Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

КОАКСИАЛЬНЫЙ СВЧ-АДАПТЕР ПЕЧНОГО МАГНЕТРОНА - Патент РФ 2161841
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
КОАКСИАЛЬНЫЙ СВЧ-АДАПТЕР ПЕЧНОГО МАГНЕТРОНА
КОАКСИАЛЬНЫЙ СВЧ-АДАПТЕР ПЕЧНОГО МАГНЕТРОНА

КОАКСИАЛЬНЫЙ СВЧ-АДАПТЕР ПЕЧНОГО МАГНЕТРОНА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Настоящее изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к элементам линии передачи СВЧ-энергии. В более узком приложении изобретение относится к СВЧ-разъему, предназначенному для соединения выходного устройства магнетрона с коаксиальным трактом, канализирующим СВЧ-энергию к возбудителю безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампы, рабочей камеры микроволновой печи или к иной СВЧ-нагрузке, характеризующейся высоким коэффициентом отражения и значительными изменениями величины его и фазы. Техническим эффектом является создание малогабаритного СВЧ-адаптера с одновременным обеспечением им устойчивой работы с высокой надежностью магнетрона на различные рассогласованные нагрузки и удовлетворением требований по ограничению уровней паразитных излучений и гармоник. Устройство имеет вход и выход и содержит наружный проводник, контактирующий на входе адаптера с прижимным фланцем и выводом энергии магнетрона, внутренняя поверхность наружного проводника на входе адаптера имеет по меньшей мере один азимутально замкнутый участок длиной li вдоль оси адаптера и постоянным или переменным диаметром Di, величины которых выбираются из приведенных соотношений. На выходе адаптера выполнен дроссель в виде по крайней мере одной кольцевой канавки, глубина которой выбрана из приведенных соотношений. 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2161841
Класс(ы) патента: H01J23/36, H01P5/02
Номер заявки: 99114736/09
Дата подачи заявки: 06.07.1999
Дата публикации: 10.01.2001
Заявитель(и): Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина"
Автор(ы): Шлифер Э.Д.
Патентообладатель(и): Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина"
Описание изобретения: Настоящее изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и, в частности, к элементам линий передачи СВЧ-энергии. В более узком приложении изобретение относится к СВЧ-разъему, предназначенному для соединения выходного устройства магнетрона с коаксиальным трактом, канализирующим СВЧ-энергию к возбудителю безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампы, рабочей камеры микроволновой печи или к иной СВЧ-нагрузке, характеризующейся высоким коэффициентом отражения и значительными изменениями величины его и фазы.
Известно, что наиболее широко используемым источником СВЧ-энергии, применяемым в промышленных, бытовых и иных микроволновых печах является магнетрон непрерывного действия (далее в описании - "печной магнетрон"). Печные магнетроны все более широко используются и в качестве генераторов накачки СВЧ-газоразрядных источников оптического излучения в видимой и ультрафиолетовой частях спектра. Во всех этих применениях особенностью условий работы магнетрона является то, что его нагрузка оказывается переменной и несогласованной - создающей значительные отражения СВЧ-энергии. Магнетроны вообще и печные магнетроны в частности реагируют на эти отражения изменениями (в том числе скачкообразными) частоты и мощности генерируемых колебаний, а также изменениями режима работы (напряжения, тока и температуры анода), возникновением паразитной генерации и соответственно излучением побочных колебаний, в том числе таких уровней мощности, которые превышают допустимые нормы. Все эти нестабильности обуславливают снижение надежности, качества и долговечности, а в худшем случае могут привести к катастрофическому отказу (необратимому выходу из строя) собственно магнетрона, источника питания и аппаратуры (системы) в целом. Однако даже в отсутствие катастрофической ситуации превышение нормируемых уровней побочных колебаний и гармоник может оказаться фактором, определяющим непригодность (нормативную недопустимость) устройства к эксплуатации.
Поэтому ряд технических решений (как уже известных, так и разрабатываемых) имеют своей целью обеспечение устойчивой безотказной работы магнетрона при переменной несогласованной нагрузке, а также подавление паразитной генерации или помеховых сигналов.
