МИКРОВОЛНОВЫЙ ГЕНЕРАТОР
MICROWAVE GENERATOR

Изобретение относится к микроволновому генератору согласно ограничительной части независимых пунктов 1-3 формулы изобретения Подобный генератор известен из документа WO 2006/008000 A1.
DE 102005002279 A1 раскрывает микроволновый генератор, имеющий два электрода, которые расположены в корпусе и которые отделены посредством искрового промежутка, который пробивается, когда высокое напряжение прикладывается для излучения микроволн, в котором один внешний электрод имеет чашеобразную конфигурацию а другой внутренний электрод занимает в пространственном отношении, по меньшей мере, часть его длины над его внешней частью. Чашеобразный внешний электрод имеет донный участок, который в тоже время образует поперечное окончание корпуса. Внутренний электрод закруглен в шляпкообразную или полусферическую конфигурацию и внешний электрод имеет маленький выступ в форме сферической шляпки, в котором два электрода на выступе расположены друг напротив друга с малым расстоянием, например, в несколько миллиметров.
DE 102005044353 A1 также раскрывает микроволновый генератор тем же образом, как изложено выше, с одним искровым промежутком, который имеет форму кольцевого искрового промежутка.
Все эти известные микроволновые генераторы имеют DS (затухающая синусоида) резонатор, состоящий из соосного конденсатора, который разряжается посредством одного искрового промежутка, то есть устройства искрового промежутка с одним искровым промежутком. Этот конденсатор, с физическими свойствами коммутации плазмы в искровом промежутке и в соединении с электрической схемой, образует резонансный контур, содержащий омическое сопротивление R, индуктивность L и емкость C. Емкость заряжается путем зарядки полного сопротивления R, L напряжением в диапазоне от 100 кВ до МВ. Окончательно, в соответствии с законом Пашена, увеличение заряжающего напряжения ведет к пробою искрового промежутка. Пробой искрового промежутка может быть также намеренно осуществлен с помощью подходящего спускового механизма.
Развитие HPEM DS высокомощных микроволновых источников имеет целью, с использованием того, что рассматривается как ЗС технология (затухающая синусоида), генерирование широкополосного микроволнового импульса и излучение в окружающую среду в ненаправленном или также направленном виде. Учитывая это, излучаемый микроволновый импульс обычно включает в себя полосу пропускания около 20% того, что рассматривается как центральная частота при максимуме мощности и, таким образом, в зависимости от средней частоты излучения, покрывает определенный диапазон в частотном спектре. Это можно увидеть из исследований электромагнитных связей (EME) с потенциальными целевыми системами так, что целевые системы имеют особо высокий уровень чувствительности в частотном диапазоне между несколькими 10 МГц и до ГГц. Поэтому, чтобы покрыть целевой спектр различных целевых систем, который настолько широк как это возможно, желательно покрыть частотный диапазон с малым числом HPEM действующих систем насколько это возможно. Вышеописанные обычные микроволновые генераторы способны покрывать частотный диапазон от около 50 МГц до 450 МГц (в каждом случае центральных частот) так, что в настоящее время возможно покрыть приблизительно эффективный частотный диапазон от около 40 МГц (самые низкие частоты) и до около 600 МГц (самые высокие частоты), используя различные HPEM-DS действующие системы. Микроволновые источники известные до сих пор, однако, не в состоянии также влиять на целевые системы со связанными частотами более 600 МГц. Таким образом, диапазон более низких частот, то есть ниже 40 МГц, может быть конечно относительно просто оптимизирован, посредством увеличения длины импульса системы или изменен разумным совмещением и отражением импульсов в импульсно-формирующей сети (что рассматривается как "формирование импульса"), но на более высоких частотах выше 600 МГц, с архитектурой источника, имеющегося в настоящее время, в частности физические свойства коммутированной плазмы являются ограничивающим фактором, который препятствует созданию частот свыше 600 МГц.
Поэтому задачей данного изобретения является обеспечение микроволнового генератора, который имеет простую структуру, способного генерировать широкополосный микроволновый импульс высокой энергетической плотности даже в диапазоне более высоких частот, в частности выше 600 МГЦ.
Согласно изобретению эта задача решена с помощью микроволнового генератора согласно одному из пунктов 1-3 формулы изобретения. Предпочтительные конфигурации и развития микроволнового генератора согласно изобретению сформулированы в дополнительных пунктах формулы изобретения.
