Генераторы СВЧ-излучения
Любой электронный СВЧ-прибор представляет собой преобразователь подводимой к нему энергии в энергию электромагнитных колебаний определенной частоты с помощью управляемого электронного потока. В большинстве используемых в СВЧэнергетике приборов в электромагнитные колебания преобразуется энергия постоянного электрического тока, хотя в настоящее время уже разрабатываются и весьма перспективные для СКЭС устройства, в которых осуществляется прямое преобразование лучистой, в том числе солнечной энергии в СВЧ-колебания.
Все электронные СВЧприборы, которые могут быть применены на СКЭС, подразделяют на генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и усилители. Для обеспечения работы генератора к нему достаточно подвести энергию от источника электропитания, в то время как для работы усилителя необходим еще первичный источник высокочастотных колебаний (задающий генератор).
Для электронных СВЧприборов систем передачи энергии СКЭС наиболее важными показателями являются выходная мощность, полный КПД, напряжение питания, рабочая температура, коэффициент усиления, уровень вблизи рабочей частоты.
Этот показатель выражается в децибелах и позволяет отдельно учесть затраты мощности на генерацию входного сигнала, необходимого для работы усилителя.
Величину шумов принято оценивать отношением полной выходной мощности излучения к мощности, излучаемой в полосе рабочих частот Av. Уровень шумов такж« выражается в децибелах и характеризует потери полезной мощности прибора, связанные с ее рассеянием за пределами рабочей частоты.
Остальные показатели в специальных пояснениях не нуждаются.
К электронным СВЧ-приборам систем передачи энергии СКЭС предъявляют следующие основные требования:
— высокие значения полного КПД и коэффициента усиления;
— низкий уровень шума;
— высокая надежность, и длительный ресурс работы;
— компактность, низкие удельные масса и стоимость.
С точки зрения возможности обеспечения высокой стабильности рабочей частоты и синфазности большого числа одновременно работающих приборов СВЧусилители имеют определенное преимущество перед автогенераторами, заключающееся в том, что они могут возбуждаться от одного общего первичного источника колебаний.
В системах передачи энергии СКЭС могут применяться СВЧприборы двух основных классов — электровакуумные и полупроводниковые.
Работа электровакуумных приборов основана на взаимодействии электронных потоков с электрическим полем в вакууме. Поэтому у приборов этого класса, предназначаемых для применения в космосе и, в частности, на СКЭС, конструкция проще, а масса меньше, чем у приборов, работающих в земных условиях, ибо отпадает йеобходимость использования герметичных оболочек и корпусов для вакуумирования их электронной части.
Из числа электровакуумных приборов в качестве наиболее перспективных для СКЭС рассматриваются магнетроны, амплитроны и клистроны [50, 54, 70, 72].
Амплитрон и магнетрон относятся к СВЧприборам так называемого Мтипа, в которых происходит преобразование потенциальной энергии электронов, движущихся в скрещенных электрическом и магнитном полях, в энергию электромагнитных колебаний. Реализуемый в них принцип преобразования энергии позволяет получить высокие значения КПД приборов данного типа (до 85— 90 %) и как следствие — минимальные потери энергии ввиде тепла, которое нужно отводить от прибора. Последнее облегчает решение проблемы термостатирования приборов в условиях космоса, чему также способствует и достаточно высокий уровень допустимых рабочих температур (300—500 °С), обусловленный отсутствием необходимости герметизации вводов и выводов приборов.
Магнетроны и амплитроны, проектируемые для применения на СКЭС, имеют сравнительно простую конструкцию (рис. 3.1). Они состоят из цилиндрического катода и коаксиально расположенного анода, совмещенного с колебательной многорезонаторной системой прибора. Соосно с электродами располагается постоянный магнит, создающий осевое магнитное Поле, перпендикулярное электрическому полю, силовые линии которого направлены по радиусу от анода к катоду («скрещенные поля»). Отвод тепла от анода и катода осуществляется радиаторами из пиролитического графита, обладающего малой плотностью, высокой теплопроводностью и излу чательной способностью (степенью черноты) около 0.92.
Применение в качестве материала для магнитов са марийкобальтового сплава, имеющего значительно меньший удельный вес, чем обычно применяемые магнитные материалы, и радиаторов из пиролитического графита обеспечивает низкую удельную массу приборов, составляющую 0.15—0.30 кг/кВт.
Важной особенностью амплитронов и магнетронов является возможность использования так называемых холодных катодов, работающих по принципу вторичной электронной эмиссии. Такие катоды с платиновым покрытием обеспечивают очень длительный срок службы приборов данного типа, что имеет большое значение с точки зрения требований к долговечности элементов систем преобразования энергии СКЭС.
Магнетроны и амплитроны, используемые в СВЧ энергетике, могут иметь в непрерывном режиме выходную мощность излучения в десятки киловатт. Однако для приборов, которые предполагают применить на СКЭС, оптимальным считается уровень мощности порядка 5—10 кВт. Ускоряющее (анодное) напряжение таких приборов около 20 кВ.
Основные отличия этих двух приборов Мтипа определяются тем, что магнетрон представляет собой генератор, а амплитрон — усилитель СВЧ-колебаний. В ряде ранних проектов СКЭС для преобразования постоянного тока в СВЧколебания предполагалось использовать амплитрон, чтобы упростить решение проблемы синхронизации большого количества одновременно работающих приборов. Однако сравнительно низкий коэффициент усиления (менее 20 дБ), склонность к самовозбуждению, высокий уровень шумов и необходимость в источнике входных колебаний у амплитронов определили усилившийся в последнее время интерес к магнетронам как более перспективным приборам Мтипа для генерации СВЧ излучения на СКЭС [70, 79, 106]. Относительно узкая полоса рабочих частот магнетронов не является препятствием для их применения в системах передачи энергии, а синхронизация большого числа таких приборов не связана с серьезными техническими трудностями. Существенно также, что магнетроны являются приборами, наиболее широко применяемыми в СВЧэнергетике. Технология их массового производства хорошо отлажена, а стоимость сравнительно невысока.
Другим перспективным для применения на СКЭС электровакуумным СВЧприбором является клистрон. Клистрон относится к СВЧприборам так называемого Отипа, в которых происходит преобразование кинетической энергии электронов, движущихся в пространстве между катодом и коллектором, в энергию СВЧполя в результате торможения электронов полем, создаваемым в зазорах колебательной системы. Магнитное поле используется в клистронах только для фокусировки электронного потока и на процесс преобразования энергии принципиального влияния не оказывает.
В системах передачи энергии СКЭС могут применяться клистроны двух типов — пролетные и отражательные. Для преобразования постоянного тока в СВЧ-излучение на СКЭС предполагается использовать многорезонаторные усилительные пролетные клистроны.
На рис. 3.2 схематически изображен двухрезонатор ный пролетный клистрон, основными элементами которого являются термоэмиссионный катод, ускоряющий электрод, входной резонатор, трубка дрейфа, выходной резонатор и коллектор. Ускоренный между катодом и ускоряющим электродом поток электронов модулируется по скорости усиливаемым СВЧ сигналом, который подается входному резонатору. В пространстве дрейфа модуляция электронов по скорости переходит в модуляцию по плотности. Электроны группируются в сгустки, которые Передают свою энергию полю выходного резонатора, возбуждая в нем СВЧколебания. «Отработавшие» электроны попадают на коллектор, где оставшаяся часть их кинетической энергии переходит в тепловую. Для фокусировки электронного потока используется соленоид.
Для повышения КПД и коэффициента усиления пролетных клистронов используют многорезонаторные приборы этого типа.
