УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТИ ДВУХ МНОГОСЕКЦИОННЫХ МАГНЕТРОНОВ

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), конкретно к сложению мощности нескольких магнетронов и может быть использована преимущественно в передающих устройствах радиолокационных станций (РЛС), а также в системах связи, сверхвысокочастотных промышленных установках для нагрева.
В науке и технике 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.
Недостаток данной полезной модели заключается в ухудшении массогабаритных характеристик.
Недостаток полезной модели состоит также в увеличении в k раз количества отрезков передающей линии в случае суммирования мощности многосекционных магнетронов, где k≥2 - число идентичных секций (патент на полезную модель RU 130451 U1, опубл. 20.07.2013).
Известен аналог «Многосекционный магнетрон» (патент на полезную модель RU 130451 U1, опубл. 20.07.2013), в котором осуществляется суммирование мощности k≥2 идентичных секций (магнетронов без магнитных систем).
Недостаток аналога заключается в ограничении количества секций многосекционного магнетрона, связанного с ростом сложности и массогабаритных показателей общей для всех секций магнитной системы. Ограничение количества секций приводит к уменьшению выходной мощности многосекционного магнетрона, что может оказаться неприемлемым для конкретной установки.
Известно принятое за прототип изобретение «Устройство для сложения мощностей двух СВЧ генераторов на магнетронах» (патент на изобретение RU 2392733 C1, опубл. 20.06.2010). В данном устройстве наряду с увеличением выходной мощности решаются задачи повышения его надежности при одновременном упрощении конструкции по сравнению с описанным в указанном изобретении «Многофункциональным сумматором СВЧ мощности», разработанным в 1991 г. авторами Ильиным C.H., Ильиным B.C., Лобановым В.Г. и Хоркиной А.А.
Недостаток прототипа состоит и необходимости перемещения магнетронов вдоль оси волновода. Тем самым подбирается величина расстояния между выводами энергии магнетронов с целью повышения коэффициента полезного действия (КПД) устройства.
К недостатку прототипа можно отнести также обязательную фиксацию каждого магнетрона и его крепление, например, с помощью хомута, охватывающего волновод. При использовании прототипа в мобильных установках тряска и вибрация с большой вероятностью приведут к нарушению фиксации магнетронов.
Технической задачей заявленной полезной модели является разработка нового «Устройства для сложения мощности двух многосекционных магнетронов», конструктивные и функциональные особенности которого позволяют повысить надежность, энергетические и эксплуатационные показатели, оптимизировать массогабаритные характеристики устройства.
Реализация указанной технической задачи заявленной полезной моделью обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:
- сложение мощности двух многосекционных магнетронов является актуальной задачей, так как приводит к снижению стоимости СВЧ генераторов;
- применение короткозамкнутого волновода, являющегося внешним объемным резонатором-сумматором мощности, для суммирования мощности идентичных секций двух многосекционных магнетронов повышает стабильность рабочей частоты каждой секции и поэтому электронный КПД и выходная мощность каждого многосекционного магнетрона и их суммарная мощность и КПД растет с повышением стабильности рабочей частоты;
- короткозамкнутый волновод выполнен в форме закороченного отрезка прямоугольного волновода длиной nΛ/2, где n≥5, Λ - длина волны в волноводе, с продольными щелями длиной λ/2, где λ - длина волны в свободном пространстве, прорезанными по средней линии его обеих широких стенок в количестве, равном числу секций каждого магнетрона, причем расстояние между центрами щелей по каждой широкой стенке равно L=Λ|2, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, что обеспечивает синфазную и устойчивую работу каждой секции двух многосекционных магнетронов, что также способствует повышению КПД и выходной мощности;
- при подключении двух многосекционных магнетронов к противоположным широким стенкам короткозамкнутого волновода вывод энергии каждой секции второго магнетрона вводится в противоположную широкую стенку короткозамкнутого волновода, причем расстояние между серединой продольной щели, к которой подключена ближайшая к первому магнетрону секция второго магнетрона и проекцией на противоположную широкую стенку середины щели, к которой подключена ближайшая ко второму магнетрону секция первого магнетрона, определяется требованием синфазности работы магнетронов и равно Λ/2, где Λ - длина волны в волноводе;
- подключение двух многосекционных магнетронов к противоположным широким стенкам короткозамкнутого волновода удобно в случае критичности продольных размеров (вдоль продольной оси резонатора-сумматора мощности) устройства для сложения мощности двух многосекционных магнетронов в конкретной установке;
- взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь в устройстве позволяют получить практически увеличенную в 2(k≥2) раз выходную мощность путем суммирования мощности каждой секции двух многосекционных магнетронов в короткозамкнутом волноводе, где k≥2 - число идентичных секций каждого из двух многосекционных магнетронов.
