ВЧ УСТРОЙСТВО
HIGH-FREQUENCY DEVICE

Изобретение относится к высокочастотному (ВЧ) устройству с ограниченным внешней стенкой ВЧ-резонатором и с размещенным на внешней стенке ВЧ-генератором с устройством ввода. При этом ВЧ-генератор вводит через образованную во внешней стенке щель электромагнитное поле внутрь ВЧ-резонатора. При этом экран выполнен резонансным и имеет на частоте генератора высокий импеданс.
В случае ВЧ-резонаторов, которые служат в качестве резонаторов для ВЧ-электромагнитных полей, речь идет о типично полых телах с электрически проводящей внешней стенкой. Расположенный вне резонатора ВЧ-генератор генерирует электромагнитное излучение высокой частоты, которое вводится через отверстие во внешней стенке резонатора внутрь резонатора. Посредством генерируемых генератором электромагнитных переменных полей, в том числе, индуцируются переменные токи, которые распространяются вдоль внутренней стороны внешней стенки в форме токовых путей. В зависимости от частоты генератора и волновых свойств резонатора, внутри ВЧ-резонатора могут возникать различные резонансные моды. В общем случае, из-за размещения ВЧ-генератора вне резонатора также индуцируются токи на внешней стороне внешней стенки, за счет которых вводимая в резонатор мощность и, тем самым, эффективность резонатора может снижаться.
Поэтому задачей изобретения является обеспечить по возможности эффективный ввод ВЧ-излучения в ВЧ-резонатор. Эта задача решается ВЧ-устройством согласно пункту 1 формулы изобретения. Другие предпочтительные формы выполнения изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением предусмотрено ВЧ-устройство, включающее в себя ВЧ-резонансное устройство с электрически проводящей внешней стенкой, причем внешняя стенка имеет щель. Щель может продолжаться по меньшей мере частично вдоль периметра внешней стенки или по всему периметру. ВЧ-устройство также содержит устройство ввода с ВЧ-генератором, размещенным на внешней стороне внешней стенки ВЧ-резонансного устройства в зоне щели для ввода ВЧ-излучения определенной частоты через щель внутрь ВЧ-резонансного устройства, и с экраном, экранирующим генератор снаружи и электрически перекрывающим щель на внешней стороне внешней стенки. При этом экран выполнен как резонатор с высоким импедансом для частоты генератора. Высокий импеданс обуславливает то, что меньший ток протекает через экран. Выполнение экрана в форме резонатора обеспечивает при этом особенно простым способом высокие импедансы и, тем самым, очень эффективный ввод ВЧ-излучения в резонансное устройство. Так как вследствие экрана не возникает никаких ВЧ-токов на внешней стороне резонатора, в целом обращение с ВЧ-устройством является более безопасным. Кроме того, ВЧ-резонатор, поддерживаемый на потенциале массы, можно комбинировать с другими устройствами более совместимым образом.
Одна форма выполнения предусматривает, что выполненный резонансным экран настроен на резонансную частоту, отличающуюся от частоты генератора. Тем самым волноводное сопротивление и, тем самым, поведение резонансного экрана может устанавливаться различным образом при эксплуатации в зависимости от применения.
Другая форма выполнения предусматривает, что экран настроен на резонансную частоту выше частоты генератора. Тем самым эффективно предотвращается то, что на частоте генератора в экране, выполненном как резонатор, возникает резонансная мода с низким импедансом.
Согласно другой форме выполнения предусмотрено, что емкостные и индуктивные свойства экрана настроены таким образом, что в экране на частоте генератора образуется стоячая электромагнитная волна с узлом тока в зоне щели. Тем самым достигается по возможности высокий импеданс экрана со стороны входа.
В другой форме выполнения предусмотрено, что резонансное устройство выполнено таким образом, что резонансное устройство в зоне щели имеет пучность тока. Тем самым резонансное устройство имеет малый импеданс для частоты ВЧ-излучения.
Другая форма выполнения предусматривает, что щель ограничена двумя противолежащими кромками, причем кромки имеют направляющие компоненты перпендикулярно пристеночному току желательной резонансной моды ВЧ-излучения.
В другой форме выполнения предусмотрено, что электрическая длина проводника экрана по существу составляет четверть длины волны генерируемой генератором электромагнитной волны. Эта длина проводника представляет особенно благоприятную форму выполнения, так как настройка экрана в этом случае производится наиболее просто.
Другая форма выполнения предусматривает, что ВЧ-резонансное устройство выполнено как ВЧ-резонатор. ВЧ-резонаторы, ввиду их высокой добротности, особенно хорошо подходят для формирования резонансных электромагнитных волн.