Потери энергии в пролетных клистронах больше, чем в магнетронах, и КПД соответственно ниже (75—80 %), однако у них легче обеспечить высокую выходную мощность, которая может достигать сотен киловатт и более в непрерывном режиме. Обусловлено это тем, что клистроны имеют увеличенные по сравнению с приборами Мтипа размеры области формирования электронного потока и вынесенный за пределы области взаимодействия коллектор, который можно эффективно охлаждать, например с помощью тепловых труб. Увеличивая число резонаторов, можно поднять коэффициент усиления клистрона до 50— 70 дБ и выше, что также является важным достоинством приборов этого типа. Уровень шума у них ниже, чем у амплитронов и магнетронов, а узкая полоса рабочих частот не снижает эффективности применения на СКЭС.
Недостатками многорезонаторных пролетных клистронов по сравнению с приборами Мтипа являются в 1.5—2 раза более высокое ускоряющее напряжение (40 кВ), большая удельная масса (0.6—0.8 кг/кВт) и наличие подогреваемого катода, работающего при температуре 800—1000 °С. Последнее обстоятельство затрудняет обеспечение требуемого для элементов СКЭС ресурса работы приборов данного типа. Стоимость клистронов выше стоимости магнетронов, но высокий уровень мощности и связанные с этим преимущества частично компенсируют этот недостаток.
Следует заметить, что вопрос о выборе уровня мощности СВЧприборов для СКЭС является весьма проблематичным. Существует, в частности, мнение [5], что с учетом известной закономерности, отражающей снижение удельной массы энергетических агрегатов с ростом их мощности, целесообразно поднять выходную мощность электровакуумных приборов СВЧ для СКЭС до 2—4 МВт, а в будущем — до 0.1—0.2 ГВт, используя в последнем
Случае усилителей релятивистских электронных пучках. Предполагается, что это позволит в несколько раз снизить удельную массу СКЭС в целом.
В то же время в качестве одного из перспективных вариантов электровакуумных СВЧприборов для СКЭС рассматриваются маломощные устройства, в которых осуществляется прямое преобразование солнечной энергии в энергию СВЧизлучения. Такие устройства получили название фотоклистронов или фототронов [82, 83].
Фототрон представляет собой разновидность отражательного клистрона — прибора, в котором, так же как и в пролетном клистроне, происходит преобразование кинетической энергии электронного потока в энергию СВЧколебаний за счет превращения модуляции потока по скорости в модуляцию по плотности. Однако в отражательном клистроне в отличие от пролетного используется только один полый резонатор, через который электронный поток проходит дважды — в прямом и обратном направлениях. Возвращение электронов в зазор между сетками резонатора осуществляется с помощью отражателя, имеющего постоянный отрицательный потенциал по отношению к катоду. Основное отличие фототрона от обычного отражательного клистрона состоит в том, что эмиссия электронов с катода осуществляется не за счет нагрева, а под воздействием фотонов солнечного излучения, т. е. термоэмиссионный катод заменен фотоэмиттером.
Экспериментальная модель фототрона (рис. 3.3) выполнена в виде цилиндрической вакуумированной стеклянной колбы, на переднюю, освещаемую солнечным излучением стенку которой нанесен материал фотокатода— CsSb. Внутри колбы расположены плоские сетки резонатора и отражающий электрод (отражатель). Колба размещается в центре цилиндрического полого резонатора. Понятно, что в космических условиях вакуумировать элементы фототрона не нужно и конструкция его может быть проще и надежнее.
В экспериментах при частоте излучения 200 МГц полный КПД фототрона составил около 0.3 %. Выходная мощность прибора при этом была равна приблизительно 1 мВт. Ожидается, что при использовании в качестве материала фотоэмиттера GaAs, уменьшении размеров прибора и реализации других мероприятий КПД фототрона может быть увеличен примерно на порядок и составит 3 %. Очевидно, однако, что и в этом случае КПД прибора будет удовлетворять требованиям к элементам системы преобразования и передачи энергии СКЭС. Поэтому фототрон, как и другие маломощные электровакуумные СВЧ приборы, вряд ли сможет конкурировать с полупроводниковыми генераторами СВЧколебаний, обсуждению возможности применения которых на СКЭС в последнее время уделяется большое внимание [75, 98, 105].
В полупроводниковых СВЧприборах преобразование энергии постоянного тока в энергию СВЧколебаний происходит в твердом теле, масса и размеры которого, как правило, очень малы, а физические свойства весьма чувствительны к температуре и токовым параметрам. Это ограничивает мощность полупроводниковых приборов величинами порядка единиц ватт, их допустимая рабочая температура не превышает 200 °С, а напряжение постоянного тока — десятки вольт. Кроме того, приборы этого класса более чувствительны к воздействию эксплуатационных факторов, чем электровакуумные приборы. Тем не менее полупроводниковые приборы получают все более широкое развитие и применение в технике СВЧ и рассматриваются как серьезная альтернатива высокомощным электровакуумным приборам для использования в системах передачи энергии СКЭС. Обусловлено это такими их важными достоинствами, как высокие надежность и долговечность, компактность, сравнительно низкая стоимость при массовом производстве, удобство сборки и, что особенно существенно, хорошая совместимость с полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями солнечной энергии.
Из числа полупроводниковых СВЧприборов наиболее эффективными преобразователями энергии постоянного тока в энергию СВЧколебаний являются биполярные и полевые транзисторы, которые имеют более высокие значения КПД и мощности и значительно меньший коэффициент шума, чем полупроводниковые СВЧдиоды. Лучшими показателями с точки зрения требований к СВЧ приборам СКЭС обладают полевые транзисторы из арсе нида галлия, так как у них выше коэффициент усиления и полный эффективный КПД, чем у биполярных транзисторов из кремния. Кроме того, они имеют более высокий уровень допустимых рабочих температур.
Полевой транзистор, принципиальная схема которого изображена на рис. 3.4, представляет собой пластинку полупроводника (GaAs) п или ртипа, у которой на больших гранях имеются соответственно слои р или п типа. Эти слои соединены и образуют единый электрод затвор. Изменение напряжения на затворе приводит к изменению тока в цепи между двумя другими гранями, на которых размещены электроды, называемые истоком и стоком [38]. Это свойство полевого транзистора и используется для генерации и усиления СВЧколебаний.
В настоящее время лучшие полевые транзисторы из арсенида галлия с затвором на основе барьера Шоттки имеют КПД порядка 60—75 % при уровне выходной мощности 1—3 Вт. При частоте 2.45 ГГц их коэффициент усиления составляет 5—10 дБ, а коэффициент шума—около 1 дБ.Предполагается, что СВЧтранзисторы, разрабатываемые для СКЭС, в результате усовершенствования будут иметь выходную мощность 5—10 Вт и КПД более 80 %, однако при этом у них повысится уровень шума.
Значительный интерес в этой связи представляет возможность создания полупроводниковых приборов, в которых осуществляется прямое преобразование солнечного излучения в СВЧколебания. Эквивалентная схема таких устройств состоит из избирательной нагрузки и фото активной нелинейной цепи, управляемой контуром положительной обратной связи [6]. Их разработка соответствует общей тенденции развития твердотельных приборов СВЧ в направлении создания комплексированных устройств и заслуживает самого серьезного внимания.
Обобщенная сводка основных параметров СВЧ-приборов, которые могут быть использованы на СКЭС, представлена в табл. 3.1. Из таблицы видно, что для всех приборов характерны достаточно высокие значения КПД, но остальные показатели различаются весьма существенно, а потому сделать вывод в пользу применения того или иного прибора можно, только рассматривая его в составе системы преобразования и передачи энергии в целом.
