ВВОД СТЕНКИ КОРПУСА
HOUSING WALL INLET

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к области силовых корпусов и, говоря более конкретно, к вводам, выполненным в этих корпусах.
Предшествующий уровень техники
На фиг.1 представлен схематический вид герметичного силового корпуса.
Такой корпус содержит металлическое основание 100, на котором располагается металлическое ограждение, содержащее четыре стенки. Два герметичных ввода 101 и 102, каждый из которых располагается на одной из двух противоположных стенок, обеспечивают возможность входа и выхода линии передачи сигнала (не показана), главным образом, сверхвысокочастотного сигнала.
Герметичные вводы 104 обеспечивают возможность передачи низкочастотных сигналов, таких, например, как питание или управляющие сигналы. Металлическая решетка 103 позволяет соединять вместе в процессе осуществления фазы сборки различных компонентов эти различные сигналы для того, чтобы исключить электростатические разряды.
Микрокорпус такого типа используется для реализации электронных функций на основе не покрытых изоляцией электронных чипов, таких как усилители большой мощности в области сверхвысоких частот и микроволн.
На фиг.2 представлен схематический вид в разрезе герметичного ввода в соответствии с существующим уровнем техники. Здесь ввод 101, изготовленный из изоляционного материала типа керамики, обеспечивает возможность прохождения линии 202 передачи сигналов через стенку 203 корпуса. Этот ввод опирается на основание 204 данного корпуса. Линия передачи сигнала содержит первую часть 202а, располагающуюся снаружи корпуса, вторую часть 202b, располагающуюся внутри корпуса, и третью часть 202с, закрытую вводом. Эта линия передачи сигнала связана с компонентами 205, располагающимися внутри корпуса. Подставка 206, размещенная между основанием 204 и компонентами 205, позволяет расположить эти компоненты на том же самом уровне, что линию 202 передачи сигнала, и ограничить сверхвысокочастотные рассогласования, связанные с длиной соединительных электрических проводников.
Керамический многослойный ввод содержит первый слой 201а, находящийся в контакте с основанием 204 корпуса, на поверхности которого располагается линия 202 передачи сигнала, и второй слой 201b, покрывающий первый слой 201а на уровне стенки 203.
Одной из главных проблем, возникающих при использовании таких силовых корпусов в вакууме, оказывается существование явления, называемого мультипакторным эффектом, который может проявляться на уровне герметичных вводов. Этот мультипакторный эффект представляет собой паразитное явление, возникающее в устройствах, в которых происходит передача сверхвысокочастотных волн в вакууме. Это явление встречается, в частности, в вакуумных электронных трубках, в конструкциях, предназначенных для ускорителей элементарных частиц, и в микроволновых схемах, используемых на борту спутников. Базовый механизм мультипакторного эффекта состоит в следующем: первичные электроны, ускоряемые при помощи сверхвысокочастотного поля, бомбардируют некоторую поверхность, что вызывает эмиссию вторичных электронов, которые, в свою очередь, ускоряются под действием этого сверхвысокочастотного поля и также начинают бомбардировать поверхность и вызывать эмиссию других вторичных электронов. Для заданных геометрических параметров и при определенных значениях частоты и амплитуды поля создаются условия для экспоненциального возрастания количества находящихся в движении электронов. При этом возникают условия мультипакторного разряда. Возрастание количества находящихся в движении электронов ограничивается в результате явления насыщения, и разряд может изменяться с течением времени.
Мультипакторный эффект чаще всего представляет собой неблагоприятное явление: сверхвысокочастотное поле отдает свою энергию для ускорения электронов и накопленная таким образом энергия этих свободных электронов в основном преобразуется в тепловую энергию в процессе их соударений (энергия излучаемых вторичных электронов является относительно небольшой). Таким образом, одновременно имеет место потеря передаваемой или накопленной энергии в сверхвысокочастотной конструкции и ее нагревание.