Изобретение основано на принятии во внимание того, что физические свойства искрового промежутка, такие как, например, напряжение пробоя, внешнее давление, расстояние между электродами в искровом промежутке, полное сопротивление плазмы и так далее, ответственно определяют характеристики коммутации, то есть характеристик зажигания, разряда искрового промежутка, и, таким образом, определяют время нарастания и форму импульса или различные частотные составляющие сгенерированного импульса высокого напряжения.
После пробоя искрового промежутка (SG=искровой промежуток) энергия накопленная в цепи резонатора излучается полностью или частично в окружающее пространство микроволнового генератора путем устройства излучения, связанного с резонатором, например в форме антенны.
Разрыв колебательного контура от генератора высокого напряжения, который, например, включает в себя генератор Аркадьева-Маркса вызван полными сопротивлениями представленным в заряжаемом контуре в виде омического или индуктивного резисторов. Величина излучаемой в окружающую среду энергии полностью определяется подбором полного сопротивления колебательного контура к внешней среде, то есть окружающему пространству. Полное сопротивление свободного пространства, рассматривается как полное сопротивление состояния свободного пространства Zсв.простр равно 377Ω.
В случае идеального подбора микроволнового генератора к этому полному сопротивлению свободного пространства вся энергия будет излучаться в виде прямоугольных импульсов. В случае незначительного несоответствия часть энергии или импульса отражается при скачке полного сопротивления и, таким образом, в сочетании с наложением выходной и возвращающейся волны ведет к изменению формы излучаемого импульса. Таким образом, подходящее соответствие отношения полного сопротивления делает возможным достижение формы импульса для излучаемого импульса, которая эквивалентна затухающему синусоидальному колебанию.
В случае чрезвычайно высокого расхождения система ведет себя как колебательный контур высокого качества так, что энергия почти не излучает в окружающую среду. Энергия остается в системе и ведет к резонансному колебательному поведению до тех пор, пока энергия не поглотиться внутренними потерями колебательного контура.
Число колебаний, то есть качество колебательного контура за импульс, может быть изменено адаптацией скачка полного сопротивления. Целью, к которой стремится микроволновой генератор является создание импульса высокого напряжения, то есть электромагнитного импульса, который проходит через, по крайней мере, один колебательный цикл до приблизительно 10 колебательных циклов.
На уровне техники выше определенных рассмотрений изобретение приводит к заключению что, для частот, излучаемых HPEM-DS системой, форма импульса высокого напряжения созданного в DS резонаторе, или конфигурация относительно времени излучения электромагнитного импульса, является решающей. Более конкретно, если форма импульса созданного HPEM-DS резонатором разбивается посредством преобразования Фурье в его частотные составляющие, то можно увидеть что низкочастотные составляющие импульса представлены в особенности длительностью импульса или периодом колебания импульса в то время как время нарастания импульса и время затухания импульса определяется в особенности высокочастотными составляющими излучаемого электромагнитного импульса. В конце концов, это ведет к выполнению того, что более быстрое время нарастания и затухания импульса может создать усиление в высокочастотной составляющей импульса в частотном спектре. Соответственно, частотная составляющая импульса может быть смещена к более высоким частотам путем уменьшения времени нарастания импульса.
Резонаторы используемые в HPEM-DS системах являются импульсно-формирующей сетью (PFN) содержащей один или более конденсаторов имеющих коаксиальную геометрию. В этом случае каждый конденсатор соединен с искровым промежутком как "закрывающийся ключ" который разряжает соответствующий конденсатор по закрытии ключа. Для мульти-импульсного и пробойного применения схема конденсаторов выбрана так, что они разряжаются последовательно. Время возрастания и форма импульса высокого напряжения создаваемого в резонаторе и, таким образом, излучаемый диапазон частот системы решительно зависит от полного сопротивления системы и внешней схемы разряда или внешней электропроводки. Коаксиальный конденсатор короткозамкнут посредством искрового пробоя. Конденсатор или конденсаторы формирует или формируют вместе с искровым промежутком (полным сопротивлением искрового промежутка), единый блок излучения и полное сопротивление окружающей среды, колебательный контур. Время нарастания импульса высокого напряжения созданного в DS резонаторе полностью определено плазма-физическими свойствами искрового промежутка (полное сопротивление плазмы). Индуктивность свойственная коммутирующей плазме в этом случае определяет текущую скорость нарастания, которая может быть достигнута при максимуме (времени нарастания импульса) и, таким образом, создается высокочастотная составляющая в форме импульса.
