Создание генератора на 2,45ГГц >50Вт Опции

[tl494]

Здравствуйте!

По теме своего диплома хочу создать генератор для накачки безэлектродной серной лампы. Смысл в том что в цилиндрическом резонаторе возбуждаем моду ТЕ111 и в пучность поля помещаем колбу с газом.
Сейчас имеется прототип такой системы с возбуждением от печного магнетрона мощностью около 700Вт.
Магнетрон подключается к волноводу а тот к резонатору через щель связи.


Требуется по сути создать аналогичное устройство но с мощностью порядка 50..100Вт частотой также 2,45.
Резонатор планирую возбуждать петлёй связи по коаксиалу.
Рассматривал несколько вариантов - автогенератор либо отдельно задающий ген + усилитель мощности.
Остановился пока на втором варианте т.к. по автогенераторам такой мощности и частоты не смог толком найти информации.

Задающий ген хочу взть готовый, VCO модуль 2436...2496MГц, 10мВт.
http://rfbayinc.com/upload/files/data_sheet/vco/v800me20.pdf

Вот с усилителем пока много неясностей..
Как я понимаю каскады должны работать в классе C т.к. повышается КПД а высокой линейности не требуется.
Для первых проб выбрал транзистор BLF2047
http://www.dectel.ru/philips/techdoc/RF/Ce...z/BLF2047_4.pdf
Импедансы у него документированы до 2,5ГГц.

В даташите приведена разводка платы для 2,2ГГц, попробовал для примера посчитать входную часть по диаграммам Смита (в программке Smith-chart) чтобы потом пересчитать на 2.45, но получается что-то совсем не то, т.е. импеданс приходит совсем не к 50 Омам. (линии считал в AppCADe, толщину и проницаемость подложки учёл). Проделывал тоже самое для другого транзистора PTF080901, там указаны электрические длины линий согласования, тоже не сходится.
Подскажите пожалуйста что здесь не так ?
Как-то приходилось согласовывать каскады усилителя ~200МГц по диаграммам Смита, тогда всё получалось.
Может быть совсем некорректно разбивать на отдельные линии даташитовскую топологию, а нужно моделировать топологию целиком ? Сейчас осваиваю HFSS для моделирования резонатора, возможно ли там смоделировать цепочку соласования ?

Заранее спасибо!

Мои знания в электронике - контроллеры Avr, Stm32, инверторы до киловатта, некоторые высоковольтные устройства на лучевых лампах., т.е. с СВЧ серьезно не сталкивался.

[VitaliyZ]

попробовал для примера посчитать входную часть по диаграммам Смита (в программке Smith-chart) чтобы потом пересчитать на 2.45, но получается что-то совсем не то, т.е. импеданс приходит совсем не к 50 Омам

Можно конкретнее, как считали и что с чем не сходится?

[merkader]

...... с СВЧ серьезно не сталкивался.

Думаю, что и не надо. Слишком спецефический опыт и оборудование придется получить. Удобней купить уже готовое. Если конечно есть деньги. Обратите внимание на продукцию французкой фирмы Sairem, сейчас она предлагает две модели п/п генераторов 2,45 ГГц 180-200 Вт в приборном корпусе и встраивамые модули. Эти изделия выпущены взамен магнетронных 300 Вт. Цена магнетронной модели около 6 кУе. В России очень удобную для исследований модель в 100 Вт выпускает Радис ЛТД с интерфейсами RS232, RS485 но из-за малой серии стоимость под 10 кУе.
Для источника света стоимость СВЧ энергии весьма критична и конкурировать с магнетронами для СВЧ печей не удастся. Те Вам стоит поискать магнетрон для СВЧ печи меньшей мощности, чем 700 Вт, скажем National Electronik "YJ1511SP" -300 Wt. Или использовать магнетроны производства АО "Тантал" с коаксиальным выходом М-62 2,35 ГГц 150 Вт 4,6/16 (75 Ом); М-95 2,45 ГГц, 25 Вт 4,6/16 (75 Ом); М-107 2,45 ГГц, 230 Вт, 7/16 (50 Ом) Источник анодного напряжения в 2,5 кВ сделать не трудно.
Вопрос все таки удастся Вам зажечь разряд в колбе при меньшей мощности? В опубликованых работах используют мощности в сотни ватт. Да и отдача света в 70 лм/Вт светодиодами достигнута. Те нужны только мощные источники - это должен быть прожектор.

