УСИЛИТЕЛЬ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ МОЩНОСТИ

Полезная модель  относится к радиотехнике, а именно к усилителям сверхвысокочастотной (СВЧ) мощности и может быть использована в радиопередающей аппаратуре, в системах радиосвязи (в т.ч. для специальных систем беспроводной связи), в системах радиолокации и других областях техники, например для увеличения мощности лабораторных генераторов при разработке, производстве или тестирования новых СВЧ-устройств.
Из уровня техники известны усилители мощности сверхвысокой частоты (СВЧ), работающие на подвижных объектах в условиях механических и климатических воздействий, защита от которых обеспечивается за счет амортизаторов и герметизирующих кожухов. (Детали и элементы РЛС/ под ред. Н. Бретгарта - М.: Советское радио, 1952, с. 157). В подобных устройствах все элементы крепятся на массивном амортизирующем шасси и закрываются герметичным кожухом.
Технической проблемой данных устройств является нерациональное использование конструктивных материалов, при котором масса и габариты усилителя мощности сверхвысокой частоты (СВЧ) являются значительными.
Известно устройство усилителя СВЧ-мощности, содержащее лампу бегущей волны (ЛБВ), основание, представляющее собой массивный корпус U-образной формы, в котором размещены источники питания, модулятор и другие элементы усилителя СВЧ-мощности, гибкую волновую секцию, герметичные крышки, амортизаторы (Техническое описание РЛС Н 019/ М.: НИИР, 1982, раздел 6). Усилитель мощности установлен на амортизаторах, которые крепятся к аппаратуре. При этом гибкая волноводная секция связывает усилитель мощности с антенной.
Техническими проблемами данного устройства являются нерациональное размещение элементов усилителя СВЧ-мощности на основании, наличие системы жидкостного охлаждения, что значительно усложняет конструкцию, увеличивает массу и габариты устройства, а гермокрышки выполняют только функцию защиты элементов усилителя СВЧ-мощности от климатических воздействий.
Известен усилитель СВЧ-мощности (Патент Российской Федерации на изобретение № 2149504, по кл. МПК H04B 1/03, приоритет от 11.03.1999 г.), содержащий ЛБВ, сеточный модулятор, высоковольтный источник питания, основание и гермокрышки. ЛБВ закреплена к гермокрышкам только в местах ввода и вывода энергии, которые удалены от мест крепления усилителя СВЧ-мощности к аппаратуре на расстояние не менее двух волн излучения ЛБВ, а остальные элементы усилителя СВЧ-мощности установлены на основании, выполненном пластинчатым и расположенном перпендикулярно продольной оси ЛБВ, к которому по периметру закреплены гермокрышки.
Технической проблемой данного изобретения является размещение усилительного элемента (ЛБВ) как наиболее теплонагруженного в герметичном объеме вместе с остальными узлами усилителя СВЧ-мощности, что ведет к значительному повышению температуры внутри герметичного объема и усложняет задачу отвода тепла.
Известен модуль сверхвысокой частоты с воздушным охлаждением (Патент Российской Федерации на изобретение № 2188475, по кл. МПК H01J 23/033, приоритет от 27.11.2000 г.), в конструкции которого пластинчатое основание выполнено теплопроводным. С одной стороны, к нему крепятся модулятор и источник питания, которые закрываются герметичной крышкой и находятся в герметичном объеме. С противоположной стороны основания крепится усилительный элемент (ЛБВ), находящийся в кожухе. Наличие кожуха с усилительным элементом внутри него обуславливается необходимостью направлять и концентрировать охлаждающий воздух вдоль поверхности усилительного элемента (ЛБВ).
Технической проблемой вышеназванного изобретения является недостаточная эффективность системы воздушного охлаждения, особенно при использовании ЛБВ высокой мощности, а также невысокая надежность устройства при сбое в работе или при аварийном отключении штатной системы воздушного охлаждения, обусловленная быстрым ростом температуры усилительного элемента с последующим выходом его из строя.
Кроме того, общей технической проблемой приведенных выше устройств является невозможность их установки на самолеты с ограниченными энергетическими ресурсами и с отсутствующей системой жидкостного или воздушного охлаждения. Наличие системы жидкостного или воздушного охлаждения на борту самолета связано со значительным увеличением вспомогательных устройств, обеспечивающих температурный контроль, циркуляцию охлаждающей жидкости или воздуха, что в свою очередь ведет к увеличению пространства, занимаемого этими устройствами.