Это явление разряда происходит в корпусах между наружной частью корпуса линии передачи сигнала, с одной стороны, и металлическим ограждением корпуса, с другой стороны. Следствием этого является повреждение линии передачи сигнала. Внутренняя часть герметичных корпусов линии передачи сигналов при этом не затрагивается, поскольку такой корпус содержит газ. В случае корпусов, не являющихся герметичными, внутренняя часть корпуса линии передачи сигналов также затрагивается мультипакторным явлением. Наиболее простой способ предотвратить это явление состоит в достаточном удалении наружной части линии передачи сигнала от других электропроводящих элементов. Для того, чтобы это сделать, вычисляют минимальное безопасное расстояние d, которое позволяет исключить мультипакторное явление. Безопасное расстояние зависит от мощности сигнала. Обычно для сигнала, имеющего мощность порядка 40 Вт, это безопасное расстояние составляет 2 мм для полосы в 6 дБ и имеет величину 2,5 мм для полосы в 10 дБ. Эта полоса позволяет преодолеть неточности электромагнитного моделирования и допуски при изготовлении. В соответствии с действующими нормативными документами полоса в 6 дБ рассматривается в качестве достаточной для того, чтобы гарантировать полное отсутствие мультипакторного явления, но при этом электрическое испытание оказывается необходимым для того, чтобы подтвердить отсутствие мультипакторного явления. Полоса в 10 дБ является достаточной для того, чтобы отказаться от проведения электрического испытания.
Таким образом, высота первого слоя 201а ввода по меньшей мере равна этому безопасному расстоянию d для того, чтобы предотвратить мультипакторное явление между линией 202 передачи сигнала и основанием 204 корпуса. Высота второго слоя 201b по меньшей мере равна этому безопасному расстоянию d для того, чтобы предотвратить мультипакторное явление между линией 202 передачи сигнала и стенкой 203 корпуса. Высота ввода, таким образом, по меньшей мере в два раза превышает это безопасное расстояние d. Обычно для передачи мощности в 40 Вт ввод имеет полную высоту, составляющую 5 мм, для полосы в 10 дБ. Это расстояние d также применимо в горизонтальной плоскости между линией 202а передачи сигнала и металлической стенкой.
Проблема возникает в том случае, когда желательно передавать более высокую мощность в линиях передачи сигналов. Так, например, для передачи мощности в 150 Вт безопасное расстояние d становится равным 5 мм для полосы в 10 дБ. Такая величина этого расстояния требует увеличения высоты герметичных вводов. В соответствии с существующим уровнем техники предел реализуемости керамического ввода достигается при высоте этого керамического ввода, составляющей примерно 6 мм. Говоря другими словами, изготовление ввода, имеющего высоту в 10 мм, оказывается весьма затруднительным.
Кроме того, увеличение высоты подложки, на которой реализуется ввод, влечет за собой возникновение трудно поддающихся разрешению проблем электрического характера. На фиг.3 проиллюстрирована кривая 302, характеризующая изменение коэффициента отражения сигнала на входе/выходе для ввода высотой 10 мм, и кривая 301, характеризующая связанные с этим потери мощности. Здесь по оси ординат отсчитываются децибелы, а по оси абсцисс отсчитываются гигагерцы. Рассматривая кривую отраженного сигнала, можно констатировать наличие частоты среза, ниже которой потери мощности передаваемого сигнала становятся пренебрежимо малыми, и выше которой эти потери мощности резко возрастают. На частотах выше этой частоты ввод становится непригодным для использования. Это явление возникает вследствие того, что электромагнитная волна больше не распространяется в линии передачи сигнала, которая при этом становится излучателем волн типа антенны. Для ввода высотой 10 мм частота среза располагается на уровне примерно 2 гигагерца. Таким образом, этот ввод оказывается непригодным для использования при передаче сигнала с частотой 3 гигагерца.
Подводя итог, можно сказать, что такой ввод представляет следующие недостатки: прежде всего оказывается весьма затруднительным изготовить этот ввод; кроме того, он содержит электрическое ограничение (для частот, превышающих 2 гигагерца); и наконец, полная высота корпуса без подставки является неприемлемой и несовместимой с известными средствами его изготовления.
Другое техническое решение состоит в покрытии изоляционной краской металлических частей, соединенных с массой (стенка корпуса и его основание). Однако при этом существует опасность расслоения. Кроме того, нанесение этой краски представляет собой операцию, достаточно сложную в реализации.