Не конкретизируя эти технические решения, отметим, что они могут быть условно классифицированы как:
1) внутриламповые, реализуемые в конструкции собственно магнетрона;
2) внеламповые, реализуемые в конструкции элементов и узлов, электродинамически связанных с магнетроном (во внешних СВЧ-трактах, в рабочих камерах и СВЧ-резонаторах, в их возбудителях, в СВЧ-адаптере и т.п.);
3) схемотехнические, реализуемые в цепях питания, защиты, управления режимом.
Из перечисленных "классов" технических решений, отвечающих вышеуказанной цели, применительно к предмету изобретения наиболее близок второй как не предусматривающий вторжения в конструкцию собственно магнетрона, но относящийся к СВЧ-устройству.
Так, широко известным средством, обеспечивающим устойчивость работы магнетрона при рассогласованных переменных нагрузках является введение в СВЧ-тракт невзаимных развязок (обычно ферритовых вентилей или циркуляторов). Частным примером такого технического решения является использование ферритового вентиля в волноводном тракте СВЧ-накачки безэлектродной газоразрядной лампы, устройство возбуждения которой представлено в патенте США N 5448135 от 05.09.1995 г. - автор J.E. Simpson [1]. В данном примере, как и во множестве ему подобных, ферритовый вентиль введен в СВЧ-тракт, который соединен с магнетроном посредством СВЧ-адаптера.
Ферритовые развязки, хотя и весьма эффективны, но серьезно удорожают установку, влекут за собой увеличение массы и габаритов и требуют принятия мер по охлаждению. Поэтому ферритовые развязки находят ограниченное применение в микроволновых печах и устройствах СВЧ-накачки безэлектродных источников оптического излучения.
Современный уровень СВЧ-техники позволяет во многих случаях отказаться от ферритовых развязок за счет использования локальных рассогласователей (штырей, диафрагм, шлейфов и т.п.) непосредственно в СВЧ-тракте или в СВЧ-адаптере. При этом требуется тщательный подбор импеданса и местоположения рассогласователя с тем, чтобы "приведенная" переменная нагрузка магнетрона не выходила за пределы, в которых еще обеспечивается устойчивая работа магнетрона при достаточно высоком КПД.
Подавляющее большинство печных магнетронов имеет конструкцию выходного устройства, предусматривающего использование волноводного адаптера, представляющего собой отрезок прямоугольного волновода, в который погружен антенный излучатель вывода энергии магнетрона через отверстие в широкой стенке волновода. Тем самым образуется коаксиально-волноводный переход "зондового" типа, давно и широко известный в СВЧ-технике (см., например, [2]). Перечисленные выше локальные рассогласователи в волноводной части в различных формах исполнения также известны [2].
Что же касается коаксиальных СВЧ-адаптеров, то наиболее близким (по цели и исполнению) к предлагаемому нами устройству является компактный коаксиальный адаптер СВЧ-возбудителя безэлектродных ламп (источников оптического излучения, питаемых от печного магнетрона) по патенту США N 5525865, кл. 315-39 (H 01 J 65/04), от 11.06.1996 г. - автор J.E. Simpson [3].
Этот адаптер (с учетом и других общеизвестных технических решений) следует принять за прототип.
Конструктивными особенностями прототипа является следующее.
1. Наличие в коаксиальном СВЧ-адаптере наружного проводника, контактирующего на входном участке с магнетроном. При этом излучающая антенна вывода энергии магнетрона, соосная с указанным наружным проводником, образует центральный проводник коаксиальной линии на входном участке адаптера.
2. Наличие на выходе адаптера рабочего СВЧ-резонатора с возбудителем безэлектродной газоразрядной лампы. При этом СВЧ-резонатор содержит участок коаксиального тракта, наружный проводник которого образован светопрозрачной (сетчатой) стенкой, окружающей лампу. От режима работы лампы (от предстартового до стационарного) зависят параметры переменной нагрузки на выходе адаптера, а следовательно, и нагрузки, "приведенной" к входу адаптера, т.е. к излучающей антенне вывода энергии магнетрона.