[tl494]

Можно конкретнее, как считали и что с чем не сходится?

В даташите на BLF2047 на стр.6 приведена тестовая схема и печатка с размерами микрополосковых линий.

Попробовал смоделировать входную цепь (L1...L10, С1,С2), На диаграмме смита задал входной импеданс транзистора Zвх* = 4-J3, и последовательно добавлял элементы L10, L9 и т.д.(длинну в лямбдах беру из AppCad)

Сейчас понял что L10,L8 наверно нужно представлять в виде параллельно подключенной линии с открытым концом, попробовал, тоже невыходит, и в даташите импеданс L10 - 5ом т.е. будто она последовательно соединена.
Ожидал прийти таким образом к чисто активным 50 омам уже в точке соединения L7,L6 и С1 либо на входе у C2,L2.
(Кстати, элементы L2,L6,C1,C2 действительно являются П-фильтром ?)
Понимаю, что рассчитывать такую топологию по диаграммам Смита это совсем уж не точно, но хотябы приблизительное совпадение ведь должно быть..

Те Вам стоит поискать магнетрон для СВЧ печи меньшей мощности...

Действительно, в самом начале этой затеи предлагал использовать маломощный магнетрон, но начальник сектора, в общем главный, настаивает на полупроводниках аргументируя это вот таким зарубежным аналогом -
http://www.luxim.com/technology/how-lep-works

подробнее -  lux.doc ( 486.5 килобайт ) Кол-во скачиваний: 319

Научный руководитель также за то чтобы я "влез" в свч т.к. похоже во всем институте никто в этом серьезно не разбирается, а работы по свч тематике попадаются. Да и для диплома хотелось бы что-то руками сделать.

Вопрос все таки удастся Вам зажечь разряд в колбе при меньшей мощности?

Удалось, - на выходных подключил ВЧ модуль ~900МГц 20Вт, со спиралькой λ/4 на выходе, горит, но сера не испаряется - нехватает мощности. Колба тут поменьше раза в 3 чем та которая для 700Ватт, рассчитана, как мне сказали, на максимум 200..300Вт. Планируется использовать именно её.



Сейчас, чтобы не изобретать и не ошибиться, решил взять топологию тестовой платы из даташита на транзистор, пересчитать её на 2.45ГГц, и возможно подправить цепочку согласования для связи с резотатором.
Ещё потребуется усилить 10мВт генератора до 6..8Вт, тут думаю так-же действовать.
Платы есть возможность отдать изготавливать в "резонит" на специальных свч подложках.

Так-же начал осваивать Microwave Office, в основном потому, что нашел подробное описание. Може быть рассмотреть другие программы для проектирования которые для моей задачи лучше подойдут ?

[proxi]

Платы есть возможность отдать изготавливать в "резонит" на специальных свч подложках.

что же это за подложки сапфир, алмаз, ну там ситалл или поликор...
опасайтесь перетрава, как впрочем и не дотрава...

но начальник сектора, в общем главный, настаивает на полупроводниках

кстати у этих самых полупроводников может оказаться ниже КПД порядка 30% ( против 40-60% у магнетрона ) да и дуракоустойчивость... простите профессороустойчивость, может оставлять лучшего... но конечно если посчитать туда же накал тогда не факт

Да и для диплома хотелось бы что-то руками сделать.

я тоже хотел ( генератор ) для диплома но меня быстро остудили типо выдадим диплом монтажника
но генератор таки сделал ...

[tl494]

что же это за подложки

Имел ввиду материалы Rogers, Arlon и т.п.
Сапфир пока что круто слишком

КПД действительно больной вопрос, я таки надеюсь что в классе С можно будет выжать хотя-бы 50..60%, насколько это вообще реально ?

[proxi]

хотя-бы 50..60%, насколько это вообще реально ?

