PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 09/09. ANDRZEJ FRANCIK, Wrocław, PL DAMIAN WYDYMUS, Częstochowa, PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H03B 7/00 ( ) H03B 7/14 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Wielodiodowy generator mikrofalowy (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 09/09 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 11/12 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ANDRZEJ FRANCIK, Wrocław, PL DAMIAN WYDYMUS, Częstochowa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Regina Kozłowska PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest wielodiodowy generator mikrofalowy, który znajduje zastosowanie w telekomunikacji, jako źródło mocy wykorzystywane w liniach radiowych i nadajnikach oraz w mikrofalowej aparaturze pomiarowej i badawczej, głównie w blokach mikrofalowych spektrometrów elektronowego rezonansu paramagnetycznego. Z polskiego opisu patentowego nr , znany jest wielodiodowy generator mikrofalowy, w którym elementami czynnymi są mikrofalowe diody generacyjne, wykazujące efekt dynamicznej, ujemnej rezystancji, a elementem sumującym moc generowaną przez poszczególne diody i określającym częstotliwość drgań jest metalowa cylindryczna mikrofalowa wnęka rezonansowa, wokół której są wykonane cylindryczne otwory. W każdym cylindrycznym otworze jest umieszczony osiowo środkowy przewód, który wraz ze ścianą otworu tworzy linię współosiową lub ekscentryczną. Każda linia ekscentryczna jest włączona pomiędzy dwa odcinki linii współosiowej, stanowiąc kontynuację każdej linii współosiowej we wspólnym obszarze należącym do wnętrza wnęki i wnętrza linii, zwanym odtąd obszarem sprzężenia. Osie linii współosiowych i ekscentrycznych są równoległe do powierzchni bocznej wnęki. Wartość sprzężenia wnęki z linią jest tym większa im większa jest objętość obszaru sprzężenia. W korpusie generatora, przy jednym z końców każdej linii współosiowej, jest umieszczona współosiowo względem linii dioda, dołączona do tego końca linii. Do drugiego końca każdej linii jest dołączony układ zasilający diodę. Na środkowy przewód każdej linii jest nałożony absorber energii mikrofalowej, umieszczony przy tym końcu linii, do którego jest dołączony układ zasilający diodę. Jedna z linii współosiowych, wyprowadzająca moc na zewnątrz generatora, jest zakończona na zewnątrz korpusu generatora złączem mikrofalowym, a we wnętrzu wnęki, sondą sprzężoną ze składową elektryczną mikrofalowego pola wnęki. Korpus generatora ma kształt prostopadłościanu i składa się z prostopadłościennych trzech segmentów: diod, wnęki i filtrów oraz prostopadłościennych, cienkich, płaskich przekładek tworzących dwa zestawy, które znajdują się pomiędzy segmentami. W zestawach przekładek są wykonane otwory, będące kontynuacją cylindrycznych otworów linii, współosiowych i ekscentrycznych, w trzech segmentach. Segmenty generatora są do siebie dociśnięte, poprzez zestaw przekładek, za pomocą dociskowych wkrętów. W środku denka wnęki, bliższego diodom, wykonany jest prostopadły do powierzchni denka otwór wychodzący na zewnątrz korpusu generatora. W otworze tym umieszczony jest suwliwie ceramiczny, pręt służący do mechanicznego przestrajania generatora. Ponadto do każdej linii ekscentrycznej, sprzężonej z wnęką poprzez obszar sprzężenia, jest włączony kaskadowo współosiowy filtr środkowo-zaporowy, na odcinku pomiędzy absorberem a najbliższym absorbera denkiem wnęki. W ścianie bocznej wnęki, jest wykonany, prostopadły do