ВВОД И/ИЛИ ВЫВОД ЭНЕРГИИ СВЧ С ОКНОМ БАНОЧНОГО ТИПА ДЛЯ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
INPUT AND/OR OUTPUT OF MICROWAVE ENERGY WITH CAN-TYPE WINDOW FOR HIGH-CAPACITY ELECTRONIC INSTRUMENTS

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к вводам и/или выводам энергии СВЧ для мощных электронных приборов.
Ввод и/или вывод энергии СВЧ (далее вывод энергии СВЧ), последний особенно, являются одной из основных проблем при создании мощных электронных приборов.
Широкое распространение получил вывод энергии СВЧ с окном баночного типа благодаря его простоте, технологичности, большой широкополосности согласования.
Вывод энергии СВЧ характеризуется прежде всего:
во-первых, широкополосностью согласования и диапазоном длин волн, в котором он используется.
Согласование оценивают в процентах диапазона длин волн, в котором потери СВЧ на отражение не превышают одного процента - это соответствует уровню коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) не выше 1,22.
Одной из причин потерь СВЧ является наличие паразитных резонансов, которые могут быть обусловлены отрезком волновода, диэлектрической перегородкой (далее диэлектрический диск) окна баночного типа, согласующими и другими элементами вывода энергии СВЧ.
Из существующих способов устранения паразитных резонансов является выбор конструкционных параметров и геометрических размеров элементов вывода энергии СВЧ;
во-вторых, надежностью, определяемой прежде всего термомеханической и электрической прочностью соединений элементов вывода энергии СВЧ.
Основной задачей данного изобретения является достижение высокой надежности и прежде всего благодаря повышению термомеханической и электрической прочности соединений элементов вывода энергии СВЧ при сохранении низких потерь СВЧ, высокого уровня выходной мощности.
Известен вывод энергии СВЧ с окном баночного типа, содержащий отрезки прямоугольных волноводов, соединенные с размещенным между ними отрезком круглого волновода, в поперечной плоскости которого расположен диэлектрический диск, отделяющий вакуумную часть вывода энергии, проводящий элемент подавления паразитных резонансов, проводящие диафрагмы.
В котором с целью повышения технологичности, термомеханической прочности проводящий элемент подавления паразитных резонансов выполнен в виде полого цилиндра, расположенного соосно отрезку круглого волновода, внешняя поверхность которого имеет не более трех участков с различными наружными диаметрами и длиной, при этом наиболее удаленный участок от диэлектрического диска расположен за пределами отрезка круглого волновода [1].
В данной конструкции достаточно успешно решена задача снижения паразитных резонансов разного вида посредством подбора конструкционных параметров и геометрических размеров элементов вывода энергии СВЧ.
Однако, что касается других характеристик, упомянутых в техническом результате, а именно повышения технологичности, термомеханической прочности, говорить об этом затруднительно из-за их недостаточной обоснованности.
Известен вывод энергии СВЧ с окном баночного типа для мощных электронных приборов, содержащий отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого расположен диэлектрический диск, отделяющий вакуумную часть вывода энергии, присоединительный фланец, проводящие диафрагмы.
В котором с целью снижения потерь СВЧ, повышения уровня выходной мощности и повышения надежности диэлектрический диск выполнен, по меньшей мере, с одной вогнутой поверхностью радиусом, меньшим, чем радиус диэлектрического диска.
Это обеспечивает сдвиг частот паразитных резонансов из рабочей полосы частот за ее пределы и тем самым их снижение и, как следствие, снижение потерь СВЧ, повышение уровня выходной мощности [2].
Данная конструкция вывода энергии СВЧ, как и предыдущая, решает задачу снижения паразитных резонансов и, как следствие, снижения потерь СВЧ посредством подбора конструкционных параметров и геометрических размеров диэлектрического диска.
Однако, с другой стороны, неравномерная толщина диэлектрического диска приводит к неравномерности температурного поля в нем и особенно в месте соединения его с отрезком круглого волновода и тем самым вызывает недопустимый рост опасных видов остаточных термомеханических напряжений, таких как разрывающих, изгибающих, приводящих к снижению термомеханической и электрической прочности указанного соединения и, как следствие, снижению надежности вывода энергии СВЧ.
