Твердотельные источники энергии установок СВЧ диэлектрического нагрева

Одним из основных компонентов всех установок СВЧ диэлектрического нагрева является источник СВЧ энергии, который преобразует энергию переменного или постоянного тока электрической сети в энергию СВЧ электромагнитных колебаний, вызывающих поляризацию обрабатываемого диэлектрика и, как следствие, достижение того или иного технологического эффекта (нагрев, сушка, плавление, отверждение, дефростация, полимеризация и др.). СВЧ электромагнитные колебания (СВЧ электромагнитные волны) от источника СВЧ энергии по волноводу поступают в рабочую камеру установки СВЧ диэлектрического нагрева, в которой поглощаются обрабатываемым диэлектриком. Различают традиционное (тепловое) действие СВЧ энергии на диэлектрик и нетради- ционное (нетепловое) действие на полимеры, при котором происходит модификация свойств полимерного материала, сырья или изделия (полисуль-фидной смолы, поликапроамидных нитей и волокон, эпоксидных компаудов) без существенного нагрева [1, 2].

Рабочие камеры различаются конструкциями, характеристиками и подразделяются на рабочие камеры с бегущей волной (КБВ), камеры лучевого типа (КЛТ) и камеры со стоячей волной (КСВ) [3–5].

В подавляющем большинстве установок СВЧ диэлектрического нагрева в качестве СВЧ генератора применяют магнетроны – электровакуумные приборы [6]. Структурная схема источника СВЧ энергии с магнетроном показана на рис. 1. Для получения высокого анодного напряжения магнетрона используется повышающий трансформатор

Рис. 1. Структурная схема источника энергии СВЧ на основе магнетрона: 1 – повышающий трансформатор; 2 – удвоитель напряжения; 3 – магнетрон

и удвоитель напряжения, собранный на высоковольтном диоде и конденсаторе. При такой схеме магнетрон работает лишь на одной полуволне питающего переменного напряжения, так как другая полуволна заряжает конденсатор удвоителя напряжения.

Показанная на рис. 1 схема получила широкое распространение благодаря простоте и невысокой стоимости. Однако источник СВЧ энергии на магнетроне имеет недостатки:

– невозможность перестройки по частоте;

– работа только на одной полуволне питающего напряжения;

– невозможность плавного регулирования выходной СВЧ мощности;

– высокое анодное напряжение;

– ограниченный срок службы.

Известны схемы питания магнетрона с выпрямителем анодного напряжения [5], однако они сложнее и дороже.

Постановка задачи

Альтернативой магнетрону в источниках СВЧ энергии в установках СВЧ диэлектрического нагрева могут стать твердотельные (полупроводниковые) СВЧ приборы, поскольку кроме традиционного применения мощных полупроводниковых СВЧ транзисторов в радиолокации, радиосвязи и базовых станциях мобильной связи появилась возможность построить полупроводниковые СВЧ генераторы технологического назначения. Первые работы, в которых предложено применение полупроводниковых приборов в качестве генераторов для установок диэлектрического нагрева, появились в конце 70-х годов [7, 8]. Однако применение твердотельных генераторов для диэлектрического нагрева в то время было нерациональным в связи с недостаточно высокой выходной мощностью таких генераторов, их низким КПД и высокой стоимостью.

В последние годы технические характеристики полупроводниковых СВЧ приборов позволяют фирмам-производителям выпускать транзисторы СВЧ диапазона с выходной непрерывной мощностью до 250 Вт [9, 10] в диапазонах частот, предназначенных для применения СВЧ энергии в промышленных, научных и медицинских целях (ISM-диапазон). Наиболее крупными производителями таких приборов на данный момент являются компании NXP (Китай) и Ampleon (Нидерланды). Характеристики выпускаемых этими компаниями мощных СВЧ транзисторов, предназначенных для технологических целей, показаны в таблице.