Другая форма выполнения предусматривает, что ВЧ-резонансное устройство выполнено как коаксиальное проводящее соединение. Такие коаксиальные волноводы могут использоваться особенно гибким образом.
В другой форме выполнения предусмотрено, что генератор содержит несколько транзисторных модулей, размещенных распределенным образом по периметру ВЧ-резонансного устройства. С помощью таких транзисторных модулей электромагнитные поля могут вырабатываться непосредственно на резонансном устройстве. Это обеспечивает возможность особенно эффективного ввода электромагнитного излучения.
Изобретение далее описывается более подробно со ссылками на чертежи.
Фиг. 1 и 2 схематично показывают цилиндрический ВЧ-резонатор с размещенным вдоль его периметра устройством ввода для ввода ВЧ-излучения в ВЧ-резонатор,
Фиг. 3 - продольное сечение ВЧ-резонатора по Фиг. 1 с детальным представлением устройства ввода,
Фиг. 4 - поперечное сечение показанного на Фиг. 3 ВЧ-устройства вдоль линии IV-IV,
Фиг. 5 - упрощенное представление модели экрана, служащего в качестве волновода для ВЧ-излучения,
Фиг. 6 - диаграмма распределения тока для наглядного представления величин тока, возникающих вдоль экрана, выполненного как  λ/4-волновод, с узлом тока, лежащим в зоне щели,
Фиг. 7 - ВЧ-устройство с выполненным как коаксиальная линия ВЧ-резонансным устройством,
Фиг. 8 - другое выполнение ВЧ-устройства,
Фиг. 9 - поперечное сечение другого ВЧ-устройства,
Фиг. 10 - поперечное сечение устройства ввода,
Фиг. 11 - схематичное представление устройства ввода в зоне щели,
Фиг. 12 - другое выполнение с ВЧ-устройством и
Фиг. 13 - схематичное представление плотности тока I в зоне щели.
На Фиг. 1 показан вид сбоку первой формы выполнения ВЧ-устройства 100. Устройство 100 включает в себя цилиндрический ВЧ-резонатор 110 с металлической внешней стенкой, который служит в качестве резонансного устройства для ВЧ-излучения определенной частоты. Вдоль периметра ВЧ-резонатора 110 размещено устройство 130 ввода для ввода ВЧ-мощности в ВЧ-резонатор 110.
На Фиг. 2 показано ВЧ-устройство 100 по Фиг. 1 на виде спереди. При этом ясно видно, что устройство 130 ввода продолжается по всему периметру ВЧ-резонатора 110. В зависимости от применения, устройство 130 ввода может также продолжаться только по части периметра ВЧ-резонатора 110. Кроме того, могут также несколько таких устройств 130 ввода, продолжающихся только по части периметра, размещаться вдоль периметра ВЧ-резонатора 110.
Устройство 130 ввода далее поясняется более подробно с помощью представленных сечений. Для этого на Фиг. 3 показано продольное сечение, а на Фиг. 4 - поперечное сечение показанного на Фиг. 1 соответствующего изобретению ВЧ-устройства 100.
Как показано на Фиг. 3, металлическая внешняя стенка 111 ВЧ-резонатора 110 в зоне устройства 130 ввода имеет продолжающуюся вдоль периметра ВЧ-резонатора 110 щель 114. Щель 114 разделяет внешнюю стенку 111 в описываемом далее примере на первый и второй участки 115, 116 стенки. Внутри щели 114 размещено изолирующее кольцо 120 из электрически не проводящего материала. Кольцеобразная изоляция 120 может одновременно создавать вакуумное уплотнение. Концы обоих участков 115, 116 стенки выполнены соответственно в форме фланца 117, 118.
G
Размещенное на внешней стороне 113 внешней стенки 111 резонатора устройство 130 ввода содержит расположенный в зоне щели 114 генератор 131, а также полностью окружающий генератор металлический экран 134. При этом генератор 131, выполненный с возможностью генерации ВЧ-излучения определенной частоты F, содержит предпочтительно несколько расположенных распределенным образом вдоль периметра транзисторных модулей 132. При этом отдельные транзисторные модули 132 размещены в специальных выемках в обоих фланцах 117, 118 и поэтому находятся в непосредственном контакте с внешней стенкой 111. Это размещение обеспечивает более высокую ВЧ-мощность, так как, с одной стороны, площадь для ввода ВЧ-излучения относительно велика, а с другой стороны, генерация ВЧ-излучения осуществляется непосредственно там, где требуется мощность.
