Г енераторы СВЧ-диапазона
Генераторы СВЧ перекрывают диапазон частот от 1 до 79 ГГц. По типу выходного разъёма они подразделяются на коаксиальные и волноводные. Частотная граница этих двух групп приборов составляет 7-18 ГГц. Имеется тенденция повышения диапазона частот генераторов с коаксиальным выходом, так как они более удобны в эксплуатации. Характерным для СВЧ- генераторов является сравнительно небольшое перекрытие по частоте (порядка 2) и однодиапазонное построение. В связи с этим генераторы СВЧ выпускаются, как правило, сериями из однотипных приборов на участки диапазона частот (например, Г4-78, Г4-79, Г4-80, Г4-81, Г4-82, Г4-83, Г4- 121, Г4-122,Г4-123, Г4-124).
Типовая структура генераторов СВЧ проста в смысле количества электрических узлов и их электрических связей. В большинстве случаев она содержит задающий генератор, модулятор, аттенюатор и индикатор выхода. В генераторах СВЧ из-за сложности исполнения отсутствуют усилители. Это накладывает определенные трудности при работе с таким прибором, так как на уровень и частоту выходного сигнала влияют подключаемые к генератору объекты. Для исключения этого влияния на выходе генератора подключают развязывающие аттенюаторы с затуханием 10-15 дБ, что приводит к снижению реального уровня выходного сигнала.
Колебательные системы задающих генераторов с коаксиальным выходом выполняются в виде отрезков коаксиальных линий, а на частотах более 1 ГГц — на базе клистронов. В измерительных генераторах с волно- водным выводом электромагнитные колебания чаще всего создаются с помощью отражательных клистронов, которые имеют сравнительно малые габариты, позволяют осуществлять механическую и электронную перестройку частоты, обеспечивают выходную мощность до единиц ватт и возможность сравнительно просто, практически без затрат энергии модулировать колебания по частоте и амплитуде. Однако применение клистронов в измерительных генераторах связано с определенными затруднениями, так как клистроны обладают достаточно высокой временной и температурной нестабильностью, а также не позволяют устанавливать частоту колебаний по шкале, что вынуждает снабжать генераторы специальными частотомерами для измерения частоты выходных колебаний.
В последнее время для генерации СВЧ-колебаний широкое применение получают твердотельные диоды Ганна, которые начинают использовать и в измерительных генераторах с волноводным выходом.
Существенную роль в обеспечении параметров генератора СВЧ имеют механические узлы. Так, отсчёт частоты генераторов Г4-78. Г4-83 производится по механическому счетчику, связанному элементом перестройки частоты через линеаризующее устройство. Счётчик повышает разрешающую способность индикации частоты сигнала генератора и упрощает её отсчет.
Съём СВЧ-сигнала с контура задающего генератора осуществляется с помощью подвижных устройств связи — штыря или петли. Для стабилизации уровня выходного сигнала при изменении частоты механически связывают съёмники мощности с органами настройки частоты. Замкнутые системы АРУ, характерные для генераторов более низких частот, в генераторах СВЧ не применяются.
Генераторы СВЧ-диапазона имеют встроенный термисторный измеритель мощности. В ряде случаев измеритель мощности не подключен постоянно к тракту (СВЧ-сигнала, как это обычно делается в генераторах более низких частот). Выходной сигнал генератора вначале измеряется измерителем мощности, а затем переключается в нагрузку.
Измеритель девиации частоты выходного сигнала представляет собой частотный детектор, напряжение на выходе которого измеряется пиковым вольтметром.
Параметры импульсной модуляции не измеряются. Они задаются формирующими цепями, обычно являются фиксированными и приводятся в паспортных данных прибора.
Выходное устройство генераторов СВЧ состоит чаще всего из двух поглощающих аттенюаторов, между которыми включен аттенюатор предельного типа. Аттенюаторы поглощающего типа необходимы для согласования предельного аттенюатора по входу и выходу. Общее затухание, вносимое аттенюаторами, достигает 100 дБ. В некоторых генераторах аттенюаторы поглощающего типа делаются фиксированными и их затухание не регулируется.
При работе с генераторами СВЧ (табл. 11.15) необходимо помнить, что генератор должен работать на согласованную нагрузку, соответствующую его выходному сопротивлению. В противном случае погрешность установки мощности на выходе не гарантируется.
