CC BY
14
УДК 621.3.095
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-256-259
СУММИРОВАНИЕ ПОТОКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МАГНЕТРОНОВ
В ВОЛНОВОДЕ
А.А. Белов, Е.Ю. Савенко
Показаны проблемы применения микроволновых магнетронов в различных областях промышленности, заключающиеся в неравномерности распределения поля и недостаточной мощности источников. Предложен принцип суммирования потока электромагнитного излучения двух магнетронов за счет оригинальной конструкции волновода при интерференции волн поля при обеспечении однородности распространения микроволнового излучения в волноводе. В основу конструкции положено условие по-ярусного размещения излучателей в соседних стенках квадратного волновода с определенными расчетными размерами при моделировании в программе CST.
Ключевые слова: волновод, микроволны, однородность поля, равномерность нагрева, суммирование потока.
Основными сдерживающими факторами для более широкого промышленного применения микроволновых магнетронов, чем бытовой разогрев пищи в микроволновке, являются неравномерность распределения электромагнитного микроволнового поля в объеме продукта или рабочего объема резонатора и ограниченная мощность серийных магнетронов. Неравномерность излучения в объеме резонатора решается механическим способом при вращении подложки вокруг своей оси с расположенными на ней объектами излучения. Однако проблема неоднородности распространения микроволнового поля по объему волновода не решена.
Мощность серийных микроволновых магнетронов составляет около 1 кВт, что в промышленных масштабах недостаточно. Более мощные магнетроны выпускаются в ограниченном масштабе, поэтому имеют удельную (относительно мощности) балансовую стоимость в несколько раз выше выпускаемых серийно. Как правило, применяются в военных и научных целях, поэтому по ним доступ информации довольно ограничен.
В этой связи предложено суммировать поток электромагнитного излучения двух магнетронов в волноводе при обеспечении однородности распространения микроволнового излучения в нем для передачи максимальной мощности источников в резонатор.
Суммирование потока энергии микроволновых генераторов возможно различными методами, такими как объединение резонансных контуров, при помощи разветвителей и тройников, а также за счет использования четырехуровневого рециркулятора [1, 2]. По расчетным данным из-за потерь общая суммарная мощность источников будет не выше 75 %.
Принцип сложения мощностей сверхвысокочастотных генераторов в волноводе стандартной конструкции предусматривает размещение магнетронов и их излучателей в параллельных стенках прямоугольного волновода [3]. Такое расположение излучателей микроволновой энергии позволяет передавать не более 80 % от суммы мощностей магнетронов, соединенных в устройстве [4].
Известный комплексированный СВЧ модуль с 95 % от суммы мощностей магнетронов содержит дополнительные устройства, такие как фазовращатель и согласователь, что будет вести к удорожанию конструкции установки [5, 6].
Развязка между двумя микроволновыми магнетронами может быть конструктивно легко, но довольно затратно достигнута с помощью поляризатора, размещенного на стенках круглого волновода [7].
Основными причинами потерь энергии микроволновой мощности будут потери в стенках вследствие отражения электромагнитных волн, несмотря на высокую добротность материала волновода.
Предлагается при проектировании и разработке конструкции волновода условие поярусного размещения излучателей магнетронов в соседних стенках квадратного волновода. Предполагается, что при таком размещении излучателей источников микроволны будут отражаться от соседних стенок и принимать направленное движение в сторону нагрузки к выходу из волновода. Так как излучатели не направлены встречно и напротив друг другу, создаются возможности для максимальной интерференции волн обоих магнетронов. Благодаря этому конструктивному решению не нарушается работа при совместном одновременном включении источников. Запуск магнетронов может производиться в любой момент времени, не опасаясь за совпадение начальных фаз микроволн источников.
Комбинирование источников микроволнового питания предусматривает, что перекрестная связь между магнетронами должна быть достаточно малой, чтобы предотвратить отказы. Низкая перекрестная связь всегда может быть достигнута, когда размер обрабатываемого изделия велик по сравнению с размерами соединительных элементов с одним источником питания, так что затухание микроволн, распространяющихся вдоль обрабатываемого изделия, достаточно велико [8]. Недопустима размещение магнетронов в пространство волновода, где расстояния между излучателями составляет меньше или кратно четверти длины волны [9].
В разработанной конструкции магнетроны были синхронизированы таким образом, чтобы обеспечивать отсутствие наложения электромагнитных волн в противофазу. Синхронизация может быть достигнута в наборе из количества магнетронов более двух, соединенных в одной конструкции. При достижении синхронизации каждый из магнетронов должен быть обеспечен нагрузкой и бесконечным входным сопротивлением соединенных участков микроволновых линий, которые ведут себя так, как будто они практически заземлены в средней точке [10].
Конструкция волновода с излучателями, спроектированная в программе Компас-3D показана на рис. 1 а), б), в), г). Затем модель волновода с излучателями была импортирована в программу CST как показано на рис. 1 д).