В порядке прорыва через ограничение от сокращения времени нарастания импульса свойственной индуктивностью искрового промежутка множество искровых промежутков соединяют параллельно в соответствии с изобретением. Это предпочтительно производится в соосном DS резонаторе, геометрия которого уже известна. Благодаря мгновенному зажиганию N искровых промежутков, ток разряда распределяется по N плазменным каналам. Как, в параллельной цепи множества индукторов, полная индуктивность системы ведет себя как значение обратное к сумме обратных значений отдельных систем, причем индуктивность всей системы в идеальном случае уменьшена в обратно пропорциональном отношении к числу искровых промежутков задействованных в одно и тоже время.
Уменьшение в индуктивности плазмы от параллельного соединения множества искровых промежутков, таким образом, уменьшает время нарастания импульса высокого напряжения создаваемого в DS резонаторе. Это, в свою очередь, приводит к увеличению высокочастотных составляющих в форме излучаемого импульса.
То что касается расположения, по крайней мере, двух искровых промежутков в параллельной цепи, то оно может быть осуществлено упорядочением геометрической формы, линейно, соосно, симметрично или также случайным распределением, между двумя электродами резонатора. Случайное распределение искровых промежутков между двумя электродами резонатора может быть осуществлено так долго пока функциональность резонатора не будет этим затронута. Возможно обеспечить как одинаковую, так и различную геометрии для электродов в отдельных искровых промежутках. Для вышеописанного режима работы параллельно соединенных искровых промежутков особенно благоприятно, если соблюдены следующие предварительные условия:
- Расположение электродов искровых промежутков отдельных параллельно соединенных искровых промежутков одинаково или, по крайней мере, достаточно одинаково так, что Таунсендовское состояние зажигания, соответствующее закону Пашена удовлетворяется для всех искровых промежутков и разряд распределяется по различным искровым промежуткам в приемлемом разбросе для этого применения.
- Импульс высокого напряжения подаваемый энергопитанием системы достаточно быстро связан малоиндуктивным образом с резонатором. DS резонатор является достаточно малоиндуктивной структурой, так что время возрастания импульса высокого напряжения на отдельных мультиканальных искровых промежутках достаточно быстро, так что статистические процессы зажигания на электродах мультиканальных искровых промежутков, которые определяют механизм накопления относительно времени плазменного канала (разрядный канал между электродами в искровом промежутке), пренебрежимый относительно каждого другого и одновременного зажигания искрового промежутка, таким образом, обеспечиваются в приемлемо короткий промежуток времени, который достаточен для данного применения. Время возрастания импульса, который полностью излучен разрядом конденсатора в окружающее пространство является тогда полностью определенным разбросом относительно времени отдельных разрядов (искровых промежутков) среди каждого другого и индуктивности плазмы искрового промежутка.
Благодаря почти одновременному зажиганию N искровых промежутков (всегда будет появляться определенный разброс относительно времени, вызванный статистическими процессами в плазме), разряд и, таким образом, ток разряда резонатора распределен по множеству и более конкретно по N плазменным каналам. Из-за параллельной цепи разрядов плазмы, индуктивность плазмы отдельного искрового промежутка взаимно складываются, так что общая индуктивность разряда в первом приближении падает в обратно пропорциональном отношении к числу имеющихся искровых промежутков. Работа множества искровых промежутков в параллельном взаимоотношении потому и делает возможным уменьшение индуктивности всей системы. Соответственно, уменьшение индуктивности плазмы означает, что там есть спад во времени возрастания импульса высокого напряжения, сгенерированного в DS резонаторе, который в свою очередь имеет последствием то, что частотная составляющая сгенерированного DS импульса смещена к высоким частотам, которые затем излучены в окружающую среду посредством блока излучения (антенны), который интегрирован в резонатор и соответственно приспособлен к частотному диапазону.
Дополнительным аспектом настоящего изобретения является также то, что вместе с параллельным соединением множества плазменных каналов, также уменьшены общие потери мощности (омические составляющие) в искровых промежутках, что способствует увеличению эффективности системы DS резонатора. Вдобавок, в сравнении с системой отдельного искрового промежутка, меньшие нагрузки (меньшая плотность тока на поверхности электрода) означает, что эрозионные процессы на поверхностях электродов снижены и, таким образом, их срок службы увеличен.
Дальнейшие особенности, детали и преимущества изобретения будут видны из дальнейшего описания конфигураций, изображенного на Фигурах, микроволнового генератора согласно изобретению.