Основными узлами генератора Г4-108 (рис. 11.13) являются генераторный блок, аттенюатор Атт., частотомер, усилитель частотомера, делитель мощности, ваттметр, выходной аттенюатор, модулятор.
Генераторный блок содержит два клистрона, которые поочередно подключаются к СВЧ-тракту с помощью волноводного переключателя. Каждый клистрон имеет свой механизм перестройки частоты. Указатель положения перестройки частоты позволяет ориентировочно определять генерируемую частоту.
Точное измерение частоты производится частотомером резонансного типа. Установка уровня мощности, поступающей в СВЧ-тракт от генераторного блока, осуществляется аттенюатором с пределами регулирования от нуля до 30 дБ.
Для измерения мощности используется термисторный ваттметр, подключенный к направленному ответвителю, с помощью которого отбирается часть мощности из основного тракта генератора.
Свч-генератор
Изобретение относится к импульсной технике больших мощностей и предназначено для генерации СВЧ-колебаний гигаватного уровня мощности. Техническим результатом является повышение к.п.д. СВЧ-генератора, частоты следования импульсов и плотности энергии СВЧ-импульсов за счет фокусировки энергии в заданном объеме. СВЧ-генератор содержит вакуумную камеру-резонатор, в которой расположен анод, подключенный к положительному потенциалу импульсного источника питания, и антенну. Анод выполнен в виде плоского кольца из немагнитного материала с высокой проводимостью. Напротив анода помещен цилиндрический катод, выполненный из тонкого немагнитного материала с низкой проводимостью, под которым помещены витки плоской кольцевой катушки с плотностью укладки витков, обратно пропорциональной радиусу. Витки катушки закрыты экранами-коллекторами электронного пучка, выполненными из тонкого немагнитного материала с невысокой проводимостью. На боковой поверхности вакуумной камеры-резонатора напротив катода помещено выходное окно антенны пирамидального типа. Заземленный катод и кольцевая катушка снабжены механизмом перемещения вдоль оси симметрии СВЧ-генератора и дополнительной внутренней катушкой, запитываемой от отдельного источника питания. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к импульсной технике больших мощностей и предназначено для генерации СВЧ-колебаний гигаватного уровня мощности.
Известны схемы генерации СВЧ-мощности на основе приборов с виртуальным катодом (ВК) [Рухадзе А.А., Столбцов С.Д., Тараканов В.П. Виркаторы (обзор). РиЭ. 1992, вып.3, с.385-395], в которых СВЧ-излучение возникает за счет колебаний электронов пучка относительно сетки с положительным потенциалом и колебаний плотности заряда в ВК. Такие генераторы содержат импульсный источник питания, заземленный катод, анод-сетку, вакуумную камеру, одновременно выполняющую роль резонатора, антенну, геометрическая ось которой расположена перпендикулярно оси пучка электронов, так называемые отражательные триоды с ВК. Некоторые схемы виркаторов содержат соленоиды, создающие продольное магнитное поле вдоль движения электронов пучка.
Наиболее близким к предложенному решению является отражательный триод с виртуальным катодом [Рухадзе А.А., Столбцов С.Д., Тараканов В.П. Виркаторы (обзор). РиЭ. 1992, вып.3, с.385-395], в котором энергия СВЧ-колебаний накапливается в резонаторе, образует обратную связь с пучком электронов, усиливая колебания заряда в ВК и тока в пучке электронов. Энергия СВЧ-колебаний с помощью антенны выводится наружу. Длина волны СВЧ-излучения связана с периодом колебаний электронов относительно сетки. Вектор Пойтинга электромагнитной волны перпендикулярен вектору скорости электронов пучка, а электрическая составляющая СВЧ-волны поляризована по вектору скорости электронов в пучке.
Недостатком таких схем генерации является низкий к.п.д. Это связанно с тем, что электронный пучок, стартуя с заземленного катода, ускоряется в промежутке катод-анод (сетка), за сеткой тормозится, образуя ВК. В области ВК вектор скорости электронов изменит знак, они вновь ускоряются к сетке, входят в ускоряющий промежуток анод-катод и т.д. В области ВК образуется область отрицательного заряда, электронное облако (ЭО) с повышенной плотностью заряда по отношению к плотности заряда пучка электронов, образующих ЭО. Потери электронов на сетке, компенсация заряда пучка и ЭО ионами материала сетки вызывают большие потери, и к.п.д. генерации значительно меньше 50% от энергии, расходуемой на создание пучка, так как генератор является однотактным, работающим на вольтамперной характеристике электронного диода. Кроме того, такая схема генерации при больших мощностях не может работать в частотном режиме из-за разрушения анода — сетки.