niej, cylindryczny otwór wychodzący na zewnątrz korpusu generatora. W otworze tym są umieszczone wszystkie elementy współosiowego filtru dolno-przepustowego (tj. tuleja, gniazdo, pręt i wkładka), połączonego od strony wnęki z waraktorem i z przeciwnej strony ze złączem służącym do doprowadzania do waraktora napięcia polaryzacji oraz sygnału elektrycznego przestrajania generatora. Na pręt stanowiący jeden z elementów filtru nałożono wkładkę z materiału absorbującego energię mikrofalową. Waraktor jest od strony wnęki połączony z układem sprzęgającym go z wnęką i służy do elektrycznego przestrajania generatora. Dla danego zbioru użytych diod najkorzystniejsze warunki generacji, sumowania mocy i szerokopasmowej pracy występują dla bardzo ściśle określonych wartości geometrycznych parametrów generatora: odległości diod od wnęki, głębokości wprowadzenia sondy do wnęki, objętości obszarów sprzężenia jednoznacznie określonych przez odległość linii od powierzchni bocznej wnęki dla ustalonych wymiarów wnęki i linii, odległości od wnęki filtrów środkowo-zaporowych. Zmiana odległości diod od wnęki jest możliwa poprzez zmianę liczby przekładek. Zmiana głębokości wprowadzenia do wnęki sondy jest możliwa poprzez wymianę środkowego przewodu wyjściowej linii współosiowej. Zmiana objętości obszarów sprzężenia z wnęką lub/i zmiana odległości filtrów środkowo-zaporowych od wnęki jest możliwa poprzez wymianę całego korpusu generatora łącznie z przekładkami. Przedstawiony generator, co prawda, posiada podzespoły umożliwiające dobranie optymalnych parametrów pracy, jednakże wymiana poszczególnych elementów generatora nie jest wygodna. Potrzeba również wyprodukować odpowiedni zestaw podzespołów, z których ostatecznie wybrane zostaną te, dla których można osiągnąć najlepsze warunki pracy urządzenia. Ponadto przestrajanie za pomocą pręcika ceramicznego, wsuwanego do wnęki rezonansowej, wpływa negatywnie na jej do-

3 PL B1 3 broć, jak również zaburza rozkład pól wewnątrz generatora. Zaburzenia te mogą prowadzić do wzbudzania się wyższych modów, które wpływają negatywnie na charakterystyki generatora, obniżając jego sprawność oraz utrudniając kontrolę parametrów pracy. Z polskiego opisu patentowego nr znany jest układ mikrofalowego generatora diodowego z symetrycznym transformatorem ćwierćfalowym, który ma znormalizowany falowód prostokątny, zakończony dwustronnym transformatorem ćwierćfalowym, zrealizowanym w szerokości falowodu. Falowód zamknięty jest od strony transformatora tylną ścianą przesuwną wzdłuż osi symetrii tej ściany i osi symetrii dwustronnego ćwierćfalowego transformatora w kierunku wysokości falowodu. Na tej ścianie symetrycznie umiejscowiona jest struktura zrealizowana w technice paskowej. Istota wielodiodowego generatora, według wynalazku, polega na tym, że ma segment wnęki z rezonansową wnęką toroidalną, w której osadzony jest trzpień wnęki toroidalnej umocowany w nieprzewodzącej tulei osadzonej w segmencie diod, przy czym pomiędzy trzpieniem wnęki toroidalnej a segmentem filtrów jest szczelina. Korzystnie, rezonansowa wnęka toroidalna od strony segmentu filtrów jest ograniczona elastyczną, przewodzącą membraną. Korzystnym jest również, gdy trzpień wnęki toroidalnej od strony segmentu filtrów, jest wyposażony w drugi pakiet piezoelektryczny umieszczony w szczelinie, przy czym drugi pakiet piezoelektryczny jest połączony elektrycznie i sztywno mechanicznie z trzpieniem wnęki toroidalnej oraz membraną. Korzystnie, trzpień wnęki toroidalnej od strony segmentu