Как устроен и работает магнетрон
Магнетрон — специальный электронный прибор, в котором генерирование сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ-колебаний) осуществляется модуляцией электронного потока по скорости. Магнетроны значительно расширили область применения нагрева токами высокой и сверхвысокой частоты.
Менее распространены основанные на том же принципе амплитроны (платинотроны), клистроны, лампы бегущей волны.
Магнетрон является наиболее совершенным генератором сверхвысоких частот большой мощности. Это хорошо эвакуированная лампа с электронным потоком, управляемым электрическим и магнитным полями. Они позволяют получать весьма короткие волны (до долей сантиметра) при значительных мощностях.
В магнетронах используется движение электронов во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях, создаваемых в кольцевом зазоре между катодом и анодом. Между электродами подается анодное напряжение, создающее радиальное электрическое поле, под действием которого вырываемые из подогретого катода электроны устремляются к аноду.
Анодный блок помещается между полюсами электромагнита, который создает в кольцевом зазоре магнитное поле, направленное по оси магнетрона. Под действием магнитного поля электрон отклоняется от радиального направления и движется по сложной спиральной траектории. В пространстве между катодом и анодом образуется вращающееся электронное облако с языками, напоминающее ступицу колеса со спицами. Пролетая мимо щелей объемных резонаторов анода, электроны возбуждают в них высокочастотные колебания.
Рис. 1. Анодный блок магнетрона
Каждый из объемных резонаторов представляет собой колебательную систему с распределенными параметрами. Электрическое поле концентрируется у щелей, а магнитное поле сосредоточено внутри полости.
Вывод энергии из магнетрона осуществляется при помощи индуктивной петли, помещаемой в один или чаще два соседних резонатора. По коаксиальному кабелю энергия подводится к нагрузке.
Рис. 2. Устройство магнетрона
Нагрев токами СВЧ осуществляется в волноводах круглого или прямоугольного сечения или в объемных резонаторах, в которых возбуждаются электромагнитные волны простейших форм ТЕ10(Н10) (в волноводах) или ТЕ101 (в объемных резонаторах). Нагрев может осуществляться и излучением электромагнитной волны на объект нагрева.
Питание магнетронов осуществляется выпрямленным током с упрощенной схемой выпрямителя. Установки очень малой мощности могут питаться переменным током.
Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.
Рис. 2. Магнетрон в СВЧ-печи
Простота устройства и относительно невысокая стоимость магнетронов в сочетании с высокой интенсивностью нагрева и разнообразием применения токов СВЧ открывают перед ними большие перспективы применения в различных областях промышленности, сельского хозяйства (например, в установках диэлектрического нагрева) и в быту (СВЧ-печи).
Работа магнетрона
Итак, магнетрон это электронная лампа специальной конструкции, служащая для генерации колебаний ультравысоких частот (в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн). Ее особенностью является применение постоянного магнитного поля (для создания нужных путей движения электронов внутри лампы), откуда магнетрон и получил свое название.
Многокамерный магнетрон, идея которого была впервые предложена М. А. Бонч-Бруевичем и осуществлена советскими инженерами Д. Е. Маляровым и Н. Ф. Алексеевым, представляет собой сочетание электронной лампы с объемными резонаторами. Этих объемных резонаторов в магнетроне делается несколько, почему этот тип и получил название многокамерного или многорезонаторного.
Принцип устройства и работы многокамерного магнетрона заключается в следующем. Анод прибора представляет собой массивный полый цилиндр, во внутренней поверхности которого сделан ряд полостей с отверстиями (эти полости и являются объемными резонаторами), катод расположен по оси цилиндра.
Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси цилиндра. На вылетающие из катода электроны со стороны этого магнитного поля действует сила Лоренца, которая искривляет пути электронов.
Магнитное поле подбирается таким, чтобы большинство электронов двигалось по искривленным путям, не касающимся анода. Если в камерах прибора (объемных резонаторах) происходят электрические колебания (небольшие колебания в объемах всегда возникают по разным причинам, например, в результате включения анодного напряжения), то переменное электрическое поле существует не только внутри камер, но и снаружи, около отверстий (щелей).
Электроны, пролетая вблизи анода, попадают в эти поля и в зависимости от направления поля либо ускоряются, либо тормозятся в них. Когда электроны ускоряются полем, то они отбирают энергию от резонаторов, наоборот, когда они тормозятся, то отдают часть своей энергии резонаторам.
Если бы число электронов, которые ускоряются и тормозятся, было бы одинаково, то в среднем они не отдавали бы резонаторам энергии. Но электроны, которые тормозятся, после этого имеют меньшую скорость, чем та, которую они получили при движении к аноду. Поэтому они уже не обладают достаточной энергией, чтобы вернуться к катоду.
Наоборот, те электроны, которые ускорялись полем резонаторов, обладают после этого энергией, большей, чем нужно для того, чтобы вернуться к катоду. Следовательно, электроны, которые, попав в поле первого резонатора, ускоряются в нем, вернутся на катод, а те, которые затормозятся в нем, не вернутся па катод, а будут двигаться по криволинейным путям около анода и попадать в поле следующих резонаторов.
При соответствующей скорости движения (которая определенным образом связана с частотой колебаний в резонаторах) эти электроны будут попадать в поле второго резонатора при такой фазе колебаний в нем, что и в поле первого резонатора, поэтому в поле второго резонатора они также будут тормозиться.
Таким образом, при соответствующем подборе скорости электронов, т. е. анодного напряжения (а также и магнитного поля, которое не изменяет величины скорости электронов, по изменяет ее направление), можно добиться такого положения, что отдельный электрон будет либо ускоряться полем только одного резонатора, либо тормозиться полем нескольких резонаторов.
Поэтому в среднем электроны будут больше энергии отдавать резонаторам, чем забирать от них, т. е. колебания, происходящие в резонаторах, будут нарастать и в конце концов в них установятся колебания с постоянной амплитудой.
Рассмотренный нами упрощенно процесс поддержания колебаний в резонаторах сопровождается еще одним важным явлением, т. к. электроны, для того чтобы они тормозились полем резонатора, должны влетать в это поле при определенной фазе колебаний резонатора, то очевидно, что они должны двигаться не равномерным потоком (т. к. тогда они влетали бы в поле резонаторов в любые, а не в определенные моменты времени, а в виде отдельных сгустков.
Весь поток электронов для этого должен представлять собой как бы звезду, в которой электроны движутся внутри отдельных лучей, а вся звезда в целом вращается вокруг оси магнетрона с такой скоростью, что ее лучи в нужные моменты подходят к каждой камере. Процесс образования отдельных сгустков в электронном потоке называется фазовой фокусировкой и осуществляется автоматически под действием переменного поля резонаторов.
