Генераторный модуль СВЧ - излучения

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), конкретно к когерентному сложению мощностей двух магнетронов с целью увеличения выходной мощности и может быть использована преимущественно в передающих устройствах радиолокационных станций (РЛС), системах сверхвысокочастотного питания ускорителей заряженных частиц и системах промышленного СВЧ-нагрева.
Из существующего уровня техники известен аналог-генератор магнетронного типа (патент на полезную модель RU 95898 U1, опубл. 10.07.2010), состоящий из к одинаковых магнетронов, где k≥2, работающих на основной частоте, соединенных между собой передающей линией, в которой суммируются их выходные мощности. Недостатком данного способа суммирования является низкий коэффициент суммирования мощности в рабочей полосе частот. Это связанно с тем, что суммирующим устройством является волноводный или коаксиальный тройник.
Наиболее близким к заявленному техническому решению для суммирующего устройства (сумматора) в составе генератора является устройство для параллельной работы магнетронов (патент GB 879677, опубл. 28.04.1959, прототип), где в качестве суммирующего устройства (сумматора) предлагается использовать четырехплечий 3-х децибельный направленный ответвитель (квадратурный волноводный мост). Магнетроны от образца к образцу имеют разброс по собственной частоте генерации, в связи с этим в патенте (прототипе) указывается, что электрическая длина входных плеч ответвителя должна быть подобрана для правильной работы сумматора. Однако способ подбора в прототипе не указан.
Мы предлагаем включить в одно из плеч перестраиваемый фазовращатель. Он необходим для оптимизации коэффициента суммирования изделия. Кроме того, при замене магнетронов он необходим для новой подстройки изделия. Также при необходимости данный сумматор с фазовращателем может быть использован для создания особого режима суммирования - биения с разностной частотой.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание эффективного генераторного модуля СВЧ с сумматором для двух магнетронов с перестраиваемым фазовращателем, для обеспечения возможности оперативного изменения (в том числе электронноуправляемого) электрической длины одного из входных плеч направленного ответвителя (волноводного моста) с целью улучшения функциональных возможностей генератора: тонкой (в том числе автоматической) подстройки частоты генератора в процессе работы (в том числе компенсации температурного дрейфа частоты), изменения режима работы генератора от когерентного сложения к режиму биений, оптимизации энергетических и эксплуатационных показателей и обеспечения ремонтопригодности генератора.
Технический результат достигается за счет того, что в генераторном модуле СВЧ-излучения, содержащем два магнетрона и квадратурный волноводный мост в качестве сумматора, между одним из магнетронов и одним входом квадратурного моста подключен управляемый фазовращатель, другой магнетрон подключен напрямую к другому входу квадратурного моста напрямую без фазовращателя, к одному из выходов квадратурного моста подключен короткозамыкающий поршень, а другой выход квадратурного моста является выводом энергии в нагрузку.
Применение перестраиваемого (механически или электрически) волноводного фазовращателя в одном из входных плеч волноводного моста позволяет осуществлять тонкую подстройку рабочей частоты генератора вплоть до компенсации температурного дрейфа, позволяет изменять режимы работы генератора от когерентного сложения до управляемого режима биений или модуляции, позволяет быстро восстановить работу генератора при замене магнетронов.
Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является наличие перестраиваемого фазовращателя во входном плече сумматора, способного управлять генераторным модулем СВЧ в процессе его работы, для формирования особых режимов генерации (модуляции), позволяющего повысить основные энергетические параметры, обеспечить стабильность частотных характеристик, улучшить эксплуатационные показатели и возможность обеспечивать ремонтопригодность устройства.
На фигуре показана блок схема генераторного модуля СВЧ-излучения.
На фигуре показаны следующие обозначения: 1 - магнетрон; 2 - магнетрон, 3 - перестраиваемый фазовращатель, 4 - квадратурный волноводный мост, 5 - короткозамыкающий поршень, 6 - вывод энергии в нагрузку.
Магнетрон 1 подсоединен к одному из входов квадратурного волноводного моста 4, между магнетроном 2 и одним входом квадратурного моста 4 подключен перестраиваемый фазовращатель 3. К одному выходу моста 4 подсоединен коротко замыкающий поршень 5, ко второму выходу моста 4 подсоединен вывод энергии в нагрузку 6.
Описание работы устройства.
Генераторный модуль СВЧ-излучения на основе двух магнетронов с управляемым сумматором мощности предназначен для когерентного суммирования мощностей двух магнетронов при работе в составе радиолокационных систем и установок промышленного СВЧ-нагрева. При одновременном (синхронизированном) включении магнетронов 1 и 2, при наличии малых отражений от квадратурного волноводного моста 4, образуется взаимная обратная связь между магнетронами 1, 2. При наличии перестраиваемого фазовращателя 3 в тракте магнетрона 2 появляется возможность изменить относительную фазу обратных (отраженных) сигналов на выходе (входе) магнетронов 1, 2. Оптимальный выбор фазы перестраиваемым фазовращателем 3 обеспечивает изменение реактивности электронной проводимости магнетронов 1, 2 и взаимную синхронизацию на одинаковой частоте. Происходит когерентное сложение мощностей магнетронов 1, 2 на входе квадратурного волноводного моста 4 и передача мощности через вывод энергии в нагрузку 6. Максимальная мощность в нагрузке 6 близка к полной суммарной мощности двух магнетронов 1, 2.
Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:
- Снижение стоимости СВЧ-генератора на единицу выходной мощности;
- Снижение требований по электрической прочности и охлаждению на единицу выходной мощности;
- Точность настройки режима когерентного сложения мощностей двух магнетронов обеспечивает мощность на выходе генератора не менее 90% от суммарной мощности двух магнетронов;
- Стабильность частоты генераторного модуля СВЧ-излучения в режиме когерентного сложения мощностей двух магнетронов значительно превосходит стабильность одиночного магнетрона;
- При замене магнетронов значительно облегчается настройка режима когерентного сложения мощностей двух магнетронов при учете, что собственные частоты магнетронов могут значительно отличаться;
- Возможна работа устройства в специальном режиме управляемых биений частоты.
Заявленное устройство промышленно применимо т.к. для его реализации используются хорошо отработанные технологии СВЧ-техники: устройства изменения фазы (фазовращатели и фазосдвигатели) и устройства половинного деления и сложения сигналов (3-х децибельные мосты).