Известен ввод и/или вывод энергии СВЧ с окном баночного типа для мощных электронных приборов, содержащий отрезки прямоугольных волноводов, соединенные с соосно расположенным между ними отрезком круглого волновода с различными геометрическими размерами, в поперечной плоскости которого расположен диэлектрический диск, герметично соединенный с его внутренней поверхностью и отделяющий вакуумную часть. Компенсаторный элемент, расположенный на наружной поверхности отрезка круглого волновода и соединенный с ним, проводящий элемент подавления паразитных резонансов в виде полого цилиндра, по меньшей мере, из двух частей, отличающихся наружным диаметром, и расположенный полностью в вакуумной части, соосно отрезку круглого волновода, при этом соединен с его торцевой поверхностью, а с диэлектрическим диском образует зазор. Элемент для охлаждения, соединенный с отрезком круглого волновода, при этом последний и компенсаторный элемент выполнены за одно. Присоединительный фланец, непосредственно прилегающий к торцевой поверхности отрезка круглого волновода с не вакуумной стороны.
В котором с целью снижения потерь СВЧ посредством снижения паразитных резонансов и возможности достижения согласования баночного окна с любым диэлектрическим диском, имеющим различную диэлектрическую проницаемость, последний может быть выполнен с различной толщиной, при этом с равномерной, одинаковой, по всей поверхности, либо неравномерной, с утоньшением к центральной его части.
Это осуществляется посредством экспериментального подбора относительно согласованного окна баночного типа, частот паразитных резонансов несогласованных окон и материала диэлектрического диска с определенной диэлектрической проницаемостью, его конструкционных параметров и геометрических размеров, что конструктивно реализовано в снижении толщины диэлектрического диска с равномерной толщиной по всей поверхности либо неравномерной, с утоньшением к его центральной части.
Как было указано выше, неравномерная толщина диэлектрического диска приводит к неравномерности температурного поля в нем и тем самым вызывает в области соединения диэлектрического диска с отрезком круглого волновода недопустимый рост опасных видов остаточных термомеханических напряжений, таких как растяжения, изгибающих, которые приводят к снижению термомеханической и электрической прочности указанного соединения и, как следствие, снижению надежности вывода энергии СВЧ.
Кроме того, жесткое соединение компенсаторного элемента и элемента для охлаждения практически полностью нивелирует функции компенсаторного элемента, что также приводит к недопустимому росту указанных выше опасных видов остаточных термомеханических напряжений и в данном соединении и, как следствие, снижению надежности вывода энергии СВЧ.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности благодаря прежде всего повышению термомеханической и электрической прочности соединений элементов вывода энергии СВЧ, повышение технологичности при сохранении низких потерь СВЧ, высокого уровня выходной мощности.
Технический результат достигается вводом и/или выводом энергии СВЧ с окном баночного типа для мощных электронных приборов, содержащим отрезки прямоугольных волноводов, соединенные с соосно расположенным между ними отрезком круглого волновода с различными геометрическими размерами, в поперечном сечении которого расположен диэлектрический диск, герметично соединенный с его внутренней поверхностью и отделяющий вакуумную часть, компенсаторный элемент, расположенный на наружной поверхности отрезка круглого волновода и соединенный с ним, проводящий элемент подавления паразитных резонансов в виде полого цилиндра, по меньшей мере, из двух неразъемных частей, отличающихся наружным диаметром, расположенный соосно отрезку круглого волновода, элемент для охлаждения, соединенный с отрезком круглого волновода, присоединительный фланец, непосредственно прилегающий к торцевой поверхности отрезка круглого волновода с не вакуумной стороны, при этом геометрические размеры отрезка круглого волновода, диэлектрического диска и проводящего элемента подавления паразитных резонансов задают исходя из заданных параметров СВЧ вывода энергии.