Основным техническим результатом предложенного изобретения является повышение к.п.д. СВЧ-генератора, частоты следования импульсов, и плотности энергии СВЧ-импульсов (вектора Пойтинга) за счет увеличения плотности энергии в заданном объеме.
Это достигается за счет того, что излучающий контур СВЧ-генератора содержит анод, выполненный в виде плоского кольца из немагнитного материала с высокой проводимостью, под которым помещены витки плоской кольцевой катушки с плотностью укладки витков, обратно пропорциональной радиусу, причем витки катушки как снаружи, так и внутри катода закрыты экранами-коллекторами электронного пучка, выполненными из тонкого немагнитного материала с невысокой проводимостью, а на боковой поверхности вакуумной камеры-резонатора напротив катода помещены выходные окна антенн пирамидального типа. Кроме того, заземленный катод и кольцевая катушка снабжены механизмом перемещения вдоль оси симметрии СВЧ-генератора и дополнительной внутренней катушкой, запитываемой от отдельного источника питания.
Пример конкретного выполнения.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-6. На фиг.1 показано устройство генератора, где: 1 — кольцевой анод; 2 — катод цилиндрического типа, 3, 4 — центры ампервитков относительно оси Х ‘ , проходящей по центру поверхности кольцевого анода; 5, 6 — экраны-коллекторы электронного пучка; 7 — вакуумная камера-резонатор; 8 — диск с отверстиями, сквозь которые пропущены шпильки 9, удерживающие анод 1 и подключенные к защитному экрану 10 изолятора источника питания: емкостной накопитель 11, индуктивность 12, коммутатор 13; 14 — вакуумно-плотная антенна пирамидального типа с оптической осью R, которых по азимуту вакуумной камеры-резонатора 7 может быть несколько; 15, 16 — траектории электронов в ЭО; дополнительно показано RA, внешний радиус анода; RK — радиус эмиссионной кромки «а» катода, 17 — подстроечная катушка.
На фиг.2 приведено распределение магнитных полей, где 18÷18n±1 — ход силовых линий магнитного поля относительно кромки катода «а»; 19 — центры ампервитков катушек 3, 4; 20 — индуцированный катушками 3, 4 ток в материале анода 1 при их импульсном питании. На фиг.3 показаны траектории движения электронов, где 21 — траектория электрона в скрещенных электрическом Е и магнитном В (E⊥B) полях — циклоида; 22 — линия центра тяжести заряда ЭО, дрейфующего со скоростью V=E/B и образующего ток; а 23 + — его отображение в теле анода. На фиг.4 приведены циклоиды и ларморовая окружность, где 24 — ларморовая окружность с радиусом rе; дополнительно показано Vemax — максимальная скорость электронов на вершинах циклойд VEm=2V; Be — магнитное поле дрейфующих электронов. На фиг.5 приведена кривая 25, относительно которой указан ход силовых линий На фиг.6 приведены эпюры напряжения и токов в СВЧ-генераторе: 26 — импульсное напряжение в анод-катодном промежутке; 27 — изменение заряда межэлектродной емкости анод — ЭО, пунктиром показаны эти же зависимости при холостом ходе, 28 — ток заряда ЭО (ток катода 2); 29 — импульс СВЧ-излучения (продетектированный); 30 — зона модуляции анодного напряжения (заштрихованная часть), 31 — вершина импульса тока в катушках 3, 4 создающего магнитное поле. Дополнительно указана глубина напряжения модуляции ΔU=U1-U2.
В технике широко применяется дрейф пучка электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях (E⊥B), например в магнетронах, где ЭО образуется вокруг катода, находящегося под отрицательным потенциалом, а анод заземлен. При генерации СВЧ-энергии происходит преобразование потенциальной энергии eU электрона у катода за счет взаимодействия с СВЧ-волной анодных резонаторов и движения по раскручивающейся спирали в E⊥B поле в энергию СВЧ-колебаний.