3. Наличие гальванически или электродинамически связанного с выводом энергии участка центрального проводника - удлинителя антенны вывода энергии. Указанный удлинитель введен в конструкцию в качестве элемента, выбором длины которого осуществляется регулировка "приведенной" нагрузки (импеданса), т.е. подбираются модуль и фаза коэффициента отражения, обеспечивающие приемлемую устойчивость работы магнетрона при переменной СВЧ-нагрузке на выходе адаптера.
Таким образом, согласно [3] коаксиальный адаптер, возбудитель безэлектродной лампы и рабочий резонатор - это единое устройство.
Достоинства прототипа по [3] - это прежде всего:
относительная малогабаритность и малая масса;
возможность регулировки импеданса приведенной нагрузки без вмешательства в конструкцию собственно магнетрона;
отсутствие необходимости в применении ферритовых развязок, коаксиально-волноводных переходов и волноводных адаптеров.
Недостатки прототипа состоят в следующем.
Во-первых, устройство прототипа по существу неуниверсально и монофункционально - оно предусматривает возможность общей компоновки и настройки импеданса нагрузки только в сочетании с конкретными типом, формой и наполнителями безэлектродной лампы и конкретными же длинами возбудителя и рабочего СВЧ-резонатора.
Во-вторых, использование в качестве элемента, регулирующего "приведенный" импеданс нагрузки, удлинителя антенны вывода энергии магнетрона при выборе длины этого элемента влечет за собой необходимость изменения длин и других элементов адаптера (в частности, наружного проводника), но не предусматривает введения локального рассогласователя импеданса. Это означает, что резко переменная СВЧ-нагрузка (ее модуль и фаза), обусловленная различными режимами безэлектродной лампы, будет восприниматься магнетроном так же, как резкопеременная, характеризующаяся значительными изменениями как модуля, так и фазы коэффициента отражения.
Следовательно, неустойчивость работы магнетрона и вытекающая из этого вероятность генерирования паразитных колебаний и гармоник в прототипе не предотвращаются.
В-третьих, ни конструкция коаксиального адаптера как целого, ни конструкция СВЧ-тракта и возбудителя не содержат каких бы то ни было средств подавления или фильтрации побочных колебаний (ПК) и гармоник несущей частоты, тогда как светопрозрачная стенка рабочего СВЧ-резонатора без электродной лампы, являясь практически СВЧ-непрозрачной на рабочей частоте, становится тем СВЧ-прозрачней, чем выше частота электромагнитных колебаний. В частности, в прототипе чем выше номер гармоники n, тем более значительным становится "просачивание" излучений из СВЧ-резонатора в окружающую среду (в "эфир") на частоте этой гармоники. Как известно, применительно к микроволновым печам и печным магнетронам, работающим на частоте 2450 МГц, наиболее жесткие нормативные требования к подавлению СВЧ-излучений предъявляются на частоте пятой гармоники (n=5), ибо эти излучения создают помехи спутниковому телевидению.
Рост указанных требований по ограничению уровней помеховых излучений (требований по электромагнитной совместимости - ЭМС) приводит к тому, что внутриламповая фильтрация, например, за счет введения дросселя для пятой гармоники в выходное устройство магнетрона (см. заявку Японии N 62-223945, заявл. 26.03.86; авторы Кусано Дзиро и др. [4]) может оказаться недостаточной, особенно если одновременно не введены средства, повышающие устойчивость работы магнетрона. Кроме того, далеко не во всех серийно выпускаемых типах печных магнетронов реализовано устройство фильтрации по [4]. Поэтому отсутствие в прототипе [3] устройств подавления ПК и гармоник существенно ограничивает перспективы его использования.
Указанные недостатки являются принципиальными.