filtrów, jest wyposażony w diodę waraktorową umieszczoną w szczelinie. Korzystnie, trzpień wnęki toroidalnej jest wyposażony w mechanizm suwliwego przemieszczania trzpienia zamocowanym od strony segmentu diod. Korzystnie, mechanizmem suwliwego przemieszczania trzpienia jest pierwszy pakiet piezoelektryczny. Zaletą rozwiązania jest wykorzystanie takiej geometrycznej struktury wnęki rezonansowej, stanowiącej układ sumowania mocy z poszczególnych diod generacyjnych, aby uzyskać swobodę przestrajania w szerokim paśmie częstotliwości, bez zakłócania rozkładu obu składowych pola elektromagnetycznego. Wymagania te spełnia toroidalna wnęka rezonansowa, wykorzystana jako element determinujący częstotliwość drgań generatora wielodiodowego. Dodatkową zaletą jest możliwość ustalenia optymalnych parametrów pracy bez wymiany poszczególnych elementów. Jest to znacznym ułatwieniem produkcji seryjnej takich generatorów, polegającym na konieczności wykonania jednego tylko rodzaju zestawu podzespołów, umożliwiającego osiągnięcie najlepszych warunków pracy generatora po przeprowadzeniu jednej tylko operacji: dostrojenia wnęki rezonansowej. Dodatkową zaletą jest możliwość jego przestrajania w bardzo szerokim zakresie częstotliwości, dochodzącym nawet do 50%, przy zachowaniu bardzo dobrej czystości widma, bez konieczności wymiany elementów struktury generatora. Przy przestrajaniu szumy generatora są minimalne zwłaszcza, gdy we wnętrzu toroidalnej wnęki rezonansowej nie znajdują się żadne materiały dielektryczne wpływające niekorzystnie na jej dobroć i rozkład obu składowych pola elektromagnetycznego. Ponadto nowy generator wraz z przemieszczalnym trzpieniem wnęki toroidalnej, ma modułową konstrukcję. Dzięki tej konstrukcji, stosowana wnęka jest w istocie przelotowym otworem zamkniętym z jednej strony segmentem diod oraz trzpieniem rezonatora, a z drugiej segmentem filtrów bądź elastyczną membraną. Wymagane, dokładne wykonanie przelotowego otworu o dużej gładkości ścianek jest znacznie łatwiejsze od wykonania otworu nieprzelotowego o identycznych parametrach. Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest odtworzony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia generator z zaznaczoną płaszczyzną przekrojów łamanych w widoku od strony segmentu filtrów, fig. 2 przedstawia przekrój łamany generatora przez linię współosiową wyprowadzającą moc na zewnątrz generatora, a fig. 3 przedstawia przekrój łamany generatora przez wkręt łączący jego segmenty. P r z y k ł a d I Wielodiodowy generator mikrofalowy jest wyposażony w korpus zawierający wnękę mikrofalową, układ do przestrajania rezonatora, element wyprowadzający moc mikrofalową na zewnątrz generatora oraz linie generacyjne. Korpus generatora ma kształt walca i składa się z walcowych segmentów: segmentu diod 1, segmentu wnęki 2 i segmentu filtrów 3. Dodatkowo, w części środkowej segmentu diod 1 i wnęki 2, znajduje się trzpień rezonatora toroidalnego 4, który zamocowany jest suwliwie wzdłuż osi rezonatora. Wszystkie elementy korpusu są metalowe, a ich powierzchnie są pokryte cienką warstwą metalu, np. złota, o dużej przewodności elektrycznej, odpornego na działanie czynników atmosferycznych. Ele-