батенька, 30-40% а учитывая возбудитель может статься все 15-20%... и плюс обязательно защита по КСВ, иначе сгорит сразу,
с вероятностью 99%...
эх, мне бы время, сфорганил бы на раз, но магнетрон если вам к тому же удалось его заставить работать, несравненно устойчивей
к такого рода нагрузкам...

[merkader]

КПД действительно больной вопрос, я таки надеюсь что в классе С можно будет выжать хотя-бы 50..60%, насколько это вообще реально ?

Реально, только такой КПД у самых новых мощных транзисторов, а они не дешевы и быстро не подешевеют. Кристалл "TriQint Semic." TGF 2023-20 (100 Вт, 17,5 дБ, 58%) 2011г; "Cree" CRF 24060 (DC-2,7 GHz, 60 Вт, 13 дБ, 45%) 2006 г. "Tyco Electr." PH2226-110M (ОБ, 110 Вт, 6,8 дБ, 40%) 2003 г.
Попробуйте "Cree" купить через компанию "Прософт" для пробы. Но в любом случае у Вас получится только макет для экспериментов. Будьте уверены "Luxim" драйверы покупает у специализированой фирмы. Так же следует поступить и Вам. Высокая цена драйвера лампы отбивается ее долговечностью, а если еще серийность увеличить...
Судя по размерам ДР "Luxim" лампа работает на частоте 2,45 ГГц и из 180 Вт потребления ее КПД не определишь. На частоте 0.915 ГГц КПД можно по лучить больший, а драйвер будет дешевле. Так что Вам стоит продолжить эксперименты с макетом - увеличить мощность накачки, завести ОС на изменение частоты резонанса при зажигании. Попробуйте разместить колбу (цилиндрическую) внутри спирали спирального резонатора, а внешний экран сделайте перфорированым.

[andreysar]

Здравствуйте!

По теме своего диплома хочу создать генератор для накачки безэлектродной серной лампы. Смысл в том что в цилиндрическом резонаторе возбуждаем моду ТЕ111 и в пучность поля помещаем колбу с газом.
Сейчас имеется прототип такой системы с возбуждением от печного магнетрона мощностью около 700Вт.
Магнетрон подключается к волноводу а тот к резонатору через щель связи.
Требуется по сути создать аналогичное устройство но с мощностью порядка 50..100Вт частотой также 2,45.

А не проще ли включить тот же самый магнетрон, но со скважностью ~10?
При нормальном ИП высокий КПД останется, цена дешевая, скважностью можно управлять еще и подводимой мощностью.

[proxi]

При нормальном ИП высокий КПД останется, цена дешевая,

печка со всем магнетроном можно и за 50 баксов прикупить, не знаю что там в твердотельном можно купить за эквивалентную цену, но уверен, что то можно ( уши от мертвого осла не предлагать )...

[izerg]

По теме своего диплома хочу создать генератор для накачки безэлектродной серной лампы.

Совет немного не по теме:
Паралельно с оформлением диплома - подавайте заявку в патентный отдел на "полезную модель" как минимум.
Патентный отдел при самом ВУЗе обычно имеется, но можно и в сторонний подать - меньше интриг будет.
После сдачи диплома - будет поздно, окажетесь в лучшем случае 20-м в списке.
С бумагой на руках много чего в будущем проще будет.

На форуме поищите, кто-то выкладывал практические результаты по регулировка магнитрона в бытовой печке.
Если правильно помню - мощность регулировалась вроде как от 100 Вт.

Зарубежные аналоги на полупроводниках - хорошо, но думаю по цене компонентов и по устойчивости магнитрон всетаки лучше.

P.S. Правила техники безопасности по работе с СВЧ читать каждый день перед экспериментами.

[tl494]

Немного разобрался с MWO, смоделировал согласующую цепочку для BLF2047 из даташита, S-параметров на него не нашёл поэтому задал входной импеданс в виде комплексного резистора.
Покрутив подстроечники и чуть укоротив одну линию получил на входе 50 Ом.
BLF2047 использую т.к. их уже заказали и по стоимости 20$ всего.