Для достижения указанного технического результата предложено «Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов», содержащее магнетроны и короткозамкнутый волновод, отличающееся тем, что магнетроны являются многосекционными, а короткозамкнутый волновод содержит продольные щели длиной λ/2 с расстоянием между центрами щелей L=Λ|2, прорезанными по средней линии его обеих широких стенок в количестве, равном числу секций каждого магнетрона, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, а при подключении двух многосекционных магнетронов к противоположным широким стенкам короткозамкнутого волновода вывод энергии каждой секции второго магнетрона вводится в противоположную широкую стенку короткозамкнутого волновода, причем расстояние между серединой продольной щели, к которой подключена ближайшая к первому магнетрону секция второго магнетрона и проекцией на противоположную широкую стенку середины щели, к которой подключена ближайшая ко второму магнетрону секция первого магнетрона, определяется требованием синфазности работы магнетронов и равно половине длины волны в волноводе Λ/2.
Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что магнетроны являются многосекционными, а короткозамкнутый волновод содержит продольные щели длиной λ/2 с расстоянием между центрами щелей L=Λ|2, прорезанными по средней линии его обеих широких стенок в количестве, равном числу секций каждого магнетрона, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны.
Дополнительным отличием является то, что короткозамкнутый волновод, являющийся внешним объемным резонатором-сумматором мощности, выполнен в форме закороченного отрезка прямоугольного волновода длиной nΛ/2, где n≥5.
Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для получения практически увеличенной в 2(k≥2) раз выходной мощности путем суммирования мощности каждой секции двух многосекционных магнетронов в короткозамкнутом волноводе, где k≥2 - число идентичных секций каждого из двух многосекционных магнетронов.
Именно наличие в заявленной полезной модели общих отличительных и дополнительных отличительных признаков позволяет не только повысить основные энергетические параметры такие, как выходная мощность и КПД, надежность, но и значительно улучшить качественные массогабаритные характеристики, эксплуатационные показатели, снизить стоимость устройства.
Заявленная полезная модель может быть реализована и для случая, когда два многосекционных магнетрона заменяются на два обычных многорезонаторных магнетрона.
Сущность полезной модели для случая двух секций каждого из двух многосекционных магнетронов поясняется чертежами:
- фиг. 1 - Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Общий вид;
- фиг. 2 - Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Короткозамкнутый волновод;
- фиг. 3 - Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Функциональная схема.
- На фиг. 1 представлено Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Общий вид:
1. Короткозамкнутый волновод;
1.1. Устройство вывода энергии;
1.2. Реактивный вибратор;
1.3. Продольная щель;
1.4. Реактивный вибратор;
1.5. Продольная щель;
1.6. Реактивный вибратор;
1.7. Продольная щель;
1.8. Реактивный вибратор;
1.9. Продольная щель;
2. Магнитная система;
3. Многосекционный магнетрон;
3.1. Секция;
3.2. Устройство вывода энергии;
3.3. Пазовое электрическое соединение секций;
3.4. Секция;
3.5. Устройство вывода энергии;
4. Магнитная система;
5. Многосекционный магнетрон;
5.1. Секция;
5.2. Устройство вывода энергии;
5.3. Пазовое электрическое соединение секций
5.4. Секция;
5.5. Устройство вывода энергии.
