсов различной длительности, скважиности, несущей частоты и импульсной мощности. Предоставляется возможность работы на две нагрузки с различными импульсными сигналами, увеличивается быстродействие передачи импульсов запуска с низкого потенциала на высокий потенциал модулятора.

В результате удалось решить поставленную в изобретении задачу - повысить эффективность работы передатчика СВЧ и улучшить его массогабаритные характеристики.

На чертеже схематически представлен описываемый передатчик СВЧ.

Передатчик СВЧ, содержащий задающий генератор 1 с перенастраиваемой частотой, развязывающий прибор 2, P-i-n аттенюатор 3, развязывающий прибор 4, усилитель СВЧ 5, нагрузку 6, источник тока 7, дискриминатор частоты 8, источник питания и модулятор 9, а также систему охлаждения с замкнутым жидкостным контуром, включающую емкость 10 с охлаждающей жидкостью 11, систему из подводящего 12 и отводящего 13 трубопроводов, воздушный теплообменник 14 и устройство съема тепла 15, которое может быть выполнено, например, в виде охлаждающей рубашки, которая окружает охлаждаемый усилитель СВЧ, или, например, в виде змеевика. Емкость 10 с охлаждающей жидкостью 11 выполнена в виде трубы. Со стороны одного из торцов емкости 10 размещен температурный компенсатор 16, выполненный в виде сильфона, внутренняя полость которого сообщена с окружающим емкость 10 пространством и со стороны этого торца емкость 10 посредством отводящего трубопровода 13 подключена через воздушный теплообменник 14 к устройству съема тепла 15, внутри которого, как указано выше, размещен усилитель СВЧ 5, включающий лампу бегущей волны. С наружной стороны устройства съема тепла 15 размещены "остальные" блоки 17 передатчика СВЧ: задающий генератор 1, развязывающий прибор 2, P-i-n аттенюатор 3, развязывающий прибор 4, нагрузку 6, источник тока 7, дискриминатор 8, источник питания и модулятор 9, а со стороны противоположного торца в емкости 10 размещен жидкостной насос 18, сообщенный всасывающей стороной с емкостью 10 и подключенный нагнетательной стороной через подводящий трубопровод 12 к устройству съема тепла 15. Воздушный теплообменник 14 снабжен вентилятором 19, причем за вентилятором 19 по ходу потока подаваемой им охлаждающей воздушной среды установлен делитель потока 20 для подачи части охлаждающей воздушной среды на обдувку "остальных" блоков 17 передатчика СВЧ. Теплообменник 14 выполнен в виде спирального трубопровода с выполненными на наружной его стороне ребрами 21. Наружная поверхность воздушного теплообменника 14 составляет не менее 2000 см². Внутренний объем емкости 10 с охлаждающей жидкостью 11 не менее чем в два раза превышает внутренний объем остальных частей контура. Объем внутренней полости сильфона, образующего температурный компенсатор 16, составляет от 10 до 30% от внутреннего объема емкости 10 с охлаждающей жидкостью 11, а охлаждающая жидкость 11 имеет удельную теплоемкость не менее 0,7 кал/(г•^oС).

Усилитель СВЧ передатчика может быть выполнен в виде на лампе бегущей волны, содержит также анодный источник питания и источник питания модулятора, при этом коллекторный вывод лампы бегущей волны подключен к положительной шине коллекторного источника питания, отрицательная шина которого подключена к катоду лампы бегущей волны, отрицательная шина анодного источника питания соединена с положительной шиной коллекторного источника питания, положительная шина анодного источника питания соединена с положительным выводом регулирующего каскада высоковольтного стабилизатора, отрицательный вывод которого соединен с корпусом, а управляющий вход - с регулирующим входом делителя напряжения, один вывод которого соединен с катодом лампы бегущей волны, а второй - с корпусом, общий вывод источника питания модулятора соединен с катодом лампы бегущей волны, отрицательная шина источника питания модулятора соединена с эмиттером первого ключа, а положительная шина - с коллекторами второго и третьего ключей, управляющий вход первого ключа соединен с последовательно включенными первым формирователем, первым детектором, первой высокочастотной катушкой, импульсным генератором, разъемом запуска "коротких" импульсов, коллектор первого ключа соединен с эмиттером третьего ключа, второй управляющей сеткой лампы бегущей волны и через разделительный диод с первой управляющей сеткой лампы бегущей волны, которая соединена с анодом разделительного диода, с эмиттером второго ключа, который через разрядный резистор соединен с эмиттером первого ключа, управляющий вход второго ключа соединен с последовательно включенными вторым формирователем, вторым детектором, второй высокочастотной катушкой, первым коммутатором, разъемом запуска "длинных" импульсов, управляющий вход третьего ключа соединен с последовательно включенными третьим формирователем, третьим детектором, третьей высокочастотной катушкой, вторым коммутатором и через инвертор с разъемом запуска "длинных" импульсов, выход импульсного генератора соединен с высокочастотными входами первого и второго коммутаторов.