В ионном диоде с внешним магнитным полем [Фурман Э.Г., Степанов А.В., Фурман Н.Ж. Ионный диод. ЖТФ, 2007, №5, с.86-95] электронное облако образуется у радиально расположенной поверхности анода за счет замкнутого дрейфа электронов в E⊥B, образуя катодную поверхность с электронным зарядом, имитирующим катод ионного диода. Магнитное поле у анода имеет, в основном, только радиальную составляющую. В таком ионном диоде можно накапливать плотность заряда в ЭО, не ускоряя ионы, режим холостого хода (XX). Накопленный заряд в ЭО в режиме XX при определенных условиях можно заставить колебаться и получить СВЧ-излучение. Такие условия возникают на спадающей части импульса напряжения, когда требуется выполнение условия «плоского конденсатора» C·U(t)=Q. Но из-за инерционности электронного облака с накопленным зарядом Q в магнитном поле при уменьшении U(t) должна увеличиваться емкость системы С для выполнения условия Q=const, что должно сопровождаться уменьшением расстояния между зарядами на обкладках конденсаторов, а в магнитных полях это вызывает колебания зарядов и СВЧ-излучение.
Принцип работы СВЧ-генератора основан на одновременном выполнении следующих условий. При выполнении условия, что ход силовых линий магнитного поля относительно поверхности анода с учетом всех наведенных вихревых токов при импульсном питании катушек 3, 4, 17 спадает медленнее, чем зависимость 24, например по 18, фиг.5, то при подаче импульса напряжения на анод от источника питания 11, 12, 13 электроны из взрывоэмиссионной плазмы начнут образовывать ЭО, двигаясь по разворачивающейся спирали вдоль поверхности анода. При выполнении другого условия: плотность энергии магнитного поля в три раза больше плотности энергии электростатического поля , которое связано с тем, что площадь ларморовской окружности электрона с энергией eU=2erе·Еmax, где re — ларморовый радиус, в три раза меньше площади циклоиды, описываемой этой окружностью, фиг.4, электроны начнут образовывать электронное облако, так как будут «замагничены» магнитным потоком между поверхностями магнитных линий (линий равного магнитного потенциала), например, 18n-1÷18n+1, при этом поверхность силовых линий магнитного поля 18n будет совмещена с линией центра тяжести объемного заряда ЭО (22), фиг.3, вектора средней дрейфовой скорости ЭО по азимуту вдоль поверхности анода (21) и вектора плотности тока циркулирующего облака je=ρe·V, где ρе — плотность заряда в ЭО. Циклоида разомкнутая кривая, следовательно, результирующий ток Ie=S·je, где S — площадь сечения ЭО по радиусу — виток с током у поверхности хорошо проводящего анода, образует заряд отображения и ток отображения 21 + согласно закону электростатической индукции. Заряд ЭО локализует электростатическое поле анода 1 в области: поверхность анода 1 с плотностью заряда на поверхности Ga=E·ε0, где ε0=8,85·10 -12 Ф/м, а Е стремится к ϕ/d, где ϕ — потенциал анода, d — расстояние между поверхностной плотностью заряда на аноде и центром тяжести поверхностной плотности заряда ЭО, расположенной тоже на поверхности силовых линий 18n.
Циркулирующий в ЭО ток I создает магнитное поле Be, которое у поверхности анода совпадает с основным В и создает суммарное поле В∑=В+Ве. Электронное облако с зарядом Qэ=Ga·2re как бы лежит на «магнитной подушке», которая уравновешивает силу Кулона — сила F=Q·Е. Магнитная подушка обеспечивает силу Ампера F=I×В∑.
С момента времени t0, фиг.6, напряжение катод-анодного промежутка изменяется по закону режима холостого хода, пунктирные кривые. До момента времени t1 в цепи источника питания протекает только емкостной ток, связанный с накоплением заряда 27 в ЭО. Затрат энергии на ускорение электронов практически нет, так как, родившись в точке «а» на катоде, где ϕ=0, фиг.1, он снова попадает по траекториям 15, 16 на коллекторы 6, 5 имеющие тот же потенциал, что и катод.