Фиг.1 показывает схематический вид микроволнового генератора согласно изобретению,
Фиг.2 показывает виды в разрезе первого варианта исполнения микроволнового генератора согласно изобретению,
Фиг.3 показывает перспективный вид первого варианта исполнения микроволнового генератора как показано на Фиг.2,
Фиг.4 показывает виды в разрезе второго варианта исполнения микроволнового генератора согласно изобретению,
Фиг.5 показывает виды в разрезе третьего варианта исполнения микроволнового генератора согласно изобретению, и
Фиг.6 показывает виды в разрезе четвертого варианта исполнения микроволнового генератора согласно изобретению.
Фиг.1 это схематический вид, показывающий микроволновый генератор согласно изобретению. Этот микроволновый генератор включает в себя резонатор, имеющий два взаимно разнесенных электрода 12 и 14 резонатора. Напряжение может быть создано между двумя электродами 12, 14 резонатора посредством энергопитания 20. Если напряжение, приложенное между электродами 12, 14 резонатора возросло до напряжения зажигания, то разряд напряжения происходит между электродами 12, 14 резонатора через устройство 10 искрового промежутка. Учитывая это, согласно изобретению, устройство 10 искрового промежутка имеет, по меньшей мере, два параллельно соединенных искровых промежутка SG1, SG2. В этом случае искровой промежуток SG1 образован между предопределенным расположением 12.1 одного электрода резонатора 12 и предопределенным расположением 14.1 другого электрода резонатора 14. Соответствующее рассмотрение прилагается ко второму искровому промежутку SG2 и к любому искровому промежутку SGn, который может быть дополнительно предусмотрен.
Ток разряда распределяется по n плазменным каналам посредством параллельного соединения множества искровых промежутков SGn или одновременного разряда сквозь них. Как при параллельном соединении множества индукторов, общая индуктивность системы ведет себя как обратное значение суммы обратных значений отдельных систем, причем индуктивность всей системы уменьшена в обратно пропорциональном отношении к числу одновременно действующих искровых промежутков SGn. Уменьшение индуктивности плазмы из-за параллельного соединения множества искровых промежутков SGn, таким образом, снижает время нарастания импульса высокого напряжения создаваемого в DS резонаторе, который в свою очередь приводит к увеличению в высокочастотной составляющей в форме излучаемого импульса.
Желательное разнесение электродов 12, 14 резонатора в области обеспечения каждого из искровых промежутков SGn уменьшено до, в основном, одинаково малого расстояния. Это означает с одной стороны, что длины искровых промежутков SG1 и SG2 равны и с другой стороны, что разнесение электродов 12, 14 резонатора друг от друга минимально в области обеспечения искровых промежутков SGn. Эта комбинация особенностей имеет результатом преимущество, что число плазменных каналов между электродами 12, 14 резонатора может быть точно предопределено относительно разряда устройства 10 искрового промежутка после достижения напряжения зажигания, так как пробой предпочтительно происходит в размещениях, имеющих минимальное разнесение между электродами. Факт того, что длины всех искровых промежутков одинаковы может обуславливать то, что все искровые промежутки одновременно имеют пробой.
Фиг.2 показывает первый вариант исполнения микроволнового генератора согласно изобретению, в двух видах разрезов. Фиг.3 показывает перспективный вид того же варианта исполнения.
3
1
2
4
3
1
2
4
1
2
4
3
1
2
4
3
7
6
Как можно увидеть из видов на Фиг.2 и 3 микроволновый генератор в соответствии с первым вариантом исполнения имеет резонатор, имеющий соосную структуру. В этом случае резонатор имеет внутренний электрод 12, в общем, в форме цилиндрической оболочки и внешний электрод 14, который окружает внутренний электрод. Внутренний электрод 12 закрыт с нижнего конца. Этот закрытый конец внутреннего электрода 12 противоположен торцу, который заблокирован внешним электродом 14. Внешний электрод 14 имеет выступы 14.1, 14.2, 14.3 выдающиеся в направлении внутреннего электрода 12, так что расстояние d между электродами в области выступов 14.1, 14.2, 14.3 меньше, чем каждое расстояние d, d, d между электродами вне области выступов. В этом случае расстояние d друг от друга между электродами 12, 14 в области выступов 14.1, 14.2, 14.3 в общем одинаково. В общем d, d и d могут быть свободно выбраны, и может быть применено следующее: d, d, d>d. В соответствии с частным случаем может быть применено следующее: d=d=d>d и d>=d>0.
Правая часть Фиг.2 показывает возможное расположение выступов 14.n на конечном торце внешнего электрода 14. В частном случае это включает в себя 13 выступов. Однако, больше или меньше выступов также возможно, а также в различном расположении, которое, например, также может быть несимметрично.