г д
Рис. 1. Волновод с двумя излучателями: а - модель в Компас-3Б вид спереди с разрезом; б - модель в Компас-3Б вид слева; в - модель в Компас-3Б вид справа с разрезом; г - модель в Компас-3Б вид сверху с разрезом; д - каркас модели в СБТ вид спереди
а
щ г "
р Г
:::: * ШШШШ;
шШПЯШ
д е
Рис. 2. Распределение микроволн в волноводе с двумя излучателями: а - вид спереди электрического поля; б - вид сверху электрического поля; в - вид спереди магнитного поля; г - вид сверху магнитного поля; д - вид спереди потока излучения; е - вид сверху потока излучения
б
в
В модели в Компас-3D на виде спереди с разрезом оранжевым цветом показан волновод, серым - излучатели магнетронов. Грани, по которым проведен разрез, на рисунке обозначены светло-зеленым цветом. В модели в CST на вид сверху волновод и излучатели обозначены оранжевым цветом с каркасом, таким образом генерация микроволн будет осуществляться с торца излучателей, имеющих диаметр окружности 8 мм, соответствующего размеру проволочной петли магнетрона для вывода энергии элек-
тромагнитного излучения. Материал волновода и излучателей в модели CST выбрана медь (чистый металл с потерями) со следующими характеристиками: электрическая проводимость 5,9 107 См/м; плотность материала 9 103 кг/м3; температуропроводность 1,110-4 м2/с; теплоемкость 390 Дж/кг°К; модуль упругости Юнга 120 103 Н/мм2; термальный коэффициент 0,38 10-4 °К-1.
Стоит подчеркнуть, что поперечное сечение волновода имеет квадратную форму для обеспечения лучшей интерференции волн, а также из конструктивных соображений. Внутренние длина и ширина волновода составляют 76 мм, выбор которых основывается в соответствии с рабочей длиной электромагнитной волны 122,4 мм. Толщина стенки волновода составляет 2 мм. Волновод выполнен их меди. Габаритные параметры волновода составляют: длина 80 мм, ширина 80 мм, высота 160 мм. В зависимости от области назначения, применяемой технологии и функциональных характеристик микроволнового оборудования высота волновода может быть различной.
Для проверки научной гипотезы было проведено моделирование электромагнитного микроволнового поля в программе CST, показанное на рис. 2. Первый и второй порты микроволнового поля, сформированные в направлении от излучателей магнетронов, показаны цифрами 1 и 2 соответственно и выделены красным цветом. Первый порт сконструирован на нижней стенке, а второй на левой соседней стенке волновода.
Моделирование был проведено на частоте микроволн 2450 МГц, что соответствует рабочей частоте магнетрона. Для сравнительной оценки электрических параметров, таких как напряженность электрического и магнитного поля, поток электромагнитного излучения порты включались как в комбинации при их синхронизации работы, так и в отдельности. Были выявлены амплитудные (красный цвет), минимальные (темно синий) и средние (зеленый) их значения. Справа на рисунках закрытый торец, обеспечивающий отражение волн, слева открытый торец, к которому подсоединяется нагрузка.
Результаты исследования показывают, что при комбинированном синхронизированном включении двух магнетронов установленная средняя напряженность электрического поля 500 В/м, средняя напряженность магнитного поля 1 А/м, поток электромагнитного излучения 350 ВА/м2.
При раздельном функционировании каждого из двух источников характеристики были следующие: средняя напряженность электрического поля в пределах 300 В/м, средняя напряженность магнитного поля в пределах 0,6 А/м, поток электромагнитного излучения в пределах 190 ВА/м2. Таким образом, комбинация двух синхронизированных источников микроволнового излучения могут обеспечить общий суммарный поток микроволн рабочей частоты 2450 МГц примерно в 2 раза выше, чем один источник, а точнее на 90 % от суммарной мощности двух магнетронов.
Предложенный способ суммирования потока электромагнитного излучения магнетронов в волноводе отличается технической новизной, которая заключается в условии расположения излучателей в соседних стенках не квадратного волновода.
Список литературы
1. Иванов И.М. Сложение мощностей при синхронизации импульсных магнетронов миллиметрового диапазона // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2013. Т. 7. № 10. С. 53-55.
2. Дейвид Е.Е. Фазирование высокочастотными сигналами // Сборник «Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями» / Пер. с англ. под ред. М.М. Федорова. М.: Иностранная литература, 1961.
3. Стребков Д.С., Егоров Ю.М., Росс М.Ю., Щекочихин Ю.М., Чирков В.Г. Создание устройств сложения мощностей генераторов на магнетронах для применения в технологиях АПК // Вестник ВИЭСХ. 2012. № 1 (6). С. 54-61.
4. Собченко Ю.А. Моделирование электромагнитного поля в установке для микронизации зерна // Техника и технологии в животноводстве. 2020. № 2 (38). С. 55-58.