До момента времени t1 в емкости анод — электронное облако накапливается энергия в электростатическом и магнитном полях электронного резонатора (ЭР). Понятие ЭР введено [Фурман Э.Г. СВЧ приборы с виртуальным катодом. — Томск: Изд. ТПУ, 1999. — 52 с.] для объяснения принципа работы симметричного отражательного триода (СОТ) с ВК. В рассматриваемом случае ЭР тороидального типа с емкостью
с собственной частотой
где с — скорость света.
Электроны, уходящие в дрейфовое движение с эмиссионных кромок катода 2, совершают много оборотов у поверхности анода с дрейфовой скоростью V=Е/В, углубляясь в сторону анода на расстояние
где ±V0 — начальная скорость электрона в момент рождения. Считая имеем ларморовский радиус
Дрейфовая скорость электронов по радиусу определяется градиентом магнитного поля, кривой изменения индукции 18 и значительно на 10 2 ÷10 3 раз меньше V, так что образование электронного облака и накопление заряда требует времени (длительности фронта), а ЭО достаточно «инерционно».
В момент времени t1, близкий к максимуму напряжения U(t), (25) рис.3, имеем «плоский» конденсатор с емкостью (1), в котором должно выполняться условие
где QЭ — накопленный в ЭО заряд. При уменьшении напряжения ϕ=U(t) на некоторую величину ΔU для выполнения условия «плоского конденсатора» (6) при QЭ=const должна увеличиваться емкость С (1) за счет сокращения расстояния d, т.е. ЭО должно приблизиться к аноду на расстояние Δd. Появляются колебания заряда отображения в металле анода (конвекционные токи в резонаторах СВЧ-приборов) и за счет искажения траектории в ЭО, при этом величина заряда в ЭО не изменяется.
Возникают колебания заряда ЭО у поверхности анода на расстоянии Δd˜ΔU/QЭ при среднем расстоянии d, которое уменьшается со временем пропорционально U(t). Колебания заряда ЭО в созданном им же электрическом потенциальном поле и наложенным на него переменным электромагнитным полем стоячей СВЧ-волны камеры резонатора 7, возбуждаемой ЭР, приводит к раскачке СВЧ-колебаний, усилению радиальных конвекционных токов на поверхности анода и в ЭО. Радиальные конвекционные токи в ЭО резко увеличивают радиальный дрейф электронов. Скорость радиального дрейфа становится сравнимой со скоростью E/V, увеличивается потребляемый ЭР ток 28 до величины, определяемой волновым сопротивлением ЭР (нагрузка)
где первый член Ом — волновое сопротивление вакуума. Соответственно, появляется мощность СВЧ-излучения, пропорциональная
Мощность СВЧ-излучения, в первую очередь, определяется глубиной модуляции анодного напряжения, которая с уменьшением абсолютного значения анодного напряжения должна возрастать. Длительность формируемого СВЧ-импульса определяется соотношением накопленной энергии в емкости 11 источника питания и излучаемой энергии, т.е. QC≈Р·t, естественно с учетом к.п.д. преобразования энергии. По электродинамическим характеристикам это двухтактный генератор, имеющий теоретический к.п.д.→1.
Принцип работы рассмотренного СВЧ-генератора заключается в преобразовании потенциальной энергии (Q·ϕ/2) накапливаемого (восполняемого) заряда через кинетическую энергию его движения в Е⊥В полях в СВЧ-излучение, т.е. это прибор М-типа, как и магнетрон.
Для изменения геометрии ЭР и подстройки частот в камере-резонаторе 7 используется подстроечная катушка 17, фиг.1. Величиной тока в ней можно регулировать ход зависимости индукции от радиуса фиг.5, а следовательно, скорость радиального дрейфа движущихся в E⊥B полях электронов ЭО, т.е. регулировать плотность заряда ЭО и его геометрию за счет значения ларморовых радиусов, фиг.4. Это возможно, так как влияние объемного заряда и вызываемых им полей сравнимо с действующими стационарными.
С помощью выходного окна и пирамидальной антенны 14, выполняющих согласующую роль между волновым сопротивлением ЭР и свободным пространством, излучение СВЧ-мощности выводится в пространство. Учитывая, что излучение ЭР в камере имеет круговую направленность СВЧ-излучения из ЭО и круговую симметрию устройства относительно оси X, выходных окон, а следовательно, антенн может быть несколько, симметрично расположенных на боковых поверхностях резонатора.