Два многосекционных магнетрона 3, 5 фиг. 1 идентичны и подключены каждый к одной из двух противоположных широких стенок короткозамкнутого волновода 1 фиг. 1. Каждая из двух секций 3.1, 3.4 магнетрона 3 фиг. 1 и секций 5.1, 5.4 магнетрона 5 фиг. 1 через соответствующие устройства выводы энергии 3.2, 3.5, 5.2, 5.5 фиг. 1 подключены к короткозамкнутому волноводу 1 фиг. 1 через продольные щели 1.9, 1.7, 1.5, 1.3 фиг. 1. Короткозамкнутый волновод 1 фиг. 1 включает продольные щели 1.3, 1.5 фиг. 1, прорезанные по средней линии его одной широкой стенки, продольные щели 1.7, 1.9 фиг. 1, прорезанные по средней линии его другой широкой стенки, с реактивными вибраторами 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 фиг. 1, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны.
Вывод суммарной электромагнитной энергии магнетронов 3, 5 фиг. 1 осуществляется из короткозамкнутого волновода 1 фиг. 1 посредством устройства вывода энергии 1.1 фиг. 1.
На фиг. 2 представлено Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Короткозамкнутый волновод: 1. Короткозамкнутый волновод;
1.1. Устройство вывода энергии;
1.2. Реактивный вибратор;
1.3. Продольная щель;
1.4. Реактивный вибратор;
1.5. Продольная щель;
1.6. Реактивный вибратор;
1.7. Продольная щель;
1.8. Реактивный вибратор;
1.9. Продольная щель;
Короткозамкнутый волновод 1 фиг. 1, 2 выполнен в форме отрезка прямоугольного волновода длиной nΛ/2, где n≥5, Λ - длина волны в волноводе. В конструкции короткозамкнутого волновода 1 фиг. 1, 2 имеются продольные щели в середине одной широкой стенки отрезка прямоугольного волновода 1.3, 1.5 фиг. 1, 2 и другой противоположной широкой стенки отрезка прямоугольного волновода 1.7, 1.9 фиг. 1, 2 длиной λ/2, где λ - длина волны в свободном пространстве. Расстояние между центрами щелей 1.3, 1.5 и 1.7, 1.9 фиг. 1, 2 соответствует L=Λ|2, где Λ - длина волны в волноводе. Расстояние между серединой продольной щели 1.5, к которой подключена ближайшая к первому магнетрону секция второго магнетрона и проекцией A' на противоположную широкую стенку середины A щели 1.7 фиг. 2, к которой подключена ближайшая ко второму магнетрону секция первого магнетрона, определяется требованием синфазности работы магнетронов и равно Λ/2, где Λ - длина волны в волноводе. Для возбуждения щелей используются реактивные вибраторы 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 фиг. 2, помещенные рядом с серединами щелей по разные их стороны на противоположных широких стенках короткозамкнутого волновода 1 фиг. 1, 2. В качестве устройства вывода энергии 1.1 фиг. 1, 2 из короткозамкнутого волновода 1 фиг. 1, 2 в волноводный тракт может быть использован четвертьволновый трансформатор.
На фиг. 3 представлено Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов. Функциональная схема:
1. Короткозамкнутый волновод;
1.1. Устройство вывода энергии;
1.2. Реактивный вибратор;
1.3. Продольная щель;
1.4. Реактивный вибратор;
1.5. Продольная щель;
1.6. Реактивный вибратор;
1.7. Продольная щель;
1.8. Реактивный вибратор;
1.9. Продольная щель;
3.1. Секция;
3.2. Устройство вывода энергии;
3.4. Секция;
3.5. Устройство вывода энергии;
5.1. Секция;
5.2. Устройство вывода энергии;
5.4. Секция;
5.5. Устройство вывода энергии.