Современные магнетроны способны создавать колебания вплоть до самых высоких частот сантиметрового диапазона (волны до 1 см и даже короче) и отдавать мощность до нескольких сот ватт при непрерывном излучении и нескольких сот киловатт при импульсном излучении.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
RU141373U1 — Генератор свч — Google Patents
Publication number RU141373U1 RU141373U1 RU2013151921/07U RU2013151921U RU141373U1 RU 141373 U1 RU141373 U1 RU 141373U1 RU 2013151921/07 U RU2013151921/07 U RU 2013151921/07U RU 2013151921 U RU2013151921 U RU 2013151921U RU 141373 U1 RU141373 U1 RU 141373U1 Authority RU Russia Prior art keywords cathode emitting electron central microwave Prior art date 2013-11-21 Application number RU2013151921/07U Other languages English ( en ) Inventor Юрий Александрович Калинин Александр Сергеевич Фокин Original Assignee Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования «Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского» Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2013-11-21 Filing date 2013-11-21 Publication date 2014-06-10 2013-11-21 Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования «Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского» filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования «Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского» 2013-11-21 Priority to RU2013151921/07U priority Critical patent/RU141373U1/ru 2014-06-10 Application granted granted Critical 2014-06-10 Publication of RU141373U1 publication Critical patent/RU141373U1/ru
Links
Images
Abstract
Генератор СВЧ, включающий последовательно расположенные катод конической формы с эмитирующим полоском, ускоряющие электроды, статическую магнитную фокусирующую систему, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектор, отличающийся тем, что катод в центральной части выполнен вогнутой сферической формы и имеет центральное термоэмитирующее покрытие, образующее, по крайней мере, одну дополнительную эмитирующую зону; перед центральным термоэмитирующим покрытием катода, между катодом и электродинамической системой расположена модулирующая сетка с поперечными размерами, соответствующими размерам дополнительной эмитирующей зоны.
Description
Заявляемая полезная модель относится к нерелятивистской сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике, а именно к широкополосным генераторам, и может найти применение в системах радиопротиводействия и подавления, системах связи и областях медицины, использующих терапевтическое воздействие электромагнитным излучением.
Известен генератор на лампе бегущей волны (ЛБВ-генератор) с запаздывающей обратной связью, называемый также шумотрон (Кислов В.Я., Мясин Е.А., Залогин Е.Н. Исследование стохастических автоколебательных режимов в автогенераторах с запаздыванием. // Радиотехника и электроника, 1979, т. 24, N 6, с. 1118). Шумотрон включает электронную пушку, две секции ЛБВ (пространство взаимодействия и замедляющая система), коллектор, обратную связь в виде коаксиального кабеля, соединяющего выход второй ЛБВ с входом первой, вывод энергии. Кроме того, в СВЧ электронике существует целый ряд различных вакуумных приборов, используемых для генерации хаотических шумоподобных колебаний, так называемые генераторы хаоса (Афанасьев В.В., Трубецков Д.И. Динамический хаос в электронных сверхвысокочастотных приборах. Ч. I. Вакуумные нерелятивистские приборы. Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ, вып. 3 (1614), 1991, 40 с, ч. II. Приборы релятивисткой электроники, вып. 4 (1615), 1991, 32 с).
Однако в известных вакуумных приборах СВЧ диапазона, в том числе шумотронах, используются замедляющие системы, параметры которых (период) определяются рабочей длиной волны. Соответственно, переход к более коротким волнам должен сопровождаться уменьшением размеров электродинамической системы, в результате размеры пролетного канала у ламп терагерцового диапазона будут составлять доли миллиметра. Это ограничивает величину максимального тока пучка, который можно пропустить через пролетный канал замедляющей системы — с ростом плотности тока увеличиваются силы пространственного заряда, рассеивающие пучок. С другой стороны увеличение тока пучка необходимо для получения сигнала достаточного уровня мощности. Другим следствием использования замедляющих систем является сильная изрезанность спектра выходного сигнала и недостаточная ширина рабочей полосы частот — около 20%.
Известны так называемые низковольтные виркаторы — нерелятивистские вакуумные приборы, использующие для генерации широкополосных шумоподобных СВЧ сигналов сложную динамику виртуального катода (см. патенты РФ на изобретение №2288519 и №2431902). Низковольтный виркатор содержит источник электронов — пушку с термокатодом, ускоряющий электрод, анод, систему сеток, создающих область тормозящего электрического поля, отрезок спирали для вывода энергии и коллектор. В электронном пучке, сформированном коллектором и попадающем в область тормозящего электрического поля, создаются условия для возникновения плоскости отражения электронов — виртуального катода. В этой плоскости возникает область повышенной электронной плотности, формируемая медленными электронами. Осцилляции виртуального катода являются источником СВЧ излучения.
Однако рассмотренные схемы характеризуются высокой изрезанностью спектра выходного сигнала.
Известны генераторы, использующие турбулентные электронные потоки (см. патент РФ на изобретение №2420825, патент РФ на полезную модель №94762). Генератор на турбулентном электронном потоке включает электронную пушку с катодом, фокусирующим электродом и анодом, область модуляции электронного потока, систему электродов фокусировки, область усиления, электродинамическую систему, вывод СВЧ-энергии и коллектор. Ламинарный электронный поток, формируемый электронной пушкой трансформируется в турбулентный путем его модуляции неоднородными электрическим и магнитным полями. При этом в потоке возникают электронные сгустки, колеблющиеся во времени и пространстве и являющиеся источником широкополосного шумоподобного СВЧ излучения. В отличие от традиционной конструкции генератора с ВК, область повышенной электронной плотности не локализована в определенном месте электронного пучка, а распределена по всему его протяжению. В каждой точке пучка направление и величина скорости электронов, а также плотность пространственного заряда непрерывно меняются во времени, что позволяет сравнивать такой электронный поток с турбулентным потоком жидкости. Существенную роль здесь играет неоднородность электронного пучка — чем более сложный характер движения имеют электроны, тем более шумящим оказывается такой пучок, в первую очередь, на неоднородность влияет величина разброса скоростей электронов.
Известные генераторы на турбулентном электронном потоке характеризуются слабой изрезанностью спектра выходного сигнала, и широкой полосой генерации, однако выходная мощность оказывается мала, поскольку малые сгустки, распределенные по пучку, являются источником более слабого излучения, чем в случае одного мощного и локализованного в пучке сгустка.
Известен СВЧ генератор со встречными катодами, содержащий два термокатода с общим ускоряющим анодом и электродинамическую систему с двумя выводами энергии, при этом термокатоды расположены с противоположных сторон от ускоряющего анода. Это позволяет увеличить электронную плотность в пространстве дрейфа и приводит к возникновению более интенсивных СВЧ-колебаний (см. патент РФ на изобретение №2325724).
Однако введение дополнительного катода существенно усложняет конструкцию прибора и увеличивает габариты готового устройства. Встречные пучки требуют дополнительных мер направленных на предотвращение перегрева конструкции, параметры пушек должны быть тщательно подогнаны друг под друга, что требует долгой настройки в процессе сборки прибора. Немаловажным моментом является общее снижение надежности такого генератора.
Наиболее близким к заявляемому устройству является конструкция генератора СВЧ сигналов на виртуальном катоде, использующая трубчатый электронный поток, формируемый магнетронно-инжекторной пушкой с эмитирующим полоском (см. патент РФ на изобретение №2444082). Генератор содержит катод с эмитирующим полоском, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, статическую магнитную фокусирующую систему. Полосок позволяет формировать пучок, обладающий большим разбросом скоростей электронов, обусловленным различными начальными условиями на краях полоска, причем ширина последнего является одним из существенных факторов, влияющих на генерацию. Широкий полосок обеспечивает большую неоднородность электронного пучка, тем самым влияя на изрезанность спектра выходного сигнала. Кроме того широкий полосок увеличивает токоотбор с катода и позволяет получать большие токи пучка. Выходная мощность может достигать величины порядка 70 Вт при максимальной ширине полоска h=3 мм, что выше, чем в других подобных конструкциях. Ширина полосы частот доходит до 100% от основной частоты в спектре колебаний.
Однако конструкция прототипа также характеризуется низким уровнем выходной мощности, что ограничивает область ее возможного применения. Дальнейшее увеличение ширины эмитирующего полоска не решает проблемы — с одной стороны улучшается характеристика выходного сигнала в рабочей полосе частот, но с другой стороны пушка с очень широким полоском становится чрезвычайно трудно управляемой. Сформировать и удержать протяженный пучок становится трудно — нужно совершенствовать систему фокусировки и искать подходящую конфигурацию магнитного поля. Рассмотренная конструкция не позволяет получить большие значения тока, что ограничивает мощность и максимальную рабочую частоту.