Пока моделировал накопились некоторые вопросы -
1. Есть линии типа Closed form и EM, какие "лучше" использовать ?, пробовал и те и другие разницы не заметил..
2. как экспортировать схему в виде картинки с бОльшим разрешением или увеличить шрифт подписей ?

Нашёл новые транзисторы у NXP как-раз на 2.45 для промышленного применения, КПД до 53% на CW. Они пока доступны только в виде сэмплов.
http://www.ru.nxp.com/products/rf/amplifie..._band/#products

Так что Вам стоит продолжить эксперименты с макетом - увеличить мощность накачки, завести ОС на изменение частоты резонанса при зажигании.

Пробовал менять частоту задающего VCO, 840-921МГц ток потребления и яркость колбы сильно меняются, четко виден максимум около 909Мгц, но я не уверен что дело именно в резонансе спирали, т.к. если на выход повесить 50омный резистор то максимум всеравно остаётся правда на более низкой частоте.
Попрбую еще добавить согласующую цепочку между выходом модуля и спиралью.

Мне всё больше кажется что нужно использоваь именно 915МГц т.к. тогда можно вытянуть те самые 70% КПД, но потребуестя придумывать другой способ возбуждения колбы..моделирую спиральные резонаторы в HFSS..
но непойму как хотябы примерно задать модель лампы в HFSS, если известно что колба объемом 0.5см^3 должна поглощать ~100Вт энергии.

А не проще ли включить тот же самый магнетрон, но со скважностью ~10?

Магнетрон к сожалению отпадает т.к. по тз и теме диплома должен быть именно полупроводниковый генератор.

Паралельно с оформлением диплома - подавайте заявку в патентный отдел на "полезную модель" как минимум.

Спасибо, попробую разузнать.

[merkader]

Пробовал менять частоту задающего VCO, 840-921МГц ток потребления и яркость колбы сильно меняются, четко виден максимум около 909Мгц, но я не уверен что дело именно в резонансе спирали, т.к. если на выход повесить 50омный резистор то максимум всеравно остаётся правда на более низкой частоте.
Попрбую еще добавить согласующую цепочку между выходом модуля и спиралью.

Это именно резонанс так вияет, шунтировать спираль не надо, следует добиваться как можно большей добротности, а она уже и так в 10 раз упала из-за диэлектрика колбы. Холодный (с колбой) резонанс следует настраивать на нижнюю часоту диапазона 915+/- 25 МГц тк с плазмой резонансная частота системы увеличивается.

Мне всё больше кажется что нужно использоваь именно 915МГц т.к. тогда можно вытянуть те самые 70% КПД, но потребуестя придумывать другой способ возбуждения колбы..моделирую спиральные резонаторы в HFSS..

В этом диапазоне частот напряжение пробоя меньше чем на 2,45 ГГц в 2-3 раза. Если удачно подобрать давление в колбе или регулировать в эксперименте. Те и минимально-небходимая для работы мощность может быть менше, а КПД драйвера выше. Единственно, что плотность плазмы будет меньше, но если колба не велика, то достижение плазмой критической плотности сильно не скажется.

но непойму как хотябы примерно задать модель лампы в HFSS, если известно что колба объемом 0.5см^3 должна поглощать ~100Вт энергии.

Справа колба внутри спирального резонатора.

Возможно это представление поможет сфомировать задание HFSS.

[ArtemDement]

Здравствуйте!

По теме своего диплома хочу создать генератор для накачки безэлектродной серной лампы. Смысл в том что в цилиндрическом резонаторе возбуждаем моду ТЕ111 и в пучность поля помещаем колбу с газом.

А часть дипломного проекта посвященная преимуществам такого источника света уже написана ? В чем профит ? Неужели КПД получается выше, чем у светодиодов ? И что думаете предпринять для экранирования опасного для здоровья СВЧ-излучения ?

[merkader]

В чем профит ? Неужели КПД получается выше, чем у светодиодов ? И что думаете предпринять для экранирования опасного для здоровья СВЧ-излучения ?