Еще один недостаток, заслуживающий быть отмеченным, относится в большей степени к описанию прототипа [3], нежели к самому патентуемому устройству. Так, текст описания и все иллюстрации [3] отражают по существу идеологию построения устройства и варианты его исполнения, но не конструкцию, которая в представленных на чертежах конкретных видах практически несобираема.
Если бы удалось создать конструкцию СВЧ-адаптера, содержащую такую совокупность средств, которая обеспечивала бы сведение к минимуму одновременно всех трех вышеуказанных принципиальных недостатков известных устройств без серьезной утраты их достоинств, то в деле построения современных осветительных и облучательных установок на базе СВЧ-газоразрядных безэлектродных источников оптического излучения был бы сделан значительный шаг вперед.
Обобщенной целью настоящего изобретения является создание компактного (малогабаритного) СВЧ-адаптера печного магнетрона с одновременным обеспечением им устойчивой работы (с высокой надежностью) магнетрона (без дополнительных развязок и фильтров) на различные рассогласованные нагрузки (будь то рабочие камеры микроволновых печей или возбудители и резонаторы осветительных и облучательных устройств на безэлектродных газоразрядных лампах) и удовлетворением нормативно ужесточающихся требований ЭМС по ограничению уровней паразитных излучений и гармоник всей системы от генератора до нагрузки.
Идеология построения СВЧ-адаптера, отвечающего сформулированной обобщенной цели, предусматривает введение в предлагаемое устройство совокупности функционально обособленных, но конструктивно и электродинамически совместимых элементов, сочетание которых обуславливает достижение наибольшего эффекта.
Технические результаты, которые могут быть получены при осуществлении изобретения заключаются в следующем:
а) одновременном с минимизацией габаритов и массы устройства достижении оптимального импеданса "приведенной" к магнетрону нагрузки и, соответственно, обеспечении устойчивой работы магнетрона и системы в целом при стабильном уровне СВЧ-мощности, высоком КПД и при существенно сниженных уровнях излучений на частотах побочных колебаний (ПК) и гармоник;
б) повышении потребительских качеств системы в целом.
Указанный технический результат и общая цель изобретения достигается тем, что в коаксиальном СВЧ-адаптере печного магнетрона, имеющем вход и выход и содержащем наружный проводник, контактирующий на входе адаптера с прижимным фланцем и выводом энергии магнетрона, внутренняя поверхность наружного проводника на входе адаптера имеет по меньшей мере один азимутально замкнутый участок длиной li вдоль оси адаптера и постоянным или переменным диаметром Di, величины которых выбираются из соотношений
λ/20 ≅ li ≅ λ/6;
Di ≥ 1.1 Dизл,
где λ - рабочая длина волны печного магнетрона;
Dизл - наружный диаметр излучающего СВЧ-окна в выводе энергии магнетрона;
i=1,2...m - порядковый номер участка,
а на выходе адаптера - СВЧ-дроссель в виде по крайней мере одной кольцевой канавки глубиной hк, выбранной из соотношений
hк = λ/(4n)
для n-й гармоники рабочей частоты и
hк = λПК/4
для побочного колебания с длиной волны λПК.
Граничные значения для li и Di в указанных соотношениях установлены нами расчетно-экспериментальным методом на основании прямых испытаний и расчетов, учитывающих известные, в том числе паспортные, характеристики множества обследованных печных магнетронов, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью.
При li < λ/20 участок li (а на рабочей длине волны печных магнетронов λ = 12.2 см, li = λ/20 ≈ 0.6 см, хотя и оказывает влияние на модуль и фазу результирующего коэффициента отражения, однако относительно большее влияние оказывают неопределенные краевые эффекты на границах участка li, что приводит к разбросу результатов от экземпляра к экземпляру.
При li > λ/6 адаптер становится громоздким, без ощутимого выигрыша в части управления модулем и фазой результирующего коэффициента отражения.
Выбор минимального диаметра Di ≥ 1.1 Dизл обусловлен двумя факторами:
а) пробивной прочностью промежутка между металлическими деталями вывода энергии магнетрона и адаптера;
б) чувствительностью модуля и фазы результирующего коэффициента отражения к возможным эксцентриситетам и перекосам в расположении вывода энергии магнетрона относительно адаптера при их сборке.