Задачей заявляемой полезной модели является создание СВЧ генератора на турбулентном электронном пучке с повышенной выходной мощностью и максимальной рабочей частотой в терагерцовом диапазоне.
Технический результат, достигаемый в предложенном генераторе СВЧ, заключается в повышении выходной мощности и увеличении рабочего диапазона частот в сторону высоких частот за счет возможности достижения более высоких токов пучка при сохранении требуемых характеристик выходного сигнала (широкая полоса частот и слабая изрезанность спектра) без существенного усложнения конструкции прибора и сохранении малых габаритов устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в генераторе СВЧ, включающем последовательно расположенные катод конической формы с эмиттирующим полоском, ускоряющие электроды, статическую магнитную фокусирующую систему, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектор, согласно решению катод в центральной части выполнен вогнутой сферической формы и имеет центральное термоэмитирующее покрытие, образующее, по крайней мере, одну дополнительную эмитирующую зону; перед центральным термоэмитирующим покрытием катода, между катодом и электродинамической системой расположена модулирующая сетка с поперечными размерами, соответствующими размерам дополнительной эмитирующей зоны.
Полезная модель поясняется с помощью чертежа, где представлен общий вид устройства. Позициями на чертеже обозначены:
Твердотельные источники энергии установок СВЧ диэлектрического нагрева Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
СВЧ НАГРЕВ / ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ / RF POWER SOURCE / УСТАНОВКА СВЧ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА / DIELECTRIC HEATING INSTALLATION / ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР / SOLID-STATE RF GENERATOR / МАГНЕТРОН / MAGNETRON / СВЧ-ТРАНЗИСТОР / RF TRANSISTOR / DIELECTRIC HEATING
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Федоров Антон Витальевич
Источники энергии установок СВЧ диэлектрического нагрева чаще всего строят на основе электровакуумных генераторов магнетронов , однако такие источники СВЧ энергии обладают рядом недостатков. Как альтернатива магнетронным источникам энергии в работе рассмотрен принцип построения источника энергии установок СВЧ диэлектрического нагрева нового типа на полупроводниковых приборах (твердотельные СВЧ генераторы). Показано, что твердотельный источник энергии обладает преимуществами по сравнению с магнетронными источниками энергии установок СВЧ диэлектрического нагрева: возможностью изменения уровня генерируемой мощности и меньшим напряжением питания. Кроме того, твердотельный генератор позволяет строить широкополосные установки СВЧ диэлектрического нагрева. Даны рекомендации по подбору полупроводниковых приборов для применения в качестве генераторов в установках диэлектрического СВЧ нагрева, приведена методика расчёта мощности твердотельного источника СВЧ энергии, приведен пример расчёта твердотельного источника энергии , построенного на основе серийно выпускаемых полупроводниковых СВЧ приборов, мощность которого сравнима с мощностью источников энергии на магнетронах .
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Федоров Антон Витальевич
Разработка и обоснование параметров установки с движущимися источниками сверхвысокочастотной энергии для термообработки сырья
Математическое моделирование температурного состояния цилиндрических заготовок из полимерных композиционных материалов при СВЧ нагреве
Повышение эффективности микронизации зерновых культур на СВЧ установке с использованием перегретого пара
Предотвращение аварийных режимов в свч-установках сельскохозяйственного назначения
Анализ применения микроволнового излучения в технологиях стерилизации растительного сырья
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
SOLID STATE RF ENERGY SOURCES OF DIELECTRIC HEATING INSTALLATIONS
Energy sources for RF heating installations are often based on the vacuum generators magnetrons, however, such sources of microwave energy have certain disadvantages. As an alternative option for a magnetron-based energy source, the scheme of a new energy source of microwave dielectric heating based on semiconductor devices (solid-state microwave generators) is presented in this paper. It is shown that a solid-state source of RF energy has advantages compared with magnetron-based energy sources of dielectric heating installations: the possibility of gradual changes in the level of generated power and lower voltages power supply. In addition, the solid-state generator allows one to build a broadband microwave dielectric heating installation. The article provides recommendations for the use of semiconductor devices as a reference generator and a powerful amplifier of microwave energy. By applying the recommendations, a solid-state energy source was calculated on the basis of commercially available semiconductor devices. In addition, a microwave power solid state generator is designed comparable with magnetron-based energy sources in terms of their power.
Текст научной работы на тему «Твердотельные источники энергии установок СВЧ диэлектрического нагрева»
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ УСТАНОВОК СВЧ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА
Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А., г. Саратов, Россия
Источники энергии установок СВЧ диэлектрического нагрева чаще всего строят на основе электровакуумных генераторов — магнетронов, однако такие источники СВЧ энергии обладают рядом недостатков. Как альтернатива магнетронным источникам энергии в работе рассмотрен принцип построения источника энергии установок СВЧ диэлектрического нагрева нового типа — на полупроводниковых приборах (твердотельные СВЧ генераторы). Показано, что твердотельный источник энергии обладает преимуществами по сравнению с магнетронными источниками энергии установок СВЧ диэлектрического нагрева: возможностью изменения уровня генерируемой мощности и меньшим напряжением питания. Кроме того, твердотельный генератор позволяет строить широкополосные установки СВЧ диэлектрического нагрева.
Даны рекомендации по подбору полупроводниковых приборов для применения в качестве генераторов в установках диэлектрического СВЧ нагрева, приведена методика расчёта мощности твердотельного источника СВЧ энергии, приведен пример расчёта твердотельного источника энергии, построенного на основе серийно выпускаемых полупроводниковых СВЧ приборов, мощность которого сравнима с мощностью источников энергии на магнетронах.
Ключевые слова: СВЧ нагрев, источник энергии, установка СВЧ диэлектрического нагрева, твердотельный генератор, магнетрон, СВЧ-транзистор.
Одним из основных компонентов всех установок СВЧ диэлектрического нагрева является источник СВЧ энергии, который преобразует энергию переменного или постоянного тока электрической сети в энергию СВЧ электромагнитных колебаний, вызывающих поляризацию обрабатываемого диэлектрика и, как следствие, достижение того или иного технологического эффекта (нагрев, сушка, плавление, отверждение, дефростация, полимеризация и др.). СВЧ электромагнитные колебания (СВЧ электромагнитные волны) от источника СВЧ энергии по волноводу поступают в рабочую камеру установки СВЧ диэлектрического нагрева, в которой поглощаются обрабатываемым диэлектриком. Различают традиционное (тепловое) действие СВЧ энергии на диэлектрик и нетради-
ционное (нетепловое) действие на полимеры, при котором происходит модификация свойств полимерного материала, сырья или изделия (полисульфидной смолы, поликапроамидных нитей и волокон, эпоксидных компаудов) без существенного нагрева [1, 2].
Рабочие камеры различаются конструкциями, характеристиками и подразделяются на рабочие камеры с бегущей волной (КБВ), камеры лучевого типа (КЛТ) и камеры со стоячей волной (КСВ) [3-5].
В подавляющем большинстве установок СВЧ диэлектрического нагрева в качестве СВЧ генератора применяют магнетроны — электровакуумные приборы [6]. Структурная схема источника СВЧ энергии с магнетроном показана на рис. 1. Для получения высокого анодного напряжения магнетрона используется повышающий трансформатор
Рис. 1. Структурная схема источника энергии СВЧ на основе магнетрона: 1 — повышающий трансформатор; 2 — удвоитель напряжения; 3 — магнетрон
и удвоитель напряжения, собранный на высоковольтном диоде и конденсаторе. При такой схеме магнетрон работает лишь на одной полуволне питающего переменного напряжения, так как другая полуволна заряжает конденсатор удвоителя напряжения.