4 4 PL B1 menty korpusu są ściśnięte ze sobą za pomocą wkrętów 6 wkręconych w gwintowane otwory 7 wykonane w segmencie diod 1. Każdy wkręt 6 jest umieszczony w cylindrycznym otworze 8 wykonanym we wszystkich, z wyjątkiem segmentu diod 1, elementach korpusu. Precyzyjne ustawienie poszczególnych segmentów względem siebie jest osiągane dzięki kołkom 9 pozycjonującym. W segmencie wnęki 2 jest wykonany otwór przelotowy 10 mający cylindryczną powierzchnię 11, prostopadły do podstaw tego segmentu 2. Otwór 10 jest zamknięty z jednej strony płaszczyzną segmentu 3 filtrów, z drugiej strony płaszczyzną trzpienia 4 i segmentem diod 1, razem ze swą powierzchnią boczną 11 tworzy mikrofalową, toroidalną wnękę rezonansową. Wnęka jest podzespołem generatora wymuszającym częstotliwość drgań generatora oraz sumującym moce generowane przez poszczególne diody. Gładkość i przewodność elektryczna powierzchni tworzących wnękę decydują o dobroci elektrycznej wnęki. Obecny w segmencie wnęki 2 oraz segmencie diod 1 trzpień wnęki rezonansowej 4 jest umieszczony suwliwie w segmencie diod 1. U podstawy trzpienia 4 umieszczony jest mechanizm suwliwego przemieszczania trzpienia w postaci pierwszego pakietu piezoelektrycznego 12, który może przemieszczać w osi rezonatora trzpień, przestrajając w ten sposób wnękę rezonansową. Trzpień rezonatora 4 jest izolowany elektrycznie poprzez nieprzewodzącą tuleję 13 nałożoną na trzpień 4. W cylindrycznej ściance segmentu wnęki 2 jest wykonany radialnie cylindryczny, przelotowy otwór 14. W otwór 14 ten jest wciśnięta tuleja dielektryczna 15, w którą jest wciśnięty osiowo przewód środkowy 16. Tuleja 15 i przewód środkowy 16 z jednej strony wnikają do wnętrza wnęki 2, a z drugiej wystają poza segment wnęki 2. Przewód środkowy 16 połączony jest elektrycznie z segmentem diod i poprzez przewód 17 prostopadły do segmentu diod 1, tworząc pętelkę prądową, która umieszczona jest w miejscu maksymalnego natężenia składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego, istniejącego we wnęce rezonansowej. Na część tulei 15 wystającej poza segment wnęki 2 jest nałożony korpus 18 typowego złącza mikrofalowego, przy czym płaszczyzna tego korpusu 18 przylega do segmentu wnęki 2. Tuleja 15 i przewód środkowy 16 są zakończone płaszczyznami prostopadłymi do ich osi podłużnej, leżącymi w płaszczyźnie czołowej 19 korpusu 18. Przewód środkowy 16, tuleja 15 oraz ścianka otworu przelotowego 14 tworzą wyjściową linię współosiową, za pomocą której moc mikrofalowa jest wyprowadzana na zewnątrz generatora. W segmencie diod 1 są wykonane cztery identyczne, przelotowe, otwory cylindryczne 20. Część otworu 20, wykonana w segmencie diod 1, składa się z dwóch odcinków o różnych średnicach. Największą średnicę ma gwintowany odcinek zewnętrzny. W segmencie filtrów 3 są wykonane cztery identyczne, przelotowe, cylindryczne otwory 22 o skokowo zmiennej średnicy, współosiowo do otworów 21. Otwór 22 ma największą średnicę w jego części zewnętrznej i w tej części jest nagwintowany. Średnica sąsiedniej, środkowej części otworu jest nieco mniejsza. W zewnętrznym odcinku części otworu 20 wykonanym w segmencie diod 1, jest umieszczony metalowy, uchwyt diody 23, wypełniający cały obszar tej części otworu. Na płaszczyźnie czołowej uchwytu diody 23, zamykającej część otworu 20 o najmniejszej średnicy, jest umocowana dioda 24, której podłużna oś symetrii pokrywa się z osią otworu 20. Uchwyt diody 23 jest dociśnięty do segmentu diod 1 wkrętem dociskowym 25, wkręconym w zewnętrzny, gwintowany odcinek otworu 20. Kołpak 26 diody 23 jest umocowany w uchwycie kołpaka 27 stanowiącym część walcowego, środkowego przewodu 28 umieszczonego współosiowo w otworach 20 i 22. Przewód środkowy 28 ma średnicę mniejszą od najmniejszej średnicy otworu 22 i długość tak dobraną, że wystaje na zewnątrz segmentu filtrów 