Достижение поставленной цели и технического результата во всей их полноте обусловлено использованием именно совокупности перечисленных конструктивных признаков (элементов), как это было отмечено выше, при формулировании общей идеологии построения СВЧ-адаптера. Некоторые акценты, относящиеся к функциональным особенностям элементов конструкции и выбору их формы, размеров и местоположения, мы расставим при детальном описании конструкции в целом.
Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции коаксиального СВЧ-адаптера с уровнем техники и отсутствие описания аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна". Заявленное устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".
На фиг. 1 показано в продольном разрезе устройство коаксиального адаптера в сборе.
На фиг. 2 показаны устройства в упрощенном варианте исполнения со сменными рассогласователями импеданса.
На фиг. 3 показана эквивалентная схема импедансов и векторная диаграмма коэффициентов отражения для "приведенной" к магнетрону нагрузки.
На фиг. 1 в соответствии с идеей и целями изобретения представлена конструкция предложенного устройства в основном варианте исполнения, наиболее полно отражающем реализуемые в нем особенности и возможности. Для наглядности устройство показано состыкованным (контактирующим) как с генератором, так и с "нагрузкой", что облегчает его восприятие именно в качестве СВЧ-адаптера.
Так, СВЧ-адаптер 1 включает в себя выходной полый цилиндр 2 и входной полый цилиндр 3, скрепленные между собой соосно несущей цилиндрической трубкой 4. Выходной цилиндр 2 снабжен соосной втулкой 5. Перечисленные позиции 2, 3, 4, 5 в сборе образуют наружный проводник коаксиального адаптера 1. При этом термомеханический контакт выходного цилиндра 2 и входного цилиндра 3 с несущей трубкой 4 осуществлен по поверхностям непосредственного соприкосновения, а СВЧ-контакт позиций 2 и 3 выполнен дроссельным, состоящим из двух четвертьволновых участков 6 и 7. Втулка 5, жестко состыкованная с выходным цилиндром 2 (для конкретности, посредством резьбового соединения) имеет внутренний диаметр, соответствующий диаметру наружного проводника внешнего коаксиального СВЧ-тракта 8, центральный проводник которого 9 снабжен участком 10, образующим центральный же проводник коаксиального адаптера 1. Внешний коаксиальный тракт 8 в представленном на фиг. 1 исполнении является линией передачи СВЧ-энергии накачки к безэлектродной газоразрядной лампе 11. Нагрузка адаптера 1, не меняя сущности изобретения и конструкции собственно адаптера 1, может быть иной, например, в виде рабочей камеры микроволновой печи, не показанной на фиг.1. В этом, и не только в этом случае, адаптер 1 закрепляется, например, на стенке 12 прижимом 13. Независимо от того, что именно является нагрузкой на выходном участке внешнего коаксиального тракта 8 и адаптера 1, на его входном участке, в частности, со стороны входного цилиндра 3 расположен источник СВЧ-энергии - печной магнетрон 14. Поскольку магнетрон 14 - это самостоятельный (съемный, заменяемый) объект, то на фиг. 1 показаны только те элементы его конструкции, которые существенны для понимания устройства СВЧ-адаптера 1 и его работы. Так, типичному печному магнетрону 14 принадлежит выходное устройство (вывод энергии) 15, включающее в себя антенну 16, манжету 17, СВЧ-прозрачный изолятор 18 (излучающее СВЧ-окно диаметром Dизл), колпачок 19 со штенгелем 20, вакуумно-плотно "перекушенным" вместе с антенной 16 и контактирующим с колпачком 19. Колпачок 19, СВЧ-прозрачный изолятор 18 и манжета 17 ограничивают вакуумную полость магнетрона 14, в который ни один из элементов адаптера 1, как видно из фиг. 1, не вторгается. Контактное разъемное соединение центрального проводника 9 внешнего коаксиального СВЧ-тракта 8 с колпачком 19 вывода энергии 15 магнетрона 14 осуществлено посредством участка 10, имеющего цанговый посадочный конец с продольными разрезами 21.