Показанная на рис. 1 схема получила широкое распространение благодаря простоте и невысокой стоимости. Однако источник СВЧ энергии на магнетроне имеет недостатки:
— невозможность перестройки по частоте;
— работа только на одной полуволне питающего напряжения;
— невозможность плавного регулирования выходной СВЧ мощности;
— высокое анодное напряжение;
— ограниченный срок службы.
Известны схемы питания магнетрона с выпрямителем анодного напряжения [5], однако они сложнее и дороже.
Альтернативой магнетрону в источниках СВЧ энергии в установках СВЧ диэлектрического нагрева могут стать твердотельные (полупроводниковые) СВЧ приборы, поскольку кроме традиционного применения мощных полупроводниковых СВЧ транзисторов в радиолокации, радиосвязи и базовых станциях мобильной связи появилась возможность построить полупроводниковые СВЧ генераторы технологического назначения. Первые работы, в которых предложено применение полупроводниковых приборов в качестве генераторов для установок диэлектрического нагрева, появились в конце 70-х годов [7, 8]. Однако применение твердотельных генераторов для диэлектрического нагрева в то время было нерациональным в связи с недостаточно высокой выходной мощностью таких генераторов, их низким КПД и высокой стоимостью.
В последние годы технические характеристики полупроводниковых СВЧ приборов позволяют фирмам-производителям выпускать транзисторы СВЧ диапазона с выходной непрерывной мощностью до 250 Вт [9, 10] в диапазонах частот, предназначенных для применения СВЧ энергии в промышленных, научных и медицинских целях (КМ-диапазон). Наиболее крупными производителями таких приборов на данный момент являются компании NXP (Китай) и Атр1еоп (Нидерланды). Характеристики выпускаемых этими компаниями мощных СВЧ транзисторов, предназначенных для технологических целей, показаны в таблице.
Применение мощных СВЧ транзисторов имеет преимущества перед магнетронами малой мощности:
— выходной мощностью транзистора можно управлять в широких пределах, что позволяет варьировать уровень выходной мощности источника СВЧ энергии в процессе его работы;
— специально разработанные СВЧ транзисторы могут работать при Ксти нагрузки до 5. 30, что выше максимального значения этого параметра у магнетронов (Ксти < 3);
— напряжение питания транзисторов не более 50 В, что позволяет отказаться от высоковольтного трансформатора и использовать малогабаритные блоки питания при непрерывном излучении СВЧ энергии в рабочую камеру;
— СВЧ транзисторы могут работать в широкополосном режиме, а перестройка частоты СВЧ генератора даст возможность повысить равномерность термообработки [11, 12];
— СВЧ транзисторы более долговечны, имеют меньшие габариты и вес.
Рассмотрим принципы построения и методику расчета твердотельного СВЧ генератора установки СВЧ диэлектрического нагрева малой мощности.
Тип Тестовые частоты, МГц PСВЧ, Вт Усиление, дБ Uпит, В КПД, % KстU, тах нагр. Производитель Источн. информ.
BLC2425M8LS300P 2450 300 17 32 58 10 Атр1е&оп [9]
BLF2425M7L250P 2450 250 15 28 51 5 Атр1е&оп [9]
BLC2425M9LS250 2450 250 18,5 32 61 5 Атр1е&оп [9]
BLF2425M6L180P 2450 180 13,3 28 53 5 Атр1е&оп [9]
BLF2425M7L140 2450 140 18,5 28 52 10 Атр1е&оп [9]
BLF2425M9LS140 2450 140 19 28 56 10 Атр1е&оп [9]
BLF10H6600PS 400-1000 600 20,8 50 46 40 Атр1е&оп [9]
BLF0910H6L500 900-930 500 18 50 61 30 Атр1е&оп [9]
MHE1003N 2400-2500 230 14 26 61,5 10 КХР [10]
МНТ1000Н 2400-2500 140 13,2 28 45 10 КХР [10]
МНТ100Ш 2400-2500 190 13,2 28 46,2 10 КХР [10]
MHT1003N 2400-2500 250 15,9 32 59 10 КХР [10]
MHT1004N 2400-2500 300 15,2 32 57,9 5 КХР [10]
MHT1002N 915 350 20,7 48 66,9 10 КХР [10]
МНТ200Ш 902-928 175 33,8 50 72,8 10 КХР [10]
Мощные СВЧ транзисторы для технологических целей производства компаний NXP и Атр1еоп
к системе управления
Опорный Усилитель Линия
генератор СВЧ передачи в рабочую
Рис. 2. Обобщенная структурная схема полупроводникового источника энергии установки СВЧ диэлектрического нагрева
От опорного генератора
П редв ар ител ьн ы й усилитель
В рабочую камеру
От опорного генератора
Рис. 3. Схемы увеличения выходной мощности твердотельного СВЧ генератора: а — с сумматором мощности; б — с несколькими излучателями
Принципы построения твердотельного источника энергии
Так как СВЧ транзисторы являются усилителями, то для построения источника СВЧ энергии на их основе требуется опорный (задающий) генератор ЗГ, формирующий рабочую частоту установки диэлектрического нагрева. В качестве задающего генератора можно рекомендовать использовать генераторы, управляемые напряжением (ГУН) диапазона СВЧ [13]. В случае построения перестраиваемого источника СВЧ энергии [11] могут быть использованы синтезаторы частот на основе таких генераторов.
Чаще всего ГУН представляет собой автогенератор, в цепь положительной обратной связи которого включен перестраиваемый резонатор того или иного типа. В диапазоне СВЧ для целей СВЧ нагрева могут быть использованы резонаторы на основе варикапов или ЖИГ-резонаторы [14]. Наиболее простые и недорогие решения можно построить, используя резонатор на основе колебательного контура с перестройкой частоты варикапами. В этом случае ЗГ может быть выполнен в малогабаритном корпусе. Современные ГУН на варикапах выпускаются различными зарубежными
и отечественными компаниями в виде МИС для печатного монтажа либо в компактных корпусах с коаксиальным выходом.
Сигнал с выхода задающего генератора должен быть подан на мощный усилитель СВЧ, на выход которого подключается рабочая камера, с помощью линии передачи (чаще всего — прямоугольный волновод). Обобщенная структурная схема полупроводникового источника СВЧ энергии показана на рис. 2.
Для получения максимально возможной выходной мощности, при которой усилитель входит в режим насыщения (точка компрессии по уровню 1 дБ), требуется обеспечить на его входе уровень сигнала не менее:
Рш = 10—(1) где Руу — требуемая мощность на входе, Вт, Р1ав -мощность точки компрессии по уровню 1 дБ, обычно указываемая в справочных параметрах транзисторов в дБм, С — коэффициент усиления транзистора, дБ.
В случае если задающий генератор обладает выходной мощностью меньше Рш, необходимо установить предварительный усилитель, включаемый между задающим генератором и усилителем мощности. Если для технологического процесса необходима более высокая выходная мощность, возможна совместная работа нескольких транзисторов на одну нагрузку. В этом случае их выходная мощность складывается, при этом важна идентичность фаз колебаний обоих транзисторов. Возможны два варианта сложения мощности. В первом случае (рис. 3а) входной сигнал с задающего генератора с помощью делителя мощности подаётся на каждый из транзисторов, а затем усиленный сигнал суммируется и подаётся в рабочую камеру с помощью одного излучателя. Во втором случае (рис. 3б) усиленный сигнал с выхода каждого транзистора подаётся в рабочую камеру через отдельный излучатель. Этот вариант наиболее просто можно реализовать в рабочей камере лучевого типа.