A
Секции 3.1, 3.4, 5.1, 5.4 фиг. 3 параллельно запитаны рабочим напряжением U от общего источника питания - импульсного модулятора. Устройства вывода генерируемой электромагнитной энергии 3.2, 3.5 фиг. 3 секций 3.1, 3.4 фиг. 3 магнетрона 3 фиг. 1 подключены к продольным щелям 1.9, 1.7 фиг. 3 одной широкой стенки, а устройства вывода генерируемой электромагнитной энергии 5.2, 5.5 фиг. 3 секций 5.1, 5.4 фиг. 3 магнетрона 5 фиг. 1 подключены к продольным щелям 1.5, 1.3 фиг. 3 другой противоположной широкой стенки короткозамкнутого волновода 1 фиг. 3. Реактивные вибраторы 1.8, 1.6, 1.4, 1.2 фиг. 3 помещены рядом с серединами щелей и установлены по разные их стороны. Выход короткозамкнутого волновода 1 фиг. 3 связан с волноводным трактом через устройство вывода энергии 1.1 фиг. 3.
Устройство работает следующим образом
A
«Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов» предназначено для суммирования мощности магнетронов в составе передающего устройства радиолокационной станции или конкретной промышленной установки. При подаче рабочего напряжения U от общего источника питания параллельно на все секции 3.1, 3.4, 5.1, 5.4 фиг. 3 магнетронов 3, 5 фиг. 1, указанные секции генерируют СВЧ электромагнитную энергию.
В короткозамкнутый волновод 1 фиг. 1, 2, 3 электромагнитная энергия из устройств вывода энергии 3.2, 3.5, 5.2, 5.5 фиг. 1, 3 поступает через продольные щели 1.9, 1.7, 1.5, 1.3 фиг. 1, 2, 3. Поскольку щели прорезаны по средней линии обеих широких стенок волновода, то они возбуждаться не будут. Для возбуждения продольных щелей 1.3, 1.5, 1.7, 1.9 фиг. 1, 2, 3 используются реактивные вибраторы 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 фиг. 1, 2, 3, помещенные рядом с серединами щелей. Реактивные вибраторы 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 фиг. 1, 2, 3 установлены по разные стороны щелей и меняют фазу возбуждения на 180°. С учетом расстояния между серединами щелей 1.3, 1.5 и 1.7, 1.9 фиг. 2, равного половине длины волны в волноводе, обеспечивается синфазная и устойчивая работа секций 3.1, 3.4 и 5.1, 5.4 фиг. 1, 3 магнетронов 3, 5 фиг. 1, что также способствует повышению КПД и выходной мощности.
Заявленная полезная модель «Устройство для сложения мощности двух многосекционных магнетронов» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленной полезной модели, устройством для суммирования мощности многосекционных магнетронов в составе передающего устройства радиолокационной станции или конкретной промышленной установки.
Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:
- сложение мощности двух многосекционных магнетронов является актуальной задачей, так как приводит к снижению стоимости СВЧ генераторов;
- применение короткозамкнутого волновода для суммирования мощности идентичных секций двух многосекционных магнетронов повышает стабильность рабочей частоты каждой секции и поэтому электронный КПД и выходная мощность каждого многосекционного магнетрона и их суммарная мощность и КПД растет с повышением стабильности рабочей частоты;
- короткозамкнутый волновод, являющийся внешним объемным резонатором-сумматором мощности, включает продольные щели длиной λ/2, где λ - длина волны в свободном пространстве, прорезанные по средней линии его обеих противоположных широких стенок, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, что обеспечивает синфазную и устойчивую работу каждой секции двух многосекционных магнетронов, что также способствует повышению КПД и выходной мощности;
- подключение двух многосекционных магнетронов к противоположным широким стенкам короткозамкнутого волновода удобно в случае критичности продольных размеров (вдоль продольной оси резонатора-сумматора мощности) устройства для сложения мощности в конкретной установке;
- взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь в устройстве позволяют получить практически увеличенную в 2(k≥2) раз выходную мощность путем суммирования мощности каждой секции двух многосекционных магнетронов в короткозамкнутом волноводе, где k≥2 - число идентичных секций каждого из двух многосекционных магнетронов;
Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко известные материалы и технологии производства резонаторов-сумматоров мощности, выполненных в форме закороченного отрезка прямоугольного волновода, многорезонаторных магнетронов обычной конструкции.