3. Odcinki przewodu środkowego 28 wraz z częściami o najmniejszych średnicach otworów 20 i 22 tworzą w segmentach diod 1 i filtrów 3 odcinki linii współosiowej. Kontynuacją linii współosiowych w segmencie wnęki 2, jest linia ekscentryczna, utworzona przez ścianki wnęki oraz środkowy przewód 28. Linia ekscentryczna jest sprzężona z wnęką przez obszar sprzężenia. W otworze 22 jest umieszczona cylindryczna, metalowa tuleja 29 filtru środkowozaporowego, o skokowo zmiennej średnicy zewnętrznej, przy czym płaszczyzna skokowej zmiany średnicy metalowej tulei 29, leży w płaszczyźnie skokowej zmiany średnicy otworu 22, pomiędzy wewnętrzną i środkową częścią tego otworu 22. Część metalowej tulei 29 o mniejszej średnicy jest umieszczona w wewnętrznej części otworu 22. Długość i średnica tej części tulei 29 jest nieco mniejsza od długości i średnicy wewnętrznej części otworu 22. Część tulei 29 o większej średnicy ma średnicę równą średnicy środkowej części otworu 22 oraz długość nieco większą od długości tej części otworu 22. W tulei 29 jest wykonany współosiowo otwór przelotowy 30 o średnicy równej średnicy wewnętrznej części otworu 20. Tuleja 29 jest dociśnięta do segmentu filtrów 3, dociskowym, metalowym wkrętem 31 wkręconym w zewnętrzną część otworu 22. Wewnętrzna część otworu 22 oraz

5 PL B1 5 część tulei 29 o mniejszej średnicy, tworzą współosiowy filtr środkowo-zaporowy, którego zastosowanie pozwala zwiększyć sprawność i poprawić charakterystyki częstotliwościowe generatora w porównaniu ze sprawnością i charakterystykami częstotliwościowymi osiąganymi w generatorze bez filtra środkowo-zaporowego. We wkręcie dociskowym 31 jest wykonany współosiowo otwór 32 o średnicy nieco większej od średnicy otworu 30. W otworach 30 i 32 jest umieszczony absorber 33 nałożony na środkowy przewód 28. Absorber 33, wykonany z materiału absorbującego energię mikrofalową, np. kompozytu żelaza karbonylkowego i żywicy epoksydowej, ma kształt tulei z wykonanym współosiowo przelotowym otworem o średnicy równej średnicy środkowego przewodu 28. Zewnętrzna średnica części absorbera 33 umieszczonej w otworze 32 jest równa średnicy tego otworu, natomiast długość tej części absorbera 33 jest nieco mniejsza od długości otworu 32. Zewnętrzna średnica części absorbera 33 umieszczonego w otworze 30 jest od strony otworu 32 równa średnicy otworu 30. Począwszy od pewnej odległości od otworu 32, zewnętrzna średnica tej części absorbera 33 zmniejsza się liniowo wraz z odległością do wartości równej średnicy środkowego przewodu 28 przy końcu absorbera 33. Długość tej stożkowej części absorbera 33 jest nieco mniejsza od długości tulei 29. W szczelinie 34, pomiędzy trzpieniem rezonatora toroidalnego 4 a segmentem filtrów 3 umieszczony jest drugi pakiet piezoelektryczny 35. P r z y k ł a d 2 Wielodiodowy generator mikrofalowy wykonany jest jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że pomiędzy segmentem filtrów 3, a segmentem wnęki 2 jest elastyczna membrana 5, która przyciągana do trzpienia rezonatora 4 za pomocą drugiego pakietu piezoelektrycznego 35, przestrajany jest generator. Trzpień rezonatora toroidalnego 4 połączony jest sztywno z segmentem diod 1. Ponadto otwór przelotowy 10 wykonany w segmencie wnęki 2 jest zamknięty z jednej strony płaszczyzną 5 membrany, a z drugiej strony płaszczyzną trzpienia 4 i segmentem diod 1, a część otworu 20, wykonana w segmencie diod 1, który składa się z dwóch odcinków o różnych średnicach, ma drugi, wewnętrzny odcinek otworu cylindrycznego 20 o