Методика расчёта твердотельного
источника СВЧ энергии установки
Для проведения расчёта важнейшим критерием является необходимая выходная СВЧ мощность твердотельного источника СВЧ энергии. Для выходной мощности, сравнимой с мощностью магнетрона (~ 500 Вт), требуется параллельное включение как минимум двух мощных транзисторов по схеме рис. 3а.
Проще всего провести расчет источника СВЧ энергии, используя относительные логарифмические единицы мощности — дБм, опорной мощностью которых является величина 1 мВт. В этом случае, выходная мощность источника СВЧ энергии на двух параллельно включенных транзисторах будет равна:
Pamp.out = P±dB + 3> (2)
здесь Pamp.out — СВЧ выходная мощность, подаваемая в рабочую камеру (дБм), PldB — мощность точки компрессии по уровню 1 дБ каждого из двух транзисторов. Уровень мощности на входе усилителя мощности на двух транзисторах для работы в режиме насыщения должен составлять не менее: Pamp.in PldB 3 ^amp + ^div> (3)
где Pamp.in — минимальная мощность на входе (дБм), &атр — коэффициент усиления транзистора (дБ), Gdiv — вносимые потери делителя мощности (дБ).
Если мощность ЗГ менее Pamp.in, то требуется предварительный усилитель с коэффициентом усиления не менее
Gpr Р3Г Pamp.in, (4)
где Gpr — коэффициент усиления предварительного усилителя (дБ), РЗТ — минимальная выходная мощность задающего генератора (дБм).
В качестве примера рассмотрим структурную схему твердотельного источника СВЧ энергии (рис. 4), и проведём расчет её характеристик при использовании выпускаемых серийно полупроводниковых приборов.
Максимальная выходная мощность, поступающая в рабочую камеру источника СВЧ энергии, показанного на рис. 2, составляет около 500 Вт. Эта величина ограничена мощностью уровня компрессии выходных транзисторов (PldB). В данном случае выходная мощность сравнима с выходной мощностью технологических магнетронов, применяемых в бытовых СВЧ печах.
В качестве задающего генератора был выбран ЖИГ-генератор MLTO-50204 производства Micro Lambda Wireless, inc [14]. Его выходная мощность не превышает Рс = 10 ± 5 мВт (10 ± 3 дБм). Генератор может перестраиваться в диапазоне 2-4 ГГц в зависимости от управляющих напряжений на обмотках резонатора.
В качестве транзисторов оконечного усилителя можно рекомендовать приборы, показанные в таблице. В качестве примера рассмотрим транзисторы MHT1003N производства NXP (рис. 5).
Коэффициент усиления на частоте 2450 МГц каждого такого транзистора составляет G = 15,9 дБ, а максимальная выходная мощность PldB = 250 Вт. Для получения выходной мощности Робщ = 500 Вт (56,99 дБм) требуется суммировать выходные мощности двух транзисторов. Согласно (3), на входе усилителя мощности требуется обеспечить уровень входного сигнала не менее
Pampin = 56,99 — 3 — 15,9 + 3 = 41,09 дБм. Кроме того, в выходном спектре ЖИГ генератора имеются гармонические составляющие сигнала с частотами кратными выходной частоте, способные негативно повлиять на усилитель. Для их устранения обычно применяют фильтр нижних частот (2 на рис. 4) с частотой среза, находящейся в пределах /-¡,ен < Рср < 2Рген, где - частота среза
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Рис. 4. Структурная схема источника СВЧ энергии для установки СВЧ диэлектрического нагрева на твердотельных приборах: 1 — опорный генератор; 2 — фильтр нижних частот; 3 — предварительный усилитель; 4 — управляемый аттенюатор; 5 — делитель мощности; 6, 7 — усилители мощности; 8 — сумматор мощности; 9 — рефлектометр;
10 — детекторы СВЧ мощности прямой и обратной волн
фильтра, ^ен- основная частота генератора (или максимальная частота, если генератор работает в широкополосном режиме).
В данном случае мощность сигнала с выхода опорного генератора недостаточна для работы выходных транзисторов в режиме насыщения, при котором достигается максимальная выходная мощность. Необходим дополнительный предуси-литель СВЧ сигнала (3 на рис. 4), включаемый после СВЧ фильтра. Для рассчитываемой схемы источника СВЧ энергии, согласно (4), требуется предварительный усилитель с коэффициентом усиления не менее:
С„г = 41,09 — 10 = 31,09 дБ.
Рис. 5. Мощный кремневый 1.0М08 транзистор MHT1003N производства NXP для применения в технологических установках
Для гибкого управления технологическим процессом источник энергии может включать многоступенчатый СВЧ аттенюатор (4 на рис. 4) для регулировки выходной мощности СВЧ усилителя в широких пределах путём изменения управляющего напряжения на аттенюаторе. Если в установке предусмотрен широкополосный режим работы
[10], то от системы управления поступает управляющее напряжение на опорный генератор, осуществляя его перестройку в соответствии с алгоритмом работы системы управления.
Блок питания показанного на рис. 4 источника СВЧ энергии должен обеспечивать несколько питающих напряжений:
— выходных транзисторов (+26 В х 15,4 А, для каждого транзистора);
— задающего генератора (-5 В, +8 В);
— СВЧ предварительного усилителя (5-12 В, в зависимости от типа усилителя).
Для упрощения источника СВЧ энергии можно использовать только один выходной транзистор, что снизит требования к источнику питания. Такая замена возможна, если требуется более низкий уровень мощности энергии СВЧ в рабочей камере, который сможет обеспечить даже один прибор. Для увеличения выходной СВЧ мощности можно включать параллельно более двух выходных транзисторов, однако это приводит к большей сложности схемы и соответственно более высокой стоимости установки [15].
Полупроводниковые мощные СВЧ транзисторы могут быть использованы в качестве источника энергии СВЧ установок диэлектрического нагрева и имеют преимущества перед традиционными СВЧ генераторами на магнетронах. Для построения такого источника энергии требуется задающий генератор и усилитель мощности.
Важной задачей при проектировании твердотельного источника СВЧ энергии является верный расчёт схемы СВЧ усилителя для достижения требуемой выходной мощности СВЧ энергии в рабо-
чей камере. Предложенная методика расчёта позволяет определить необходимые значения параметров полупроводниковых приборов для достижения требуемой выходной мощности.
Приведенный пример расчёта показывает, что современные полупроводниковые приборы позволяют добиться выходной мощности в нагрузке, сравнимой с выходной мощностью магнетрона (~ 500 Вт) при параллельном включении двух транзисторов. Приведён перечень выпускаемый мощных СВЧ транзисторов, рекомендуемых для применения в установках СВЧ диэлектрического нагрева.
1. Архангельский, Ю. С. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов / Ю.С. Архангельский, Н.И. Девяткин. — Саратов: Изд-во Саратов. ун-та, 1983. — 140 с.
2. Архангельский, Ю.С. Рабочая камера СВЧ электротехнологической установки для модификации полимерных волокон / Ю.С. Архангельский, С.Г. Калганова // Вестник СГТУ «Энергетика и электротехника». — 2004. — № 1 (2). — С. 86-90.
3. Архангельский, Ю.С. Элементная база СВЧ электротермического оборудования /Ю.С. Архангельский, В.А. Воронкин. — Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2003. — 212 с.