Соединение входного цилиндра 3 с магнетроном 14 осуществлено традиционным путем - через плетеную упругую контактную прокладку 22 прижимным фланцем 23 и стяжками 24. В осуществление идеи изобретения во входном цилиндре 3 адаптера 1 выполнен ступенчатый рассогласователь 25 импедансов с волновым сопротивлением, неравным волновому сопротивлению внешнего коаксиального тракта 8, расположенный соосно с выводом энергии 15 магнетрона 14 и, в частности, соосно с антенной 16 и СВЧ-прозрачным изолятором 18. Одновременно осуществлена соосность и с внешним коаксиальным трактом 8. Показанная на фиг. 1 ступенчатая цилиндрическая форма рассогласователя 25 является частным случаем. Общий же случай исполнения рассогласователя 25, отвечающий идее изобретения и ее конструктивному воплощению, следует характеризовать наличием по меньшей мере одного азимутально замкнутого участка длиной li вдоль оси адаптера и постоянным или переменным диаметром Di.
На фиг. 1 для конкретности рассогласователь показан выполненным непосредственно в теле выходного цилиндра 3 и содержащим два участка в виде ступеней 26 и 27, различающихся между собой осевыми длинами l1, l2 и диаметрами D1, D2 (см. фиг. 2). Так же соосно с выводом энергии 15 и соответственно с участками в виде ступенек 26 и 27 в СВЧ-адаптере 1 со стороны, противолежащей входному цилиндру 3, а именно между выходным цилиндром 2 и втулкой 5, выполнен заградительный СВЧ-дроссельный фильтр ПК и гармоник 28, имеющий форму кольцевой канавки со средней глубиной hк. В приведенном конкретном исполнении эта канавка 28 образована выбором соответствующих конфигураций и размеров стыкующихся между собой втулки 5 и выходного цилиндра 2. Однако, не меняя сути изобретения, указанный заградительный фильтр ПК и гармоник может быть выполнен в виде канавки 28, выточенной непосредственно в теле цельной детали, объединяющей в себе и выходной цилиндр 2, и втулку 5.
Более того, не меняя сути изобретения и базовой идеологии построения СВЧ-адаптера, указанный СВЧ-дроссельный заградительный фильтр ПК и гармоник может быть выполнен в виде двух и более коаксиально расположенных канавок 28, отличающихся, естественно, диаметрами и глубиной hк, выбранной в соответствии с решаемой задачей (на фиг. 1, 2 не показано). Следует лишь для примера указать, что если одна из канавок выполнена, скажем, для фильтрации n-й гармоники рабочей частоты, то глубина (hк)n должна быть выбрана (hк)n ≈ λ/(4n), где λ - рабочая длина волны, а другая коаксиальная канавка 28 выполняется для фильтрации не гармоники, а какого-либо нежелательного побочного колебания, генерируемого магнетроном на длине волны λПК, то глубина этой второй канавки 28 должна быть выбрана
(hк)ПК ≈ λПК/4.
Таким образом, может быть выполнен набор множества разноглубоких коаксиальных канавок 28 на выходе адаптера 1 (например, в выходном цилиндре 2).
Иными словами, без увеличения габаритов СВЧ-адаптера 1 предложенное устройство допускает возможность существенно "очистить" спектр выходного сигнала СВЧ от нежелательных составляющих и на частотах четных и нечетных гармоник, и на частотах различных паразитных колебаний. Это означает, что если, несмотря на действие рассогласователя импедансов 25, повышающего устойчивость возбуждения и поддержания рабочего вида колебaний магнетрона, в спектре СВЧ-излучения последнего все же возникают составляющие ПК, требующие (в соответствии с нормами ЭМС) более глубокого подавления (фильтрации), то в СВЧ-адаптере 1 соответствующим выбором глубины канавки 28 (hк)ПК эта фильтрация оказывается осуществимой. Иными словами, наличие в едином адаптере 1 сочетания элементов 25 и 28 как бы "усиливает" эффективность его функционирования. В этом свете можно констатировать, что для достижения поставленной цели именно сочетание обоих элементов 25 и 28 является необходимым и достаточным, тогда как наличие каждого в отдельности необходимо, но недостаточно.