КПД (лм/Вт) у светодиодов выше до 140 лм/вт против 60-80 лм/Втт у СВЧ-разрядных ламп с п/п и 100-120 лм/Вт магнетронными драйверами СВЧ накачки, но у СВЧ-разрядных ламп самое лучшее спектральное распределение света, см график. У светодиодов с этим распределением есть еще большие проблемы, особенно с деградацией параметров со временем. В первую очередь - это ниша достаточно мощных источников света, маломощные однозначно останутся за светодиодами, не смотря на некоторые недостатки светодиодов.
СВЧ излучение в пространство разработчиками всегда учитывается - на расстоянии 1 м плотность излучения сотавляет 0,04 мкВт/см2 при зажигании разряда и 0,01 мкВт/см2 в стационарном режиме. Если уличный светильник находится на высоте 5м то и излучение упадет пропорционально увеличению радиуса сферы с 1м до 5 мкВт/см2. Справочно - у сотового телефона, в упор к голове 1400 мкВт/см2, ана расстоянии в 40 см уже меньше 10 мкВт/см2

[AFK]

А где ж, интересно, такой канделябр Вавилова-Черенкова применяется?

[merkader]

А где ж, интересно, такой канделябр Вавилова-Черенкова применяется?

А Вы по ссылочке автора топика посмотрите Тут

[tl494]

Возможно это представление поможет сфомировать задание HFSS.

Большое спасибо, если не секрет, скажите автора книги.

Мне вот недавно попалась книжка по мощным промышленным плазмохимическим реакторам, там рекомендуют возбуждать разряд сразу несколькими частотами, вплоть до использования шумового сигнала.. Думаю на будущее это пригодится.

Моделировал спирали..
Колбу пока не помещаю внутрь спирали, руководитель против)



В качестве колбы задаю материал с потерями (с конечной проводимостью), хорошо видно как величина потерь сказывается на добротность, резонансный максимум "расплывается"
другое дело что это к сожалению не дает никакой количественной оценки.

Также придумал возбуждать колбу двумя спиралями в противофазе, как соберу усилитель проверю, покритикуйте пожалуйста такой способ)

[merkader]

Большое спасибо, если не секрет, скажите автора книги.

Я цитировал две книги
Окресс Э. (ред.) =СВЧ-Энергетика= т.3 (М. Мир, 1971) (есть на либгене) краткие доступные для первого ознакомления обзоры и
Диденко А.Н. =СВЧ- энергетика. Теория и практика= (М. Наука, 2003) - сдесь СВЧ-лампы достаточно полно описаны. Посмотрите статьи
Э.Шлифер =Некоторые особенности и проблемы создания осветительных и облучательных устройств на базе безэлектродных газоразрядных ламп с СВЧ- накачкой.=
Э.Шлифер =Безэлектродные СВЧ-разрядные источники света: перспективы просматриваются=

Мне вот недавно попалась книжка по мощным промышленным плазмохимическим реакторам, там рекомендуют возбуждать разряд сразу несколькими частотами, вплоть до использования шумового сигнала.. Думаю на будущее это пригодится.

Это в большей степени для больших камер (объемов) для равномерного распределения нагревающих полей. В бытовой СВЧ печи вращают нагрузку или меаллические лопасти. А Ваша нагрузка точечная и разместить ее надо в максимуме резонансного поля в противном придется давить киловатной мощностью. Да и частоты Вы можете выбрать, только разрешенные для промышленного использования 915 МГц и 2450 МГц.

Моделировал спирали..
Колбу пока не помещаю внутрь спирали, руководитель против)

Аргументирует почему?

В качестве колбы задаю материал с потерями (с конечной проводимостью), хорошо видно как величина потерь сказывается на добротность, резонансный максимум "расплывается"
другое дело что это к сожалению не дает никакой количественной оценки.

Наверно как то и это все считается.

Также придумал возбуждать колбу двумя спиралями в противофазе, как соберу усилитель проверю, покритикуйте пожалуйста такой способ)

Петр Капица так свои плазмоиды получал, только применял коаксиальные резонаторы. В эксперименте это допустимо, а вот для практики не очень, тк Вам придется фазировать 2 источника сигнала и менять их параметры в зависимости от СВЧ разряда.