Другой альтернативный вариант состоит в покрытии наружной части линии передачи сигнала смолой (glob-top). Однако при этом существует опасность растрескивания или расслоения при циклическом изменении тепловых напряжений и модификации электрической реакции, возникающей вследствие наличия смолы на поверхности линии 202а передачи сигнала, причем эта смола имеет значительную диэлектрическую постоянную.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение отмеченных выше проблем и предложение ввода, позволяющего минимизировать риски возникновения мультипакторных эффектов, и обеспечение возможности функционирования ввода при передаче сигналов повышенной мощности.
Для решения этой задачи объектом настоящего изобретения является устройство, предназначенное для передачи сигнала и называемое также вводом, которое может быть использовано для передачи сигнала через стенку силового корпуса, содержащего основание, располагающуюся на этом основании и в контакте с ним стенку, причем эта стенка определяет внутреннюю часть и наружную часть, и герметичное устройство содержит первый участок линии передачи сигнала, располагающийся снаружи корпуса, второй участок линии передачи сигнала, располагающийся внутри корпуса, и третий участок линии передачи сигнала, соединяющий между собой два других участка, причем ввод отличается тем, что первый участок смещен относительно стенки таким образом, чтобы обеспечивать первое предварительно определенное безопасное расстояние, и тем, что третий участок закрыт в данном устройстве на всей своей длине.
При использовании предлагаемого изобретения, поскольку здесь отсутствует необходимость увеличивать высоту ввода для того, чтобы пропустить сигнал более высокой мощности, линии передачи сигнала, адаптированные к сопротивлению в 50 Ом, могут иметь уменьшенную ширину. Вследствие этого ввод и связанные с ним линии передачи сигнала имеют наилучшую характеристику для более высоких частот.
В соответствии с первым вариантом реализации предлагаемого изобретения первый и второй участки линии передачи сигнала смещены по высоте, причем эта высота рассматривается в направлении, параллельном стенке.
Преимущество первого варианта реализации предлагаемого изобретения вытекает из его асимметричного аспекта. При этом высота первого слоя может быть меньшей, чем безопасное расстояние. Таким образом, высота линии передачи сигнала внутри корпуса оказывается пониженной. При этом оказывается возможным уменьшить высоту подставки внутри корпуса или даже совсем отказаться от ее использования.
Предлагаемое изобретение позволит использовать керамические вводы уменьшенной высоты. Это обстоятельство также ограничивает высоту ограждения, в котором располагается этот ввод. Коэффициент формы корпуса (то есть соотношение между его шириной и длиной, с одной стороны, и высотой металлического ограждения, с другой стороны) при этом оказывается уменьшенным. Это обстоятельство обусловливает уменьшенные напряжения (в частности, термомеханические), возникающие как в процессе изготовления этого корпуса (пайка при высокой температуре основания 100, металлического ограждения 203 и вводов 101, 102 и 104), так и после герметичного закрытия этого корпуса.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
- Фиг.1, уже упоминавшаяся выше, изображает схематический вид герметичного силового корпуса.
- Фиг.2, уже упоминавшаяся выше, изображает схематический вид в разрезе герметичного ввода в соответствии с существующим уровнем техники.
- Фиг.3, уже упоминавшаяся выше, изображает кривую, характеризующую реакцию ввода, в соответствии с существующим уровнем техники.
- Фиг.4 изображает схематический вид в разрезе первого варианта реализации ввода в соответствии с предлагаемым изобретением.
- Фиг.5 изображает кривую, характеризующую реакцию ввода, в соответствии с предлагаемым изобретением.
- Фиг.6 изображает схематический вид в разрезе второго варианта реализации ввода в соответствии с предлагаемым изобретением.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Фиг.4 изображает схематический вид в разрезе первого варианта реализации ввода в соответствии с предлагаемым изобретением. Ввод стенки 203 силового корпуса позволяет обеспечить прохождение линии передачи сигнала. Этот корпус содержит основание 204. Стенка 203 определяет внутреннюю часть и наружную часть. Ввод содержит первый участок 202а' линии передачи сигнала, располагающийся снаружи корпуса, второй участок 202b' линии передачи сигнала, располагающийся внутри корпуса, и третий участок 202с' линии передачи сигнала, соединяющий два других участка 202а' и 202b' этой линии передачи сигнала. Первый участок 202а' смещен относительно стенки таким образом, чтобы обеспечить первое предварительно определенное безопасное расстояние от этой стенки. Третий участок 202с' закрыт по всей своей длине.
Третий участок 202с' линии передачи сигнала смещен по высоте относительно первого участка 202а' линии передачи сигнала.