Применение мощных СВЧ транзисторов имеет преимущества перед магнетронами малой мощности:

– выходной мощностью транзистора можно управлять в широких пределах, что позволяет варьировать уровень выходной мощности источника СВЧ энергии в процессе его работы;

– специально разработанные СВЧ транзисторы могут работать при K _{ст U} нагрузки до 5…30, что выше максимального значения этого параметра у магнетронов ( K ст U ≤ 3);

– напряжение питания транзисторов не более 50 В, что позволяет отказаться от высоковольтного трансформатора и использовать малогабаритные блоки питания при непрерывном излучении СВЧ энергии в рабочую камеру;

– СВЧ транзисторы могут работать в широкополосном режиме, а перестройка частоты СВЧ генератора даст возможность повысить равномерность термообработки [11, 12];

– СВЧ транзисторы более долговечны, имеют меньшие габариты и вес.

Рассмотрим принципы построения и методику расчета твердотельного СВЧ генератора установки СВЧ диэлектрического нагрева малой мощности.

Мощные СВЧ транзисторы для технологических целей производства компаний NXP и Ampleon

Тип	Тестовые частоты, МГц	P СВЧ , Вт	Усиление, дБ	U пит , В	КПД, %	K ст U , max нагр.	Производитель	Источн. информ.
BLC2425M8LS300P	2450	300	17	32	58	10	Ampletron	[9]
BLF2425M7L250P	2450	250	15	28	51	5	Ampletron	[9]
BLC2425M9LS250	2450	250	18,5	32	61	5	Ampletron	[9]
BLF2425M6L180P	2450	180	13,3	28	53	5	Ampletron	[9]
BLF2425M7L140	2450	140	18,5	28	52	10	Ampletron	[9]
BLF2425M9LS140	2450	140	19	28	56	10	Ampletron	[9]
BLF10H6600PS	400–1000	600	20,8	50	46	40	Ampletron	[9]
BLF0910H6L500	900–930	500	18	50	61	30	Ampletron	[9]
MHE1003N	2400–2500	230	14	26	61,5	10	NXP	[10]
MHT1000H	2400–2500	140	13,2	28	45	10	NXP	[10]
MHT1001H	2400–2500	190	13,2	28	46,2	10	NXP	[10]
MHT1003N	2400–2500	250	15,9	32	59	10	NXP	[10]
MHT1004N	2400–2500	300	15,2	32	57,9	5	NXP	[10]
MHT1002N	915	350	20,7	48	66,9	10	NXP	[10]
MHT2001N	902–928	175	33,8	50	72,8	10	NXP	[10]

Рис. 2. Обобщенная структурная схема полупроводникового источника энергии установки СВЧ диэлектрического нагрева

б)

Рис. 3. Схемы увеличения выходной мощности твердотельного СВЧ генератора: а – с сумматором мощности; б – с несколькими излучателями

Принципы построениятвердотельного источника энергии

Так как СВЧ т р ан з и с т о р ы я в ляю т с я уси лит еля ми, т о для п о с т р о ени я и с то ч н ик а СВ Ч эн ер гии на их о сн ове т р е буется оп о р н ый ( задаю щий ) г е н е р ат о р З Г , ф о р ми рую щий р а б о чую ч аст оту уст а н овки диэ лек три ч ес к о г о наг р ев а. В к ач ес т ве з ад а ю щ е г о ген ер ат о р а мож н о р ек о ме н д ов ат ь и с п о ль зов ать генер ат о р ы , уп р а в ля емы е нап ряже н ием ( Г У Н ) ди а п азон а СВ Ч [ 1 3 ] . В сл уч ае п о с т р о ени я п ер ес т р а и ваемог о источ н и ка С ВЧ э не р г и и [11] м ог у т бы т ь испо л ьз о ваны си нт е з аторы ча сто т на осн ов е так их гене р а торо в .

Чаще всего ГУН представляет собой автогенератор, в цепь положительной обратной связи которого включен перестраиваемый резонатор того или иного типа. В диапазоне СВЧ для целей СВЧ нагрева могут быть использованы резонаторы на основе варикапов или ЖИГ-резонаторы [14]. Наиболее простые и недорогие решения можно построить, используя резонатор на основе колебательного контура с перестройкой частоты варикапами. В этом случае ЗГ может быть выполнен в малогабаритном корпусе. Современные ГУН на варикапах выпускаются различными зарубежными и отечественными компаниями в виде МИС для печатного монтажа либо в компактных корпусах с коаксиальным выходом.