В котором:
- отрезок круглого волновода выполнен с большим и меньшим внутренним и наружным диаметрами, диэлектрический диск - с одинаковой толщиной по всей поверхности, проводящий элемент подавления паразитных резонансов - из двух неразъемных частей меньшего и большего наружного диаметра,
- диэлектрический диск и компенсаторный элемент выполнены из материалов, имеющих одинаковые температурные коэффициенты линейного расширения, либо температурный коэффициент линейного расширения первого превышает температурный коэффициент линейного расширения второго,
- при этом компенсаторный элемент выполнен из диэлектрического материала либо из тугоплавкого металла с толщиной, равной 0,5-5 и 0,1-0,3 мм соответственно, и высотой, равной либо более толщины диэлектрического диска,
- часть проводящего элемента подавления паразитных резонансов меньшего наружного диаметра расположена в вакуумной части, при этом она прилегает к внутренней поверхности отрезка круглого волновода большего диаметра и герметично соединена с ним, а с диэлектрическим диском образует зазор, а его часть большего наружного диаметра расположена вне вакуумной части, при этом вертикальная ее поверхность соединена с присоединительным фланцем,
- расстояние L от места соединения диэлектрического диска с отрезком круглого волновода меньшего внутреннего диаметра до места соединения отрезка круглого волновода большего наружного диаметра с частью проводящего элемента подавления паразитных резонансов меньшего наружного диаметра определяют из выражения:
где
м
δ - толщина отрезка круглого волновода в месте соединения его с частью проводящего элемента подавления паразитных колебаний меньшего наружного диаметра,
м
Д - больший внутренний диаметр отрезка круглого волновода в месте этого соединения,
- толщины стенок отрезка круглого волновода и элемента для охлаждения в местах их соединения равны,
- присоединительный фланец одновременно непосредственно прилегает и к элементу охлаждения в одной продольной плоскости с отрезком круглого волновода меньшего диаметра и соединен с ним.
Геометрические размеры отрезка круглого волновода, диэлектрического диска и проводящего элемента подавления паразитных резонансов задают исходя из заданных параметров СВЧ вывода энергии посредством экспериментального подбора относительно согласованного окна баночного типа.
Диэлектрический диск и компенсаторный элемент выполнены, например, из оксидных либо нитридных керамических материалов либо поликристаллического алмаза CVD, при этом компенсаторный элемент может быть выполнен также из тугоплавкого металла, например из молибдена либо вольфрама.
Часть проводящего элемента подавления паразитных резонансов большего наружного диаметра, расположенная вне вакуумной части, может быть соединена с присоединительным фланцем локально и симметрично, по меньшей мере, в четырех местах.
Раскрытие сущности изобретения
Заявленная совокупность существенных признаков, а именно:
выполнение компенсаторного элемента и диэлектрического диска из материалов, имеющих одинаковые температурные коэффициенты линейного расширения, либо температурный коэффициент линейного расширения первого превышает температурный коэффициент линейного расширения второго, обеспечивает:
во-первых, нахождение диэлектрического диска окна баночного типа в равномерно сжатом состоянии и тем самым его термомеханическую прочность и, как следствие, повышение надежности вывода энергии СВЧ,
во-вторых, значительное снижение остаточных опасных термомеханических напряжений, таких как растяжения, изгибающих в области соединения диэлектрического диска с отрезком круглого волновода, и, как следствие, повышение надежности вывода энергии СВЧ,
в-третьих, исключение возможности появления микродефектов в области соединения диэлектрического диска с отрезком круглого волновода и прежде всего таких, как микротрещины, и тем самым исключение возможности локализации на них электрических разрядов, и тем самым повышение электрической прочности данного соединения, и, как следствие, повышение надежности вывода энергии СВЧ.
Выполнение компенсаторного элемента из диэлектрического материала либо из тугоплавкого металла с толщиной стенки, равной 0,5-5 и 0,1-0,3 мм соответственно, и высотой, равной либо более толщины диэлектрического диска, равно как и предыдущий признак, обеспечивают также минимальные остаточные термомеханические напряжения в области соединения диэлектрического диска с отрезком круглого волновода и тем самым повышение термомеханической прочности указанного соединения и, как следствие, повышение надежности вывода энергии СВЧ.
Расположение части проводящего элемента подавления паразитных резонансов меньшего наружного диаметра в вакуумной части и когда она прилегает к внутренней поверхности отрезка круглого волновода большего диаметра и герметично соединена с ним, а с диэлектрическим диском образует зазор, а его части большего наружного диаметра вне вакуумной части и когда вертикальная поверхность этой части проводящего элемента подавления паразитных резонансов соединена с присоединительным фланцем,
равно как и
расстояние L от места соединения диэлектрического диска с отрезком круглого волновода меньшего внутреннего диаметра до места соединения отрезка круглого волновода большего наружного диаметра с частью проводящего элемента подавления паразитных резонансов меньшего наружного диаметра, которое задают исходя из предложенного математического выражения и которое является оптимальным,
равно как и
когда геометрические размеры отрезка круглого волновода, диэлектрического диска и проводящего элемента подавления паразитных резонансов задают исходя из заданных параметров вывода энергии СВЧ, обеспечивают:
во-первых, практически полное исключение влияния привнесенных остаточных термомеханических напряжений соединения проводящего элемента подавления паразитных резонансов с отрезком круглого волновода большего диаметра на соединение диэлектрического диска с отрезком круглого волновода меньшего диаметра, и тем самым обеспечивается повышение термомеханической и электрической прочности последнего соединения и, как следствие, повышение надежности вывода энергии СВЧ.