Первое безопасное расстояние имеет целью предотвратить возникновение мультипакторного эффекта снаружи корпуса.
На практике многослойный ввод содержит первый слой 401а, находящийся в контакте с основанием 204 корпуса. Первый слой представляет структуру в форме параллелепипеда. Третий участок 202с' линии передачи сигнала располагается на поверхности этого первого слоя 401а.
Ввод содержит также второй слой 401b, покрывающий первый слой 401а на уровне наружной части корпуса и на уровне стенки 203 корпуса. Второй слой представляет структуру в форме параллелепипеда, через объем которой проходит сквозное металлизированное отверстие. Это металлизированное отверстие соединяет третий участок 202с' линии передачи сигнала (располагающийся в контакте с нижней поверхностью второго слоя) с первым участком 202а' линии передачи сигнала, располагающимся на верхней поверхности второго слоя 401b.
В соответствии с первым вариантом реализации изобретения первый участок 202а' и второй участок 202b' линии передачи сигнала смещены по высоте, причем эта высота рассматривается в направлении, параллельном стенке 203. Осуществляя этот вариант реализации предлагаемого изобретения, имеется возможность уменьшить высоту первого слоя и соответственно уменьшить высоту подставки 206, удерживающей компоненты 205, с которыми связана линия передачи сигнала, и даже совсем отказаться от ее использования.
При этом первый участок 202а' линии передачи сигнала оказывается достаточно удаленным для того, чтобы предварительно определенное безопасное расстояние было обеспечено. Так, например, для безопасного расстояния от стенки, составляющего 5 мм, первый участок 202а' линии передачи сигнала смещается на расстояние в 5 мм.
Снаружи от корпуса первый участок 202а' линии передачи сигнала располагается на втором слое 401b. Металлизированное отверстие, реализованное в этом втором слое 401b, позволяет подвести сигнал на уровень границы раздела между слоями 401b и 401а. На поверхности слоя 401а третий участок 202с' линии передачи сигнала является закрытым. Второй участок 202b' линии передачи сигнала во внутренней части корпуса является доступным для присоединения кабеля связанного с ним компонента.
Различные линии передачи сигнала реализуются путем печатного монтажа с использованием электропроводной пасты. На наружных частях 202а' и 202с' линии передачи сигнала наносится финишное покрытие типа никель-золото.
Третий участок 202с' линии передачи сигнала является закрытым. Мультипакторный эффект проявляется только в вакууме и этот участок линии передачи сигнала, таким образом, не может быть им затронут. Подлежащее рассмотрению безопасное расстояние d представляет собой расстояние между первым участком 202а' линии передачи сигнала, располагающимся на поверхности второго слоя, и металлическими частями корпуса, а именно стенкой, с одной стороны, и основанием, с другой стороны.
Линия 202с' передачи сигнала закрыта внутри ввода с наружной стороны корпуса. Это позволяет удалить линию передачи сигнала, находящуюся в вакууме, от плоскости массы без увеличения высоты ввода.
Одно из преимуществ настоящего изобретения состоит в том, что оно представляет наилучшие характеристики в том случае, когда изобретение используется с сигналами высоких частот. На фиг.5 проиллюстрирована кривая, характеризующая реакцию ввода в соответствии с изобретением. Кривая 501 представляет потери мощности, возникающие между входом и выходом ввода. Кривые 502 и 503 соответствуют параметрам отражения соответственно на входе и на выходе этого ввода. Здесь речь идет о вводе, имеющем высоту 4 мм и используемом для сигнала, имеющего мощность в 150 Вт. Как и для кривых, представленных на фиг.3, кривые, представленные на фиг.5, выражены в децибелах, в зависимости от частоты сигнала. При этом можно констатировать, что резкая потеря мощности происходит здесь не на частоте 2 гигагерца, как это имело место для ввода в соответствии с существующим уровнем техники, а в окрестности частоты в 7,5 гигагерц.