Возвращаясь к фиг. 1 и 2, продолжим рассмотрение.
Некоторые особенности построения рассогласователя 25 импеданса, заградительного фильтра 28 и СВЧ-адаптера 1 в целом более наглядно и упрощенно представлены на фиг. 2, где сохранены обозначения позиций, соответствующих показанным на фиг. 1.
На фиг. 2 показано бездроссельное сочленение выходного цилиндра 2 и входного цилиндра 3, в котором выполнены два азимутально замкнутых цилиндрических участка в виде ступенек 26 и 27 с различными волновыми сопротивлениями, не равными волновому сопротивлению внешнего тракта 8, с диаметрами D1 и D2 и соответственно длиной l1, l2.
Указанные азимутально замкнутые участки могут иметь различную конфигурацию, например, с радиусами округления (R, r), как показано на фиг. 2б, и переменными диаметрами (фиг. 2в) и т.п. Исполнение, показанное на фиг. 2, позволяет при подборе импеданса рассогласователя 25 производить оперативную замену позиций 3 за счет резьбового сочленения с выходным цилиндром 2. Последнее не является принципиальным в конструкции адаптера, как не является принципиальным наличие именно двух участков в рассогласователе.
Важным является получение требуемого импеданса рассогласователя с тем, чтобы переменный импеданс нагрузки (пересчитанный из внешнего тракта 8 к "клеммам" рассогласователя) и фиксированный импеданс рассогласователя в совокупности обеспечили ограниченно меняющуюся приведенную нагрузку магнетрона.
Как показали расчет и эксперимент (методика и техника осуществления которых общеизвестны и потому здесь не рассматриваются), длина участка li (l1 и l2 - если их два) должна находиться в пределах λ/20 ≅ li ≅ λ/6, где λ - рабочая длина волны магнетрона. При этом независимо от того, на какую конкретную нагрузку (камера микроволновой печи, безэлектродная газоразрядная лампа) работает система магнетрон-адаптер, обеспечивается устойчивая работа магнетрона. Ниже работа предлагаемого устройства будет рассмотрена и проиллюстрирована конкретной схемой и векторной диаграммой (фиг. 3а,б). Возвращаясь же к фиг. 1, 2, отметим, что в обеспечение второй важной функции СВЧ-адаптера 1, а именно фильтрации гармоник рабочей частоты и/или ПК, глубина канавки 28, являющейся заградительным фильтром, как отмечено выше, должна быть выбранa равной четверти длины волны фильтруемой гармоники, т.е. hк = λ/4n, где n - номер гармоники либо соответственно четверти длины волны фильтруемого ПК(hк = λПК/4).
Предложенное устройство (фиг. 1) работает следующим образом. При работе магнетрона 14 СВЧ-энергия на рабочей частоте (ей соответствует длина волны λ) из выходного устройства 15 поступает в СВЧ-адаптер 1, излучаясь антенной 16 и проникая через СВЧ-прозрачный изолятор 18. В адаптере 1 возбуждается ТЕМ-волна и соответственно продольные СВЧ-токи протекают по центральному проводнику (от антенны 16 через гальванический контакт колпачка 19 с участком 10) и по наружному проводнику, образованному манжетой 17 выходного устройства 15, участками-ступенями 26, 27 входного цилиндра 3, внутренней поверхностью выходного цилиндра 2 и втулки 5. При этом СВЧ-токи наружного проводника беcпрепятственно пересекают дроссельный СВЧ-контакт цилиндров 3 и 2, канавки 28 (заградительный фильтр гармоник и ПК), не оказывающий существенного влияния на рабочей частоте, поскольку глубина канавки 28 относительно невелика, например, для пятой гармоники hк = λ/20. Далее ТЕМ-волна распространяется по внешнему коаксиальному тракту 8 к нагрузке, например, к безэлектродной газоразрядной лампе 11.