Таким образом, поставленная выше цель — повышение к.п.д., мощности, частоты следования импульсов СВЧ-излучения и повышение плотности энергии СВЧ, достигнута. Диапазон максимальных длин волн и минимальных частот легко определить из (3), а мощность СВЧ-излучения из (8) как P˜U 2 /Z. Как любой генератор, он может генерировать СВЧ-излучение в многомодовом режиме с резким понижением общего к.п.д.
1. СВЧ-генератор, содержащий вакуумную камеру-резонатор, в которой расположен анод, подключенный к положительному потенциалу импульсного источника питания, антенну, отличающийся тем, что анод выполнен в виде плоского кольца из немагнитного материала с высокой проводимостью, напротив анода у внутреннего радиуса помещен цилиндрический катод, выполненный из тонкого немагнитного материала с низкой проводимостью, под которым помещены витки плоской кольцевой катушки с плотностью укладки витков, обратно пропорциональной радиусу, причем витки катушки как снаружи, так и внутри катода, закрыты экранами-коллекторами электронного пучка, выполненными из тонкого немагнитного материала с невысокой проводимостью, а на боковой поверхности вакуумной камеры-резонатора напротив катода помещены выходные окна антенн пирамидального типа.
2. СВЧ-генератор по п.1, отличающийся тем, что заземленный катод и кольцевая катушка снабжены механизмом перемещения вдоль оси симметрии СВЧ-генератора и дополнительной внутренней катушкой, запитываемой от отдельного источника питания.
В микроволновой печи скрывается мощное и опасное СВЧ оружие
Этот пост будет про недокументированные функции микроволновой печи. Я покажу, сколько полезных вещей можно сделать, если использовать слегка доработанную микроволновку нестандартным образом.
В микроволновке находится генератор СВЧ волн огромной мощности
Вскрываю корпус
Сразу хочу предупредить, электромагнитное излучение СВЧ диапазона может нанести вред вашему здоровью, а высокое напряжение вызвать летальный исход. Но меня это не остановит.
Сняв крышку с микроволновки, можно увидеть большой трансформатор: МОТ. Он повышает напряжение сети с 220 вольт до 2000 вольт, что бы питать магнетрон.
В этом видеоролике я хочу показать, на что способно такое напряжение:
Антенна для магнетрона
Сняв магнетрон с микроволновки я понял, что включать просто так его нельзя. Излучение распространится от него во все стороны, поражая всё вокруг. Не долго думая я решил смастерить направленную антенну из кофейной банки. Вот схема:
Теперь всё излучение направленно в нужную сторону. На всякий случай я решил проверить эффективность этой антенны. Взял много маленьких неоновых лампочек и выложил их на плоскости. Когда я поднёс антенну с включенным магнетроном, то увидел, что лампочки загораются как раз там где нужно:
Необычные опыты
Сразу хочу отметить, СВЧ значительно сильнее влияет на технику, чем на людей и животных. Даже в 10 метрах от магнетрона, техника давала сильные сбои: телевизор и муз-центр издавали страшный рычащий звук, мобильный телефон вначале терял сеть, а потом и вовсе завис. Особо сильное влияние магнетрон оказывал на wi-fi. Когда я поднёс магнетрон близко к музыкальному центру, с него посыпались искры и к моему удивлению он взорвался! При детальном осмотре обнаружил, что в нём взорвался сетевой конденсатор. В этом видео я показываю процесс сборки антенны и влияние магнетрона на технику:
Используя не ионизирующее излучение магнетрона можно получить плазму. В лампе накаливания, поднесённой к магнетрону, зажигается ярко светящийся желтый шар, иногда с фиолетовым оттенком, как шаровая молния. Если вовремя не выключить магнетрон, то лампочка взорвётся. Даже обычная скрепка, под воздействием СВЧ превращается в антенну. На ней наводится ЭДС достаточной силы, что бы зажечь дугу и расплавить эту скрепку. Лампы дневного света и «экономки» зажигаются на достаточно большом расстоянии и светятся прямо в руках без проводов! А в неоновой лампе электромагнитные волны становятся видимыми:
Хочу вас успокоить, мои читатели, ни кто из моих соседей не пострадал от моих опытов. Все ближайшие соседи сбежали из города, как только в Луганске начались боевые действия.