Усилитель СВЧ передатчика может быть выполнен на лампе бегущей волны (ЛБВ), содержит также анодный источник питания, коллекторный вывод лампы бегущей волны подключен к положительной шине коллекторного источника питания, а отрицательная шина коллекторного источника питания подключена к катоду лампы бегущей волны, при этом отрицательная шина анодного источника питания соединена с положительной шиной коллекторного источника питания, положительная шина анодного источника питания соединена с положительным выводом регулирующего каскада высоковольтного стабилизатора, отрицательный вывод которого соединен с корпусом, а управляющий вход с регулирующим выходом делителя напряжения, один вывод которого соединен с катодом лампы бегущей волны, а второй - с корпусом, общий вывод источника питания модулятора соединен с катодом лампы бегущей волны, отрицательная шина источника питания модулятора соединена с выходом первого ключа, а положительная шина - с входами второго и третьего ключей, вход первого.

Модулятор передатчика СВЧ может быть выполнен в виде импульсного многорежимного модулятора, содержащего два последовательно соединенных выходных ключа, первый из которых входом соединен с положительной шиной источника питания, а второй - с нагрузкой, при этом модулятор работает на две нагрузки с запуском от источника внешних управляющих импульсов и содержит третий выходной ключ, два разрядных резистора, разделительный диод, коммутатор, формирователь, три пусковых устройства, каждое состоящее из последовательно соединенных согласующего устройства, светодиода, световода, фотодиода, ключевого усилителя и форсирующей цепи, соответственно управляющих выходными ключами, причем положительная шина источника питания соединена с входом третьего выходного ключа, выход которого соединен с катодом разделительного диода, входом второго выходного ключа, первым выводом первого разрядного резистора и второй нагрузкой, анод разделительного диода соединен с выходом первого выходного ключа, первым выводом второго разрядного резистора и первой нагрузкой, отрицательная шина источника питания соединена с вторыми выводами разрядных резисторов и выходом второго выходного ключа, первый выход источника внешних управляющих импульсов соединен с первым входом коммутатора, управляющего первым пусковым устройством, и формирователем, управляющим вторым пусковым устройством, второй выход источника внешних управляющих импульсов соединен со вторым входом коммутатора и входом третьего пускового устройства.

Сигнал с задающего генератора 1 поступает на вход усилителя СВЧ 5 через развязывающий прибор 2, P-i-n-аттенюатор 3 и второй развязывающий прибор 4. С выхода усилителя СВЧ 5 сигнал поступает на согласованную нагрузку 6 (антенну). Развязывающие приборы 2 и 4 представляют собой циркуляторы или вентили и служат для согласования генератора 1 и нагрузки 6 и согласования других цепей передатчика. Для снижения уровня шумов ток от источника тока 7 подается на управляющий вход p-i-n-аттенюатора 3. Изменяя величину тока, можно поддерживать мощность на входе усилителя СВЧ 5 оптимальной. Применение источника тока 7 вместо источника напряжения позволяет снизить влияние наводок и паразитную модуляцию на входе усилителя СВЧ 5. В диапазоне частот необходимо изменять величину тока источника тока 7. Эту функцию выполняет дискриминатор частоты 8, на выходе которого напряжение пропорционально частоте задающего генератора 1. Таким образом, дискриминатор частоты 8 формирует сигнал управления источником тока 7. Источник питания и модулятор 9 обеспечивают питание и импульсную модуляцию усилителя СВЧ.

В процессе работы передатчик СВЧ и в первую очередь усилитель СВЧ 5, выполненный на лампе бегущей волны, нагревается. Жидкостной насос 18 подает охлаждающую жидкость 11, например бутиловый спирт, из емкости 10 по подводящему трубопроводу 12 в устройство съема тепла 15. В результате теплообмена с усилителем СВЧ 5 охлаждающая жидкость нагревается. Нагретая охлаждающая жидкость из устройства съема тепла 15 поступает в воздушный теплообменник 14, обдуваемый вентилятором 19. Охлаждающий воздух, протекая между ребрами 21 воздушного теплообменника 14, снимает тепло с охлаждающей жидкости 11. Одновременно часть потока охлаждающего воздуха, обтекая делитель потока 20, обдувает и, следовательно, охлаждает расположенные с наружной стороны устройства съема тепла 15 "остальные" блоки 17 передатчика СВЧ. Из воздушного теплообменника 14 охлаждающая жидкость 11 по отводящему трубопроводу 13 возвращается в емкость 10, где она дополнительно охлаждается в процессе ее перемещения к всасывающей стороне жидкостного насоса 18. В зависимости от условий эксплуатации меняется температура окружающей передатчик СВЧ среды. Это ведет к изменению температуры охлаждающей жидкости 11 в емкости 10 с соответствующим изменением ее объема. Кроме того, в процессе работы передатчика СВЧ в зависимости от режима его работы он в большей или меньшей степени нагревает охлаждающую его жидкость 11, что также ведет к изменению ее объема. Указанные изменения объема компенсируются температурным компенсатором 16 в виде сильфона, который за счет своей упругости позволяет изменять внутренний объем емкости 10, а следовательно, и всего контура циркуляции охлаждающей жидкости.

Настоящее изобретение может быть использовано в электронной и радиотехнической промышленности в любых электронных приборах, преимущественно в автономно работающих электронных приборах, где необходимо снимать тепло и поддерживать температуру электронных приборов на заданном уровне.