во-вторых, снижение паразитных резонансов и тем самым сохранение низких потерь СВЧ, высокого уровня выходной мощности.
Выполнение толщин отрезка круглого волновода и элемента для охлаждения в местах их соединения равными обеспечивает минимальные термомеханические напряжения в месте их соединения и, как следствие, повышение надежности вывода энергии СВЧ.
Выполнение вывода энергии СВЧ, когда присоединительный фланец непосредственно прилегает и к элементу охлаждения в одной продольной плоскости с отрезком круглого волновода меньшего диаметра и когда соединен с последним и с наружной вертикальной поверхностью части проводящего элемента большего наружного диаметра, обеспечивает повышение механической устойчивости и, как следствие, повышение надежности вывода энергии СВЧ.
Выполнение компенсаторного элемента из диэлектрического материала либо из тугоплавкого металла с толщиной:
менее 0,5 и 0,1 мм соответственно недопустимо из-за нарушения механической прочности как самих элементов, так и соединения диэлектрического диска с отрезком круглого волновода;
более 5 и 0,3 соответственно нежелательно, так как может приводить к критическому состоянию напряженности в соединении диэлектрического диска с отрезком круглого волновода и, соответственно, снижению механической прочности как диэлектрического диска, так и указанного соединения.
И как следствие, и в том, и другом случае - снижение надежности вывода энергии СВЧ.
Выполнение компенсаторного элемента высотой менее толщины диэлектрической пластины нежелательно из-за возможности появления дополнительных изгибающих термомеханических напряжений в соединении диэлектрического диска с отрезком круглого волновода с указанными выше нежелательными процессами.
Более того, предложенный вывод энергии СВЧ является достаточно технологичным с точки зрения его изготовления.
Итак, предложенная совокупность существенных признаков вывода энергии СВЧ благодаря прежде всего существенному повышению термомеханической и электрической прочности соединений его элементов обеспечит повышение его надежности при сохранении низких потерь СВЧ, высокого уровня выходной мощности.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже дан разрез общего вида вывода энергии СВЧ, где:
1 и 2 - отрезки прямоугольных волноводов соответственно,
3 - отрезок круглого волновода,
4 - диэлектрический диск окна баночного типа,
5 - вакуумная часть вывода энергии СВЧ,
6 - компенсаторный элемент,
7 - проводящий элемент подавления паразитных колебаний в виде полого цилиндра,
8 - элемент для охлаждения,
9 - присоединительный фланец,
10 - зазор между частью проводящего элемента подавления паразитных резонансов меньшего наружного диаметра и диэлектрическим диском.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Прежде задают геометрические размеры отрезка круглого волновода, диэлектрического диска и проводящего элемента подавления паразитных резонансов исходя из заданных параметров СВЧ вывода энергии посредством экспериментального подбора относительно согласованного окна баночного типа, указанные ниже.
Ввод и/или вывод энергии с окном баночного типа содержит:
- отрезки прямоугольных волноводов 1 и 2 соответственно, выполненные из меди марки МОб ГОСТ 15471-77, соосно расположенные и соединенные припоем типа ПЗлМН81,5В с отрезком круглого металлического волновода 3 из меди марки МОб ГОСТ 15471-77, выполненного с различными наружными диаметрами, равными 10 и 15 мм соответственно, и толщиной, равной 0,5 мм,
7
- в плоскости поперечного сечения отрезка круглого волновода 3 меньшего наружного диаметра, равного 10 мм, соосно его каналу расположен диэлектрический диск 4 диаметром, равным 9 мм, толщиной, равной 1 мм, выполненный из алюмооксидной керамики типа ВК94-1 с ТКЛР, равным 55×l01/°C, герметично соединенный с внутренней поверхностью отрезка круглого волновода 3 пайкой припоем типа ПЗлМН81,5В и отделяющий вакуумную часть вывода энергии 5,
- компенсаторный элемент в виде кольца 6,
- проводящий элемент подавления паразитных колебаний 7 в виде полого цилиндра из двух частей, отличающихся внешним диаметром, равным 14 и 16 мм соответственно, выполненный из стали марки 10866-ВИ ТУ-14-1-896-74,
- элемент для охлаждения 8, выполненный из меди марки МОб ГОСТ 15471-77 с толщиной, равной 0,5 мм, соединенный с отрезком круглого волновода большего и меньшего наружного диаметра,
- и присоединительный фланец 9, выполненный из сплава мельхиор марки МН19 ГОСТ 5063-73,
расположенные в не вакуумной части, при этом присоединительный фланец 9 непосредственно прилегает к торцевой поверхности отрезка круглого волновода 3 меньшего наружного диаметра.