Техника безопасности
Я настоятельно не рекомендую повторять описанные мною опыты потому, что при работе с СВЧ требуется соблюдать особые меры предосторожности. Все опыты выполнены исключительно с научной и ознакомительной целью. Вред СВЧ излучения для человека ещё не до конца изучен. Когда я близко подходил к рабочему магнетрону я чувствовал тепло, как от духовки. Только изнутри и как бы точечно, волнами. Больше ни какого вреда я не ощутил. Но всё же настоятельно не рекомендую направлять рабочий магнетрон на людей. Из-за термического воздействия может свернуться белок в глазах и образоваться тромб в крови. Так же ведутся споры о том, что такое излучение может вызвать онкологические и хронические заболевания.
Необычные применения магнетрона
1 — Выжигатель вредителей. СВЧ волны эффективно убивают вредителей, и в деревянных постройках, и на лужайке для загара. У жучков под твёрдым панцирем есть влагосодержащее нутро (какая мерзость!). Волны его в миг превращают в пар, при этом не причиняя вреда дереву. Я пробовал убивать вредителей на живом дереве (тлю, плодожорок), тоже эффективно, но важно не передержать потому, что дерево тоже нагревается, но не так сильно.
2 — Плавка металла. Мощности магнетрона вполне хватает для плавки цветных металлов. Только нужно использовать хорошую термоизоляцию.
3 — Сушка. Можно сушить крупы, зерно и т. п. Преимущество этого метода в стерилизации, убиваются вредители и бактерии.
4 — Зачистка от прослушки. Если обработать магнетроном комнату, то можно убить в ней всю нежелательную электронику: скрытые видеокамеры, электронные жучки, радиомикрофоны, GPS слежение, скрытые чипы и тому подобное.
5 — Глушилка. С помощью магнетрона легко можно успокоить даже самого шумного соседа! СВЧ пробивает до двух стен и «успокаивает» любую звуковую технику.
Это далеко не все возможные применения испытанные мной. Эксперименты продолжаются и вскоре я напишу ещё более необычный пост. Всё же хочу отметить, что использовать так микроволновку опасно! Поэтому лучше так делать в случаях крайней необходимости и при соблюдении правил безопасности при работе с СВЧ.
На этом у меня всё, соблюдайте осторожность при работе с высоким напряжением и микроволнами.
Типы генераторов и усилителей СВЧ сигнала большой мощности
Для создания и усиления СВЧ колебаний используются различные приборы вакуумной электроники. Рассмотрим кратко их конструкции и принцип действия.
Пролетные и отражательные клистроны.
Клистрон – это электровакуумный СВЧ прибор, работа которого основана на модуляции электронного потока по скорости электрическими СВЧ полями резонансных колебательных систем (объемных резонаторов), группировании электронов в сгустки и последующем преобразовании кинетической энергии электронов в энергию СВЧ колебаний.
Различают пролетные и отражательные клистроны. Отражательные клистроны характеризуются тем, что при своем движении электронный пучок изменяет направление своего движения на обратное. Они имеют малый к.п.д. (не более 3%) и в настоящее время практически не применяются. В пролетных клистронах электроны в процессе группирования не меняют своего первоначального направления движения и имеют гораздо больший к.п.д. (до 75%).
Пролетные клистроны состоят из электронной пушки, фокусирующей системы, электродинамической системы (ЭДС), содержащей объемные резонаторы, ввод и вывод энергии и коллектор. Простейший пролетный клистрон имеет два резонатора, а его схема приведена на рис. 23.
Рис.23.Схема двухрезонаторного клистррона.
1–катод, 2–прикатодный электрод, 3–анод, 4–входной резонатор, 5–дрейфовая трубка, 6–выходной резонатор, 7–коллектор.
Электроны последовательно пролетают объемные резонаторы ЭДС. Входной сигнал возбуждает в резонаторе переменное электромагнитное поле, которое модулирует электроны по скорости и группирует их в дрейфовой пролетной трубе. При этом поперечное СВЧ поле изменяет скорость электронов, что приводит к модуляции их плотности и образованию сгустков (происходит группирование электронного потока). Проходя через зазоры выходного резонатора, электронный пучок наводит в нем ток, создающий переменное напряжение на определенной частоте. Отношение мощности сигнала в выходном резонаторе к средней мощности электронного пучка и определяет к.п.д.клистрона.