На пути распространения ТЕМ-волны последняя испытывает в основном два вида отражений:
первое - от фиксированного рассогласователя 25;
второе - от переменной нагрузки.
Это может быть представлено эквивалентной схемой и векторной диаграммой фиг. 3а,б. Так, на упрощенной эквивалентной схеме фиг. 3а, приведенной к условным клеммам а-а (на входе адаптера) представлен результирующий импеданс, на который работает магнетрон. Этот результирующий импеданс содержит переменную ZH и фиксированную Zp слагающие, относящиеся соответственно к изменяющейся нагрузке тракта 8 и к нагрузке, создаваемой собственно рассогласователем 25 в адаптере 1. Этот результирующий импеданс при работе магнетрона с предложенным адаптером обеспечивает ограниченный диапазон воспринимаемых магнетроном изменений результирующего коэффициента отражения по модулю и фазе, что видно из векторной диаграммы на фиг. 3, где коэффициент отражения нагрузки принят постоянным по модулю (наибольшим из возможных |ГН| = |ГН|max = const), но с фазой ϕН, меняющейся в пределах 0-360o, а коэффициент отражения рассогласователя - условно неизменным по модулю и фазе ϕ.
Таким образом, осуществляется стабильная работа магнетрона на переменную нагрузку в выбранной рабочей зоне. Однако в спектре генерируемых колебаний остаются нежелательные "сигналы", в частности, сигналы на частотах гармоник и ПК, которые собственно рассогласователем не подавляются и проходят в адаптер. СВЧ-токи, например, n-й гармоники, требующей фильтрации, возбуждают заградительный фильтр, канавку 28, и поскольку его глубина hк выбрана равной четверти длины волны этой n-й гармоники, входное сопротивление фильтра устремляется к бесконечности, т.е. распространение волны на частоте n-й гармоники из адаптера во внешний тракт (т.е. к нагрузке) не происходит. Аналогичным образом фильтруются ПК, если имеются канавки глубиной λПК/4.
Итак, конструкция и действие предложенного коаксиального СВЧ-адаптера печного магнетрона обеспечивают одновременно и устойчивую генерацию на рабочей частоте, и фильтрацию (внеламповую) сигнала нежелательных гармоник и ПК.
Список литературы
1. Патент США N 5448135 от 05.09.1995 г., автор J.E. Simpson.
2. "Линии передачи сантиметровых волн", перевод с англ./ Под редакцией Г.А. Ремеза.- М.: Сов. pадио, т. I, II, 1951 г.
3. Патент США N 5525865 от 11.06.1996 г., кл.315-39 (H 01 J 65/04), автор J.E. Simpson - прототип.
4. Заявка Японии N 62-223945, заявл. 26.03.86 г., авторы Кусано Дзиро и др.
Формула изобретения: Коаксиальнй СВЧ-адаптер печного магнетрона, имеющий вход и выход и содержащий наружный проводник, контактирующий на входе адаптера с прижимным фланцем и выводом энергии магнетрона, отличающийся тем, что внутренняя поверхность наружного проводника на входе адаптера имеет по меньшей мере один азимутально замкнутый участок длиной li вдоль оси адаптера и постоянным или переменным диаметром Di, величины которых выбираются из соотношений
λ/20 ≅ li≅ λ/6,
Di ≥ 1,1 Dизл,
где λ - рабочая длина волны печного магнетрона;
Dизл - наружный диаметр излучающего СВЧ-окна в выводе энергии магнетрона;
i = 1, 2 ... m - порядковый номер участка,
а на выходе адаптера - СВЧ-дроссель в виде по крайней мере одной кольцевой канавки глубиной hk, выбранной из соотношений
hк= λ/(4n)
для n-й гармоники рабочей частоты и
hк= λпк/4
для побочного колебания с длиной волны λпк.