При этом:
7
7
- диэлектрический диск 4 выполнен из алюмооксидной керамики типа ВК94-1 с температурным коэффициентом линейного расширения, равным 55×l01/°C, компенсаторный элемент 6 выполнен из молибдена марки МЧВП, ТУ 48 19 272-87 с температурным коэффициентом линейного расширения, равным 58×l01/°C, то есть имеют близкие температурные коэффициенты линейного расширения,
- при этом толщина компенсаторного элемента 6 равна 0,15 мм, а его высота - толщине диэлектрического диска 1 мм,
- часть проводящего элемента подавления паразитных резонансов 7 меньшего наружного диаметра расположена в вакуумной части, при этом она прилегает к внутренней поверхности отрезка круглого волновода большего диаметра и герметично соединена с ним, а с диэлектрическим диском образует зазор, а его часть большего наружного диаметра расположена вне вакуумной части, при этом вертикальная ее поверхность соединена с присоединительным фланцем 9,
- расстояние L от места соединения диэлектрического диска 4 с отрезком круглого волновода 3 меньшего диаметра до места соединения отрезка круглого волновода большего диаметра с частью проводящего элемента подавления паразитных резонансов 7, определенное из указанного в формуле изобретения математического выражения, равно 2,25 мм, когда
м
δ - толщина отрезка круглого волновода 3 большего диаметра в месте соединения его с частью проводящего элемента подавления паразитных резонансов 7 - равна 0,5 мм,
м
Д - внутренний диаметр отрезка круглого волновода 3 большего диаметра в месте этого соединения - равен 14 мм,
- а толщины отрезка круглого волновода 3 и элемента для охлаждения 8 в местах их соединения равны 0,5 мм,
- а присоединительный фланец 9 непосредственно прилегает и к элементу охлаждения 8 в одной продольной плоскости с отрезком круглого волновода 3, при этом он соединен с последним и с наружной вертикальной поверхностью части проводящего элемента подавления паразитных резонансов 7 большего наружного диаметра симметрично и локально в четырех местах.
Примеры 2-10.
Образцы вывода энергии СВЧ выполнены аналогично описанному в примере 1, но при других конструкционных и других параметрах вывода энергии СВЧ.
Изготовленные образцы вывода энергии СВЧ были испытаны:
а) на термомеханическую прочность согласно ОСТ 11 332.72.89,
б) на герметичность на гелиевом течеискателе типа ПТИ-10.
-11
3
Герметичность должна быть по скорости натекания не хуже 1,3×10 мПа/с.
Данные сведены в таблицу.
-11
3
Как видно из таблицы, образцы вывода энергии СВЧ, изготовленные согласно предложенной формуле изобретения (примеры 1-6), успешно прошли указанные испытания без механических разрушений, с герметичностью по скорости натекания не хуже 1,3×10 мПа/с.
В отличие от образцов (примеры 7-10), изготовленных с конструкционными и другими параметрами, выходящими за пределы, указанные в формуле изобретения, в которых обнаружены трещины в диэлектрическом диске и нарушена герметичность.
Таким образом, предложенный ввод и/или вывод энергии СВЧ с окном баночного типа для мощных электронных приборов позволит по сравнению с прототипом благодаря прежде всего существенному повышению термомеханической и электрической прочности соединений элементов вывода энергии СВЧ существенно повысить его надежность при сохранении низких потерь СВЧ, высокого уровня выходной мощности.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №1679902, МПК H01J 23/36, приоритет 05.07.1988 г., опубл. 30.04.1994 г.
2. Патент РФ №2185679, МПК H01J 23/36, H01P 1/08, приоритет 12.07.2001 г., опубл. 20.07.2002 г.
3. Патент РФ №2268519, МПК H01J 23/36, H01P 1/08, приоритет 28.07.2004 г., опубл. 20.01.2006 г. - прототип.