Сигнал с выхода задающего генератора должен быть подан на мощный усилитель СВЧ, на выход которого подключается рабочая камера, с помощью линии передачи (чаще всего – прямоугольный волновод). Обобщенная структурная схема полупроводникового источника СВЧ энергии показана на рис. 2.

Для получения максимально возможной выходной мощности, при которой усилитель входит в режим насыщения (точка компрессии по уровню 1 дБ), требуется обеспечить на его входе уровень сигнала не менее:

p1dB~G

Pw = 10 10 ,

где P _w - требуемая мощность на входе, Вт, P _ldB -мощность точки компрессии по уровню 1 дБ, обычно указываемая в справочных параметрах транзисторов в дБм, G - коэффициент усиления транзистора, дБ.

В случае если задающий генератор обладает выходной мощностью меньше Pw, необходимо ус- тановить предварительный усилитель, включаемый между задающим генератором и усилителем мощности. Если для технологического процесса необходима более высокая выходная мощность, возможна совместная работа нескольких транзисторов на одну нагрузку. В этом случае их выходная мощность складывается, при этом важна идентичность фаз колебаний обоих транзисторов. Возможны два варианта сложения мощности. В первом случае (рис. 3а) входной сигнал с задающего генератора с помощью делителя мощности подаётся на каждый из транзисторов, а затем усиленный сигнал суммируется и подаётся в рабочую камеру с помощью одного излучателя. Во втором случае (рис. 3б) усиленный сигнал с выхода каждого транзистора подаётся в рабочую камеру через отдельный излучатель. Этот вариант наиболее просто можно реализовать в рабочей камере лучевого типа.

Методика расчёта твердотельного источника СВЧ энергии установки диэлектрического нагрева

Для проведения расчёта важнейшим критерием является необходимая выходная СВЧ мощность твердотельного источника СВЧ энергии. Для выходной мощности, сравнимой с мощностью магнетрона (≈ 500 Вт), требуется параллельное включение как минимум двух мощных транзисторов по схеме рис. 3а.

Проще всего провести расчет источника СВЧ энергии, используя относительные логарифмические единицы мощности – дБм, опорной мощностью которых является величина 1 мВт. В этом случае, выходная мощность источника СВЧ энергии на двух параллельно включенных транзисторах будет равна:

где G _pr - коэффициент усиления предварительного усилителя (дБ), Р ЗГ - минимальная выходная мощность задающего генератора (дБм).

В качестве примера рассмотрим структурную схему твердотельного источника СВЧ энергии (рис. 4), и проведём расчет её характеристик при использовании выпускаемых серийно полупроводниковых приборов.

Максимальная выходная мощность, поступающая в рабочую камеру источника СВЧ энергии, показанного на рис. 2, составляет около 500 Вт. Эта величина ограничена мощностью уровня компрессии выходных транзисторов (PldB). В данном случае выходная мощность сравнима с выходной мощностью технологических магнетронов, применяемых в бытовых СВЧ печах.

В качестве задающего генератора был выбран ЖИГ-генератор MLTO-50204 производства Micro Lambda Wireless, inc [14]. Его выходная мощность не превышает P _G = 10 ± 5 мВт (10 ± 3 дБм). Генератор может перестраиваться в диапазоне 2–4 ГГц в зависимости от управляющих напряжений на обмотках резонатора.

В качестве транзисторов оконечного усилителя можно рекомендовать приборы, показанные в таблице. В качестве примера рассмотрим транзисторы MHT1003N производства NXP (рис. 5).

Коэффициент усиления на частоте 2450 МГц каждого такого транзистора составляет G = 15,9 дБ, а максимальная выходная мощность P_ldB = 250 Вт. Для получения выходной мощности Р_общ = 500 Вт (56,99 дБм) требуется суммировать выходные мощности двух транзисторов. Согласно (3), на входе усилителя мощности требуется обеспечить уровень входного сигнала не менее

Pamp.in = 56,99 — 3 — 15,9 + 3 = 41,09 дБм.