В соответствии со вторым вариантом реализации настоящего изобретения второй участок 202b' линии передачи сигнала смещен относительно стенки таким образом, чтобы обеспечить второе предварительно определенное безопасное расстояние. На фиг.6 представлен схематический вид в разрезе второго варианта реализации герметичного ввода в соответствии с изобретением. Здесь, как и в первом варианте реализации, герметичный ввод содержит первый участок 602а линии передачи сигнала, располагающийся снаружи корпуса, второй участок 602b линии передачи сигнала, располагающийся внутри корпуса, и третий участок 602с линии передачи сигнала, соединяющий два других участка 602а и 602b. Первый участок 602а смещен по отношению к стенке таким образом, чтобы обеспечивать первое предварительно определенное безопасное расстояние от стенки. Третий участок 602с является закрытым по всей его длине. Тем не менее, поскольку здесь первый участок 602а и второй участок 602b не смещены друг относительно друга по высоте, может оказаться необходимым использование подставки 206, располагающейся внутри корпуса.
В том случае, когда корпус представляет собой герметичный корпус, второе безопасное расстояние имеет целью предотвратить эффект коронного электрического разряда внутри корпуса.
Эффект коронного электрического разряда проявляется в процессе снижения внутреннего давления корпуса, используемого на орбите, принимая во внимание степень утечки из корпуса, определяемую на земле. Не существует никаких норм, позволяющих полностью застраховаться, кроме удаления линии передачи сигнала от любой плоскости массы для того, чтобы уменьшить напряженность электрического поля, которое наводит разряд, или заключения проводника в защитный диэлектрический материал для того, чтобы плазма формировалась только на очень высоком уровне напряженности этого поля. Эффект коронного разряда представляет собой разряд, происходящий в том случае, когда электрический ток, постоянный или изменяющийся, возникает между двумя электродами, находящимися под высоким электрическим потенциалом и разделенными нейтральной текучей средой, обычно воздухом, в результате ионизации этой текучей среды. При этом формируется плазма и электрические заряды распространяются, переходя от ионов к молекулам нейтрального газа. В том случае, когда напряженность электрического поля в некоторой точке текучей среды становится достаточно высокой, эта текучая среда ионизируется вокруг этой точки и становится электропроводной. При этом если геометрические характеристики электрического проводника и величина напряженности электрического поля являются такими, что ионизированная область расширяется, вместо того, чтобы стабилизироваться, ток может прекратить протекания в результате нахождения другого пути до противоположного электрода, причем в этом случае формируются искровой или дуговой электрический разряд, который будет приводить к разрушению данной конструкции.
В том случае, когда корпус представляет собой негерметичный корпус, второе безопасное расстояние имеет целью предотвратить возникновение мультипакторного эффекта внутри корпуса. Если корпус больше не является герметичным, внутренняя полость корпуса также оказывается в состоянии вакуума. В этих условиях линия передачи сигнала также может подвергаться воздействию мультипакторного эффекта. В этом случае ввод будет симметричным.
В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения ввод изготавливается из герметичного электроизоляционного материала, получаемого путем высокотемпературного спекания, например, из керамического материала, состоящего главным образом из порошка двуокиси алюминия, связующего и пластифицирующего материалов и других добавок. Этот электроизоляционный герметичный материал может быть использован как в герметичных корпусах, так и в корпусах, не являющихся герметичными.
В соответствии с другим вариантом реализации изобретения ввод изготавливается из органического материала. Материал этого типа может быть, например, на основе эпоксидной смолы, с сеткой из стекловолокна или сеткой из кварца. Использование органического материала для реализации этого ввода делает корпус в целом негерметичным.
Предпочтительным образом упомянутый ввод располагается на основании таким образом, чтобы сформировать отступ r по отношению к этому основанию. Это дает возможность увеличить расстояние между основанием и наружной частью линии передачи сигнала. Таким образом, имеется возможность использовать первый слой, высота которого меньше, чем упомянутое первое безопасное расстояние. Это может позволить устранить подставку внутри корпуса. Длина этого отступа r составляет, например, 1 мм. Высоты первого и второго слоев 401а и 401b при этом имеют величину соответственно 1 мм и 3 мм.
Предпочтительно ввод дополнительно содержит смолу, покрывающую первый участок 202а' линии передачи сигнала. Эта смола располагается на монтажной зоне 202а' и связанном с ней соединительном проводнике. Поскольку такая смола по своей природе является электроизоляционным материалом, это увеличивает расстояние d между металлической массой корпуса и активной линией передачи сверхвысокочастотного сигнала.
Предпочтительно ввод дополнительно содержит смолу, покрывающую второй участок 202b' линии передачи сигнала.