Наиболее близким по технической сущности решением, выбранным в качестве прототипа, является Модуль сверхвысокой частоты «Тантал» с воздушным охлаждением (Патент Российской Федерации на полезную модель № 141660, по кл. МПК H01J 23/033, приоритет от 03.02.2014 г.), в конструкции которого содержится теплопроводное пластинчатое основание, на котором в герметичном объеме установлен модулятор и источник питания, на обеих сторонах основания дополнительно расположен термоэлектрический преобразователь, а усилительный элемент (ЛБВ) находится в кожухе с обратной стороны основания, кожух выполнен в виде пустотелой конструкции округлого сечения со сквозным отверстием в виде сопла Вентури для повышения скорости воздушного потока на выходе, чем при использовании сопла с цилиндрическим каналом, который имеет тот же рабочий диаметр, что обеспечивает лучшие условия охлаждения элементов модуля усилителя СВЧ-мощности.
Однако вышеназванный Модуль сверхвысокой частоты «Тантал» с воздушным охлаждением также имеет технические проблемы: обязательное наличие внешней штатной системы охлаждения, громоздкость конструкции системы внутреннего охлаждения элементов модуля усилителя СВЧ-мощности, а также наличие обязательной герметичной части системы, требующей сложного изготовления и затрудняющей обслуживание и ремонт устройства.
Технической проблемой, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является создание конструкции компактного усилителя сверхвысокочастотной мощности с увеличенным уровнем выходной мощности и надежности.
Решение вышеназванной технической проблемы обеспечивается в предложенной конструкции полезной модели усилителя сверхвысокочастотной мощности, содержащей усилительный модуль, преобразователь электропитания с многоуровневой защитой от перенапряжения и от перегрузки по температуре,  вентиляторную систему охлаждения, отличающейся тем, что конструкция полезной модели усилителя сверхвысокочастотной мощности выполнена в функционально-конструкционном единстве, по меньшей мере, на одном теплоотводящем основании-радиаторе и помещена в негерметичный корпус, имеющий сквозные вентиляционные отверстия, по меньшей мере, на передней и задней панелях корпуса.
Усилительный модуль при работе выделяет тепловую энергию (нагревается), чтобы он работал стабильно и сохранял свои рабочие характеристики необходимо обеспечить его охлаждение, в предложенной полезной модели это отвод тепла с помощью основания-радиатора.
Усилительные модули, входящие в состав предложенной полезной модели бывают с различными техническими характеристиками, разной мощности и габаритных размеров.
В некоторых случаях усилительный модуль может работать в режиме рассогласованной нагрузки, в таком режиме нагрев усилительного модуля может быть в разы больше, чем в штатном режиме работы, и для сохранения стабильности работы в полезной модели дополнительно используется вентиляторная система охлаждения и негерметичный корпус. В предложенной полезной модели происходит естественный теплообмен между основанием-радиатором и воздухом внутри корпуса. Для сменяемости нагретого воздуха на более холодный у вентиляционных отверстий одной из стенок корпуса установлена вентиляторная система, при этом воздушный поток направлен во внутреннюю часть корпуса в направлении создания воздушного потока от одного вентиляционного отверстия к другому.
Приведем характеристики заявленной полезной модели в частных случаях ее осуществления:
- Усилитель сверхвысокочастотной мощности, отличающийся тем, что снованием-радиатором для размещения усилительного модуля и преобразователя электропитания служит одна из панелей корпуса, выполненная из теплопроводного материала, при этом вентиляторная система охлаждения размещена в корпусе в направлении создания воздушного потока от одного вентиляционного отверстия к другому;
- Усилитель сверхвысокочастотной мощности, отличающийся тем, что на одном теплоотводящем основании-радиаторе устанавливается только усилительный модуль, а вентиляторная система охлаждения и преобразователь электропитания закреплены к основанию корпуса;
- Усилитель сверхвысокочастотной мощности, отличающийся тем, что содержит несколько оснований-радиаторов для размещения усилительного модуля и преобразователя электропитания, при этом вентиляторная система охлаждения закреплена к основанию корпуса;
- Усилитель сверхвысокочастотной мощности, отличающийся тем, что негерметичный корпус имеет сквозные вентиляционные отверстия на боковых стенках корпуса, вентиляторная система охлаждения размещена на основании-радиаторе или корпусе в направлении создания воздушного потока от одного вентиляционного отверстия к другому;
- Усилитель сверхвысокочастотной мощности, отличающийся тем, что негерметичный корпус имеет сквозные вентиляционные отверстия на верхней и нижней панелях корпуса, вентиляторная система охлаждения размещена на основании-радиаторе или корпусе в направлении создания воздушного потока от одного вентиляционного отверстия к другому.