4. Колесников, Е.В. Проектирование электротехнологических установок: моногр. / Е.В. Колесников; под общ. ред. Ю.С. Архангельского. -Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. — 283 с.
5. Архангельский, Ю.С. Справочная книга по СВЧ электротермии / Ю.С. Архангельский. — Саратов: Науч. кн., 2011. — 560 с.
6. Федоров, А.В. Применение сверхвысокочастотных электронных приборов в установках ди-
электрического нагрева / А.В. Федоров, Ю.С. Архангельский // Вопросы электротехнологии. -2017. — № 2 (15). — С. 80-86.
7. Mackay, A.B. Frequency agile sources for microwave ovens / A.B. Mackay, W.R. Tinga, W.A.G. Voss // Journal of Microwave Power & Electromagnetic Energy. — 1979. — Vol. 14. — P. 63-76.
8. Voss, W.A.G. Solid state microwave oven development / W.A.G. Voss // Journal of Microwave Power & Electromagnetic Energy. — 1986. — Vol. 21. -P. 188-189.
9. Продукция компании «Ampleon» // Официальный сайт фирмы «Ampleon». — http://www. ampleon.com (дата обращения: 14.11.2017).
10. Продукция компании NXP // Официальный сайт фирмы NXP® Semiconductors. — http://www. nxp.com (дата обращения: 14.11.2017).
11. Федоров, А.В. Установки СВЧ диэлектрического нагрева с перестраиваемой частотой /
A.В. Федоров //Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». — 2017. — № 4 (57). — С. 106-113.
12. Федоров, А.В. Улучшение параметров СВЧ рабочей камеры с бегущей волной путём перестройки частоты СВЧ генератора / А.В. Федоров, Ю.С. Архангельский // Вопросы электротехнологии. — 2017. — № 1 (14). — С. 36-39.
13. Ченакин, А. ГУН или ЖИГ? Проблема выбора при проектировании высококачественного синтезатора с ФАПЧ/А. Ченакин // Электроника НТБ. — 2012. — № 6 (120). — С. 118-122.
14. Кувшинов, В. ЖИГ-генераторы и синтезаторы частот компании Micro Lambda Wireless /
B. Кувшинов, А. Майстренко // Компоненты и технологии. — 2015. — № 9. — С. 34-38.
15. Colantonio, P. High Efficiency RF and Microwave Solid State Power Amplifier / P. Colantonio, F. Giannini, E. Limiti. — John Wiley & Sons Ltd., 2009. — 511 p.
Федоров Антон Витальевич, аспирант кафедры «Электроснабжение и электротехнология (ЭЛЭТ)», Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А., г. Саратов; faraday@nxt.ru.
Поступила в редакцию 20 ноября 2017 г.
SOLID STATE RF ENERGY SOURCES OF DIELECTRIC HEATING INSTALLATIONS
A.V. Fedorov, faraday@nxt.ru
Yuri Gagarin Saratov State Technical University of Saratov, Saratov, Russian Federation
Energy sources for RF heating installations are often based on the vacuum generators — magnetrons, however, such sources of microwave energy have certain disadvantages. As an alternative option for a magnetron-based energy source, the scheme of a new energy source of microwave dielectric heating based on semiconductor
devices (solid-state microwave generators) is presented in this paper. It is shown that a solid-state source of RF energy has advantages compared with magnetron-based energy sources of dielectric heating installations: the possibility of gradual changes in the level of generated power and lower voltages power supply. In addition, the solidstate generator allows one to build a broadband microwave dielectric heating installation. The article provides recommendations for the use of semiconductor devices as a reference generator and a powerful amplifier of microwave energy. By applying the recommendations, a solid-state energy source was calculated on the basis of commercially available semiconductor devices. In addition, a microwave power solid state generator is designed comparable with magnetron-based energy sources in terms of their power.
Keywords: dielectric heating, RF power source, dielectric heating installation, solid-state RF generator, magnetron, RF transistor.
1. Arkhangelskiy Yu.S., Devyatkin N.I. Sverkhvysokochastotnye nagrevatel’nye ustanovki dlya intensifikatsii tekhnologicheskikh protsessov [Ultra-high-frequency Heating Plants for the Intensification of Technological Processes]. Saratov, Saratov University Publ., 1983. 140 p.
2. Arkhangelskiy Yu.S., Kalganova S.G. [The Working Chamber of The Microwave Electrotechnological Installation for Updating Polymeric Fibres]. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Vestnik Saratov State Technical University], 2004, no. 1 (2), pp. 86-90. (in Russ.)
3. Arkhangelskiy Yu.S., Voronkin V.A. Elementnaya baza SVCh elektrotermicheskogo oborudovaniya [Element Base of Microwave Electrothermal Equipment]. Saratov, 2003. 212 p.
4. Kolesnikov E.V.; Arkhangelskiy Yu.S. (Ed.) Proektirovanie elektrotekhnologicheskikh ustanovok [Design of Electrotechnological Installations]. Saratov, 2006. 283 p.
5. Arkhangelskiy Yu.S. Spravochnaya kniga po SVCh elektrotermii [Reference Book on Microwave Electrothermy]. Voronezh, Nauchnaya Kniga Publ., 2011. 560 p.
6. Fedorov A.V., Arkhangelskiy Yu.S. [Application of Microwave Electronic Devices for Dielectric Heating Units]. Voprosy elektrotekhnologii [Electrotechnology Problems], 2017, no. 2 (15), pp. 80-86. (in Russ.)
7. Mackay A.B., Tinga W.R., Voss W.A.G. Frequency Agile Sources for Microwave Ovens. Journal of Microwave Power & Electromagnetic Energy, 1979, vol. 14, pp. 63-76.
8. Voss W.A.G. Solid State Microwave Oven Development. Journal of Microwave Power & Electromagnetic Energy, 1986, vol. 21, pp. 188-189.
9. Ampleon official site. Available at: http://www.ampleon.com (accessed 14.11.2017).
10. NXP® Semiconductors official site. Available at: http://www.nxp.com (accessed 14.11.2017).
11. Fedorov A.V. [Installation of Microwave Dielectric Heating with Tunable Frequency]. Vestnik of Samara State Technical University, 2017, no. 4 (57), pp. 106-113. (in Russ.)
12. Fedorov A.V., Arkhangelskiy Yu.S. [Improving Parameters of the Working Chamber with the Traveling Wave of the Microwave Frequency by Tuning the Microwave Oscillator]. Voprosy elektrotekhnologii [Electrotechnology Problems], 2017, no. 1 (14), pp. 36-39. (in Russ.)
13. Chenakin A. VCO or YIG? Selection Problem in the Process of Developing High Quality Synthesizer with PLL. Elektronika: NTB [Electronics: STB], 2012, no. 6 (120), pp. 118-122. (in Russ.)
14. Kuvshinov V., Maistrenko A. [Iron-yttrium Garnet Generators and Frequency Synthesizers of MicroLambda Wireless Company]. Komponenty i tekhnologii [Components & Technologies], 2015, no. 9, pp. 34-38. (in Russ.)
15. Colantonio P, Giannini F., Limiti E. High Efficiency RF and Microwave Solid State Power Amplifier. John Wiley & Sons Ltd, 2009. 514 p.
Received 20 November 2017
Федоров, А.В. Твердотельные источники энергии установок СВЧ диэлектрического нагрева / А.В. Федоров // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». — 2018. — Т. 18, № 1. — С. 68-74. DOI: 10.14529/power180109
Fedorov A.V. Solid State RF Energy Sources of Dielectric Heating Installations. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2018, vol. 18, no. 1, pp. 68-74. (in Russ.) DOI: 10.14529/power180109