Перспективный вид в Фиг.3 также применим к вариантам исполнения, описанным ниже и показанным на Фигурах 4, 5 и 6.
Фиг.4 показывает второй вариант исполнения микроволнового генератора согласно изобретению, в двух видах разрезов. Здесь один конец внутреннего электрода 12 является противоположным торцу, который блокирует внешний электрод 14. Грибовидный штырь выступает сносно из этого торца внешнего электрода 14 во внутреннюю часть внутреннего электрода 12. В этом случае, по крайней мере, в его широком расположении, грибовидный штырь имеет волнообразную поверхность поперечного разреза. Таким образом, сформированы в этой области ребра 14.1, 14.2, 14.n, которые находятся напротив цилиндрической внутренней стенки внутреннего электрода 12. Все искровые промежутки SGn, сформированные ребрами 14.n имеют одинаковый размер.
Преимущество второго варианта осуществления лежит с одной стороны в относительно однородном поле между ребрами 14.n и цилиндрической внутренней стенкой внутреннего электрода 12. С другой стороны это исполнение преимущественно по той причине, что оно представляет последующую возможность для приспособления обычного микроволнового генератора. Так для примера грибовидный штырь может быть затем ввинчен снизу в концевой торец внешнего электрода 14 для перестроения обычного микроволнового генератора в микроволновый генератор согласно изобретению.
Третий вариант осуществления микроволнового генератора согласно изобретению показан на Фигуре 5 в двух видах разрезов. В этом случае также один конец внутреннего электрода 12 противолежит торцу, который блокирует внешний электрод 14. С торца внешнего электрода 14 штырь с ребрами 14.1, 14.2, 14.n и выемками выступает соосно во внутреннюю часть внутреннего электрода 12. Штырь поэтому имеет волнообразную поверхность поперечного разреза. Вдобавок, конец внутреннего электрода 12 также имеет выступы 12.1, 12.2, 12.n, выступающие в направлении штыря, который находится противоположно, относительно ребер штыря.
Третий вариант исполнения, правда чуть более требовательный, чем второй вариант исполнения в отношении однородности электрического поля в искровых промежутках SGn, но с точной ориентацией ребер 14.n и 12.n относительно друг друга пространственно возможно реализовать очень точно разделенные плазменные каналы, которые имеют благоприятные свойства, которые могут быть более точно предопределены, как, например, ток разряда и индуктивность плазмы.
Фиг.6 показывает четвертый вариант исполнения микроволнового генератора согласно изобретению в двух видах разрезов. Здесь внешний электрод 14, с одного конца, имеет кулачковые выступы 14.1, 14.2, 14.n выдающихся в направлении цилиндрического внутреннего электрода 12. В этом случае, внутренний цилиндрический электрод 12 сам не имеет никаких выступов.
Четвертый вариант исполнения комбинирует преимущества второго и третьего вариантов исполнения, здесь электрическое поле в искровых промежутках SGn, посредством менее сильного искривления внешней поверхности внутреннего электрода 12, все еще достаточно однородно, но в тоже время обеспечение искровых промежутков SGn ограничено достаточно малой областью пространства из-за поверхностей, выпуклые поверхности которых соответственно далеки друг от друга, от кулачковых выступов 14.n и цилиндрической внешней поверхности внутреннего электрода 12.
Должно быть подчеркнуто то, что Фиг.2-6 только показывают малый набор возможных конфигураций искровых промежутков, которые удовлетворяют требуемым граничным условиям. В добавление, также может быть намечено множество других геометрических расположений. В общем благоприятно, при разработке конфигураций искровых промежутков, обеспечивать, чтобы минимум электродного пространства в отдельных искровых промежутках был выполнен согласно требуемым размерам, чтобы при желаемом времени (времени переключения) и при приложении соответствующего напряжения коммутации в операции коммутации условие зажигания в соответствии с законом Пашена было удовлетворено для каждого отдельного искрового промежутка и, таким образом, обеспечивалось достаточно точное зажигание искровых промежутков относительно времени, то есть одновременно. С другой стороны благоприятно обеспечивать, чтобы зарядка резонатора и, таким образом, зарядка электродов искрового промежутка протекала достаточно быстро так что, вместе с выполнением условия зажигания, имел место синхронный по времени выполнения разряд в отдельных искровых промежутках. Одновременное параллельное зажигание искровых промежутков обеспечивает уменьшение общего полного сопротивления искровых промежутков, посредством чего может быть обеспечен более быстрый подъем импульса, который в конечном счете ведет к увеличению излучаемого спектра частот в области высоких частот.