В результате чего обеспечивается компактное размещение всех элементов устройства усилителя сверхвысокочастотной мощности с целью уменьшить его габариты и массу, отказаться от системы массивного жидкостного или воздушного охлаждения, обеспечить естественное воздушное охлаждение усилителя сверхвысокочастотной мощности, а также простоту его обслуживания и ремонта.
Техническим результатом предложенной полезной модели усилителя сверхвысокочастотной мощности является возможность за счет оптимального охлаждения использовать в одном универсальном конструктивном решении разных усилительных модулей с отличающимися техническими параметрами, и как результат повышение стабильности работы усилительного модуля во всем рабочем диапазоне частот сверхвысокой мощности и устойчивости при рассогласованной нагрузке.
Сущность полезной модели и возможность ее практической реализации поясняется рисунком, на котором схематично изображен принцип действия усилителя сверхвысокочастотной мощности, где:
1 – Теплопроводное основание-радиатор;
2 – Преобразователь электропитания;
3 – Усилительный модуль;
4-7 – Принудительная вентиляторная система охлаждения;
8 – Корпус устройства;
9 – Кнопка управления питанием;
10 – Входной ВЧ-разъем;
11 – Выходной ВЧ-разъём;
12 – Разъем для подключения внешней сети электропитания;
13 – Кнопка включения/выключения устройства;
14 – Защитный предохранитель;
15 – Условное обозначение воздушного потока.
Общая конструкция усилителя сверхвысокочастотной мощности состоит из теплопроводного основания (1) в виде радиатора, на котором установлены и закреплены элементы усилителя сверхвысокочастотной мощности: преобразователь электропитания (2), усилительный модуль (3). Теплопроводное основание-радиатор (1) размещено в корпусе устройства (8), на передней панели которого выведены: кнопка управления питанием (9), входной ВЧ-разъем (10) и выходной ВЧ-разъем (11). На задней панели корпуса расположены: разъем для подключения внешней сети электропитания (12), кнопка включения/выключения устройства (13), защитный предохранитель (14) от скачков электропитания внешней сети устройства. В корпусе закреплены вентиляторы охлаждения (4-7), воздушный поток (15) показан на рисунке условно. На корпусе устройства (8) имеется ручка для переноски устройства и удобного транспортирования.
Усилитель сверхвысокочастотной мощности работает следующим образом.
СВЧ-сигнал, попадая через входной ВЧ-разъем (10) на передней панели проходит через усилительный модуль (3), предназначенный для работы с непрерывными или импульсными сигналами дециметровых волн. Источником питания усилительного элемента является преобразователь электропитания (2), который имеет многоуровневую защиту от перенапряжения и от перегрузки по температуре. С усилительного элемента (3) преобразованный сигнал поступает на выходной ВЧ-разъем (11), расположенный на передней панели усилителя сверхвысокочастотной мощности. При увеличении мощности сигнала и увеличения отвода тепла от усилительного элемента (3) на радиатор (1), происходит автоматическое включение вентиляторов (4-7) для обеспечения постоянного потока воздуха с целью охлаждения радиатора и вывода тепла из корпуса устройства (8).
Посредством того, что в заявленной полезной модели предложено значительное упрощение конструкции, уменьшение массы и габаритов устройства, обеспечение устойчивого и надежного воздушного охлаждения усилителя сверхвысокочастотной мощности, улучшение эксплуатационных характеристик усилителя сверхвысокочастотной мощности, предложенная конструкция позволяет обеспечить повышение коэффициента полезного действия, повышение надежности работы усилительного элемента и, как итог, обеспечение стабильности и повторяемости технических характеристик, высокая мощность и устойчивость при рассогласованной нагрузке.