Кроме того, в выходном спектре ЖИГ генератора имеются гармонические составляющие сигнала с частотами кратными выходной частоте, способные негативно повлиять на усилитель. Для их устранения обычно применяют фильтр нижних частот (2 на рис. 4) с частотой среза, находящейся в пределах Е _ген < Е _ср < 2Е _ген , где Е_ср - частота среза

Рис. 4. Структурная схема источника СВЧ энергии для установки СВЧ диэлектрического нагрева на твердотельных приборах: 1 – опорный генератор; 2 – фильтр нижних частот; 3 – предварительный усилитель; 4 – управляемый аттенюатор; 5 – делитель мощности; 6, 7 – усилители мощности; 8 – сумматор мощности; 9 – рефлектометр;

10 – детекторы СВЧ мощности прямой и обратной волн

фильтра, Г _ген - о с н ов на я час то та ге не ра тора (или ма кс им а л ь на я ча с то та , е с ли ге не ратор ра бота е т в широкополосном режиме).

В данном случае мощность сигнала с выхода опорного генератора недостаточна для работы вы- ходных транзисторов в режиме насыщения, при котором достигается максимальная выходная мощность. Необходим дополнительный предусилитель СВЧ сигнала (3 на рис. 4), включаемый после СВЧ фильтра. Для рассчитываемой схемы источника СВЧ энергии, согласно (4), требуется предварительный усилитель с коэффициентом усиления не менее:

Gpr = 41,09 - 10 = 31,09 дБ.

Рис. 5. Мощный кремневый LDMOS транзистор MHT1003N производства NXP для применения в технологических установках

Д ля г и б кого у п равл ен и я техно л ог и че ск им пр оцессом ис точ ни к э н ерг ии мож е т включа ть многоступенчатый СВЧ а ттенюатор (4 на рис . 4) для р е г улиров ки в ых од ной мощн ости СВ Ч усилител я в ши роки х пре дел ах п у тё м из м е нени я у пра вл яющ е го н ап ряж е н ия н а аттеню а торе . Е с л и в у с тановке пре д у с м отре н ш ирокопол ос ный реж им ра боты

[10], то от системы управления поступает управляющее напряжение на опорный генератор, осуществляя его перестройку в соответствии с алгоритмом работы системы управления.

Блок питания показанного на рис. 4 источника СВЧ энергии должен обеспечивать несколько питающих напряжений:

– выходных транзисторов (+26 В × 15,4 А, для каждого транзистора);

– задающего генератора (–5 В, +8 В);

– СВЧ предварительного усилителя (5–12 В, в зависимости от типа усилителя).

Для упрощения источника СВЧ энергии можно использовать только один выходной транзистор, что снизит требования к источнику питания. Такая замена возможна, если требуется более низкий уровень мощности энергии СВЧ в рабочей камере, который сможет обеспечить даже один прибор. Для увеличения выходной СВЧ мощности можно включать параллельно более двух выходных транзисторов, однако это приводит к большей сложности схемы и соответственно более высокой стоимости установки [15].

Выводы

Полупроводниковые мощные СВЧ транзисторы могут быть использованы в качестве источника энергии СВЧ установок диэлектрического нагрева и имеют преимущества перед традиционными СВЧ генераторами на магнетронах. Для построения такого источника энергии требуется задающий генератор и усилитель мощности.

Важной задачей при проектировании твердотельного источника СВЧ энергии является верный расчёт схемы СВЧ усилителя для достижения требуемой выходной мощности СВЧ энергии в рабо- чей камере. Предложенная методика расчёта позволяет определить необходимые значения параметров полупроводниковых приборов для достижения требуемой выходной мощности.

Приведенный пример расчёта показывает, что современные полупроводниковые приборы позволяют добиться выходной мощности в нагрузке, сравнимой с выходной мощностью магнетрона (≈ 500 Вт) при параллельном включении двух транзисторов. Приведён перечень выпускаемый мощных СВЧ транзисторов, рекомендуемых для применения в установках СВЧ диэлектрического нагрева.