mniejszej średnicy, równy średnicy otworów 21 wykonanych w membranie 5, pomiędzy segmentem 2 wnęki a segmentem 3 filtrów. Cztery cylindryczne otwory 22 wykonane w segmencie filtrów 3, o skokowo zmiennej średnicy, współosiowo do otworów 21, mają największą średnicę w części zewnętrznej i w tej części są nagwintowane, zaś średnica sąsiedniej, środkowej części otworów jest nieco mniejsza. Pozostała, wewnętrzna część otworu 22 ma najmniejszą średnicę, która jest większa od średnicy otworu 21 wykonanego w membranie 5. W szczelinie 34, pomiędzy trzpieniem 4 rezonatora a membraną 5 umieszczona jest dioda waraktorowa 36, którą polaryzuje się napięciem przyłożonym pomiędzy membranę 5 i trzpień 4, co w efekcie powoduje przestrojenie generatora, gdyż zmienia się pojemność waraktora 36. P r z y k ł a d 3 Wielodiodowy generator mikrofalowy wykonany jest jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że generator posiada suwliwą część środkową toroidalnej wnęki rezonansowej, zwaną dalej suwliwym trzpieniem. W segmencie diod 1, u podstawy trzpienia wnęki, zamontowano elementy piezoelektryczne, tworzące stos, zwane pierwszym pakietem piezoelektrycznym 12. Przykładając odpowiednie napięcie do pierwszego pakietu piezoelektrycznego 12 zmienia się jego geometrię, co z kolei, powoduje przemieszczenie się suwliwego trzpienia we wnęce rezonansowej, wzdłuż osi symetrii rezonatora. Przemieszczenie suwliwego trzpienia powoduje zmianę wysokości szczeliny 34 w obszarze maksymalnego natężenia pola elektrycznego toroidalnej wnęki rezonansowej. Częstotliwość pracy generatora może być w ten sposób zmieniana w zakresie, w którym są zapewnione warunki wzbudzenia drgań niegasnących we wnęce toroidalnej. Zastrzeżenia patentowe 1. Wielodiodowy generator mikrofalowy, w którym elementy czynne stanowią mikrofalowe diody generacyjne, wykazujące efekt dynamicznej, ujemnej rezystancji, a elementem sumującym moc generowaną przez poszczególne diody i określającym częstotliwość drgań jest mikrofalowa toroidalna wnęka rezonansowa, wokół której są umieszczone linie współosiowe, znamienny tym, że ma segment wnęki (2) z rezonansową wnęką toroidalną, w której osadzony jest trzpień wnęki toroidalnej (4) umocowany w nieprzewodzącej tulei (13) osadzonej w segmencie diod (1), przy czym pomiędzy trzpieniem wnęki toroidalnej (4) a segmentem filtrów (3) jest szczelina (34).

6 6 PL B1 2. Wielodiodowy generator, według zastrz. 1, znamienny tym, że rezonansowa wnęka toroidalna od strony segmentu filtrów (3) jest ograniczona elastyczną, przewodzącą membraną (5). 3. Wielodiodowy generator, według zastrz. 2, znamienny tym, że trzpień wnęki toroidalnej (4) od strony segmentu filtrów (3), jest wyposażony w drugi pakiet piezoelektryczny (35) umieszczony w szczelinie (34), przy czym drugi pakiet piezoelektryczny (35) jest połączony elektrycznie i sztywno mechanicznie z trzpieniem wnęki toroidalnej (4) oraz membraną (5). 4. Wielodiodowy generator, według zastrz. 1, znamienny tym, że trzpień wnęki toroidalnej (4) od strony segmentu filtrów (3), jest wyposażony w diodę waraktorową (36) umieszczoną w szczelinie (34). 5. Wielodiodowy generator, według zastrz. 1, znamienny tym, że trzpień wnęki toroidalnej (4) jest wyposażony w mechanizm suwliwego przemieszczania trzpienia zamocowany od strony segmentu diod (1). 6. Wielodiodowy generator, według zastrz. 5, znamienny tym, że mechanizmem suwliwego przemieszczania trzpienia jest pierwszy pakiet piezoelektryczny (12). Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)