5. Скрипкин Н.И., Шмелев А.В., Проников А.И., Иванов И.М. Комплексированный СВЧ-модуль с синхронизированными магнетронными генераторами // Электромагнитные волны и электронные системы. 2021. Т. 26. № 4. С. 5-11.
6. Вагин А.И., Ефремова М.В., Иванов И.М., Курушин А.А., Скрипкин Н.И. Расчет и экспериментальное исследование прототипа излучателя ФАР на синхронизированных магнетронах 3-мм диапазона // СВЧ-техника. 2016. Сер. 1. № 3 (530). С. 14-19.
7. Puschner H. Heating with microwaves: fundamentals, components and circuit technique hardcover. Pergamon Press, 1966.
8. Reszke E. Split energy delivery to material heating at RF and microwave frequencies // Przeglad Elektrotechniczny. 2012. 88 (8). P. 354-358.
9. Белов А.А., Жданкин Г.В., Новикова Г.В., Изосимова Т.А. Совершенствование и обоснование параметров сверхвысокочастотной установки с тороидальным резонатором и с ячеистым ротором для термообработки сырья // Вестник НГИЭИ. 2017. № 3 (70). С. 57-65.
10. Jankowski K., Reszke E. Recent developments in instrumentation of microwave plasma sources for optical emission and mass spectrometry: Tutorial review // Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2013. 28 (8). P. 1196-1212.
Белов Александр Анатольевич, д-р техн. наук, профессор, belalexan85@gmail.com, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Савенко Елена Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, se126@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
SUMMATION OF THE FLOW OF ELECTROMAGNETIC EMISSIONS OF MAGNETRONS IN A
WAVEGUIDE
A.A. Belov, E.Yu. Savenko
The problems of using microwave magnetrons in various fields of industry are shown, which consist in the uneven distribution of the field and insufficient power of the sources. The principle of summing the electromagnetic radiation flux of two magnetrons due to the original design of the waveguide with the interference offield waves while ensuring the uniformity of the propagation of microwave radiation in the waveguide is proposed. The design is based on the condition of tiered placement of emitters in adjacent walls of a square waveguide with certain calculated dimensions when modeling in the CST program.
Key words: waveguide, microwaves, field homogeneity, heating uniformity, flow summation.
Belov Alexander Anatolyevich, doctor of technical sciences, professor, belalexan85@gmail.com, Russia, Moscow, Moscow aviation institute (national research university),
Savenko Elena Yurevna, candidate of technical sciences, docent, se126@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow aviation institute (national research university)
УДК 621.391:621.396.96
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-259-265
АНАЛИЗ РЕКУРСИВНЫХ РЕЖЕКТОРНЫХ ФИЛЬТРОВ В ПЕРЕХОДНОМ РЕЖИМЕ
Д.И. Попов
Предложен усовершенствованный рекурсивный режекторный фильтр (РФ), позволяющий осуществить ускорение переходного процесса на выходе фильтра путем перестройки его структуры. Проведен сравнительный анализ динамических амплитудно-частотных характеристик РФ фиксированной и перестраиваемой структуры и эффективности режектирования пассивных помех этими фильтрами в переходном режиме. Показано, что перестройка структуры РФ существенно ускоряет процессы установления на выходе фильтра, приводя к существенным (до десятков децибел) выигрышам в эффективности режектирования пассивной помехи в переходном режиме работы по сравнению с РФ фиксированной структуры.
Ключевые слова: анализ, амплитудно-частотная характеристика, коэффициент подавления помехи, перестройка структуры, переходный режим, режекторный фильтр, рекурсия.
При выделении сигналов движущихся целей на фоне пассивных помех основной операцией в когерентно-импульсных радиолокационных системах высокой скважности является режектирование спектральных составляющих помехи, реализуемое фильтрами нерекурсивного и рекурсивного типа [1-5].
Известными преимуществами формирования характеристик перед нерекурсивными режектор-ными фильтрами (РФ) обладают рекурсивные РФ того же порядка [6], что может быть использовано для повышения эффективности выделения сигналов движущихся целей на фоне коррелированных (пассивных) помех. Развитие аппаратно-программных средств цифровой обработки сигналов стимулирует применение рекурсивных РФ в системах селекции движущихся целей для подавления пассивных помех. Традиционно при синтезе и анализе рекурсивных фильтров использовался частотный подход [7], соответствующий установившемуся режиму работы фильтра. Однако длительность обрабатываемых выборок радиолокационных сигналов, как правило, соизмерима с временем установления процессов в рекурсивных фильтрах [8]. При этом переходный режим является основным режимом работы рекурсивных РФ, что приводит к задачам ускорения переходного процесса и анализа характеристик рекурсивных РФ в переходном режиме.
Характеристики рекурсивных РФ. Рассмотрим рекурсивный РФ в виде представляющего наибольший интерес для практики каскадного соединения нерекурсивного звена 1-го порядка и рекурсивного звена 2-го порядка. Системная функция такого РФ в г-плоскости имеет вид
259