К.п.д. клистрона зависит от количества резонаторов (минимально два). В многорезонаторных клистронах происходит каскадная скоростная модуляция и группирование электронного потока, что приводит к росту к.п.д. от 25% в двухрезонаторном клистроне до 75%. Обычно число резонаторов колеблется от 4 до 8, но наиболее часто используются четырех- или пятирезонаторные конструкции.
Конструкция многорезонаторного пролетного клистрона приведена на рис.24.
Рис.24 Многорезонаторный клистрон.
1–катод, 2–анод, 3–входной резонатор, 4–промежуточные резонаторы, 5–выходной резонатор, 6–коллектор.
Клистроны бывают непрерывного действия и импульсные. Конструкция двух- и многорезонаторного клистронов приведена на рис.25
Основным недостатком клистронов является узкая полоса рабочих частот усиливаемого сигнала. Этого недостатка лишены другие усилительные устройства вакуумной электроники – лампы бегущей волны.
Рис.25 Конструкции клистронов.
Лампа бегущей волны (ЛБВ).
Это электровакуумный СВЧ прибор, работа которого основана на длительном взаимодействии бегущей электромагнитной волны и электронного потока, двигающихся в одном направлении. Предназначена для усиления СВЧ колебаний в диапазоне 300 МГц – 300 ГГц. Принцип работы ЛБВ аналогичен принципу работы линейного резонансного ускорителя с бегущей волной, но в данном случае энергия электронного потока, ускоренного электронной пушкой, передается СВЧ полю волны.
Различают лампы бегущей волны О-типа, в которых фокусировка электронного потока происходит либо продольным магнитным полем, либо периодическим электростатическим, и М-типа, когда электронный поток формируется в скрещенных электрических и магнитных полях. Наиболее распространены ЛБВ О-типа (ЛБВО).
В процессе своего движения электроны, благодаря принципу автофазировки, группируются в сгустки. При этом в замедляющей системе возбуждается электромагнитное поле, тормозящее электроны, которые отдают свою энергию СВЧ волне, т.е. усиливают входной сигнал.
В результате торможения электронов условия синхронного изменения параметров СВЧ волны и электронного потока (условия синхронизма) нарушаются, поэтому к.п.д. такого усилителя относительно мал.
Конструкция и электрическая схема ЛБВО приведен на рис.26.
1–подогреватель, 2–катод, 3–анод, 4–спираль замедляющей системы, 5–коллектор, 6–поглотитель, 7–труба, Uo –источник ускоряющего напряжения, Uк–источник коллекторного напряжения.
Принцип действия ЛБВ заключается в следующем. Входной усиливаемый сигнал поступает через ввод энергии в спиральную замедляющую систему 4 в виде бегущей волны с некоторой фазовой скоростью vф. Электронный пучок влетает через полый анод 3 в замедляющую систему с продольной скоростью ve, которая регулируется за счет источника напряжения Uo. При выполнении условия синхронизма (vф= ve) взаимодействие электронов с продольной составляющей электрического поля приводит к группированию пучка и появлению переменного тока. Этот ток возбуждает в замедляющей системе еще одну бегущую волну, сдвинутую по фазе относительно входного сигнала. В результате образуется суммарная электромагнитная волна с фазовой скоростью, меньшей скорости электронного пучка. Электронный поток оказывается в тормозящей фазе бегущей волны и передает часть своей энергии усиливаемому сигналу. Как только фазовая скорость станет равной скорости электронов, передача энергии полю волны прекращается. Усиленная волна поступает в нагрузку, а остаточная кинетическая энергия электронов рассеивается в коллекторе 5.
Главное преимущество ЛБВ перед другими усилителями СВЧ поля (магнетроны, клистроны) – широкая полоса усиливаемых частот. Конструкция и внешний вид ЛБВ приведен на рис.27.
Рис. 27. Лампа бегущей волны.
Разновидностью ЛБВ является лампа обратной волны (ЛОВ), используемая, как генератор СВЧ сигнала. В замедляющей системе фазовая скорость поля и групповая скорость электронов направлены в противоположные стороны, что создает положительную обратную связь в системе. В результате возникают автоколебания, частота которых зависит от скорости электронов. Однако чаще в качестве генератора СВЧ поля используется магнетрон.