Как показано на Фиг. 3, транзисторные модули 132 соединены через соединительные проводники 133 с не показанным здесь источником постоянного тока или управляющим устройством. При активировании твердотельные транзисторы модулей 132 вырабатывают электромагнитные переменные поля, которые, в свою очередь, индуцируют распространяющиеся вдоль внешней стенки 111 переменные токи. Ввиду высокой частоты, переменные токи возникают при этом только в относительно тонких краевых слоях на внутренней и внешней стороне металлической внешней стенки 111. Чтобы достигнуть того, чтобы по возможности больше индуцированных переменных токов распространялось вдоль внутренней стенки 112 ВЧ-резонатора 110, предусмотрено выполнение импеданса радиочастотного (РЧ) пути на внешней стороне 113 резонатора 110 по возможности высоким. Это достигается специально выполненным экраном 134, а также щелью 114, которая образует высокий импеданс на резонансной частоте ВЧ-резонатора 110.
Для того чтобы воспрепятствовать распространению ВЧ-токов вдоль внешней стороны 113 внешней стенки 111, экран 134 электрически соединен с внешней стенкой 111. Как представлено на Фиг. 3, металлический экран 134 электрически перекрывает щель 114 и, таким образом, представляет короткое замыкание между обоими участками 115, 116 стенки. Так как индуцированные переменные токи возникают только в краевом слое внешней стенки 111, в то время как внутренняя область металлической внешней стенки 111 по существу свободна от тока и поля, за счет созданного экраном короткого замыкания оказывается влияние только на переменный ток, распространяющийся вдоль внешней стороны 113 внешней стенки 111 резонатора. Так индуцированные на внешней стороне 113 внешней стенки 111 резонатора токи распространяются вдоль внутренней стороны 135 образующих экран 134 металлических листов 136, 137, 138, в то время как внешняя стенка 111 резонатора вне экрана 134 практически свободна от тока и напряжения. Чтобы оптимизировать ввод ВЧ-токов внутрь ВЧ-резонатора 110, резонатор 134 выполнен резонансным. Для этого волноводные свойства устройства 130 ввода настроены таким образом, что для распространяющихся внутри экрана 134 переменных токов в зоне щели 114 получается по возможности высокий импеданс.
Фиг. 4 показывает сечение вдоль линии IV-IV показанного на Фиг. 3 ВЧ-резонатора 100. Отсюда видно, что размещенные вдоль периметра внешней стенки 111 резонатора 110 транзисторные модули 132 помещены в соответствующих выемках фланцев 117, 118.
Фиг. 5 показывает сильно упрощенную эквивалентную схему экрана 134. При этом экран 134 рассматривается как короткозамкнутый волновод. В этом случае оба левых вывода 301, 307 соответствуют точкам ввода ВЧ-излучения в зоне щели. Оба, верхний и нижний, участка 302, 306 проводника соответствуют обоим по существу симметричным токовым путям рассматриваемых здесь переменных токов вдоль внутренней стороны 135 экрана 134. При этом верхний участок 302 проводника образован по существу посредством левой боковой стенки 136 экрана 134, размещенной внутри экрана 134 части первого участка 115 внешней стенки, а также части верхней покрывающей стенки 137 экрана. Аналогично этому, нижний участок 306 проводника образован в показанной здесь эквивалентной схеме 300 посредством правой боковой стенки 136 экрана 134, размещенной внутри экрана 134 части второго участка 116 внешней стенки, а также части верхней покрывающей стенки 137 экрана 134.
Емкость С определяется по существу посредством емкостных свойств устройства 130 ввода, которые зависят как от геометрии выполненного, например, из меди экрана 134, так и от свойств материала окруженного экраном 134 объема пространства. Напротив, показанная на эквивалентной схеме индуктивность L зависит, в том числе, от электрической длины проводника, которая, в свою очередь, зависит от различных факторов, таких как, например, геометрическая длина проводника. При этом полная индуктивность определяется индуктивностями отдельных участков проходимого током участка пути. Как показано на Фиг. 5 пунктирной линией 304, представленная здесь эквивалентная схема 300 на выходах 303, 305 является короткозамкнутой, так как обе в следующем случае симметричные длины проводников электрически соединены друг с другом через покрывающий элемент 138 экрана 134. При этом отношение электрической длины проводника для короткозамкнутого проводника к длине волны  λ генерируемого генератором 131 ВЧ-излучения определяет, ведет ли себя U-образный проводник как емкость, индуктивность или колебательный контур. В специальном случае, когда электрическая длина проводника составляет четверть длины волны  λ волн тока, распространяющихся на внутренней стороне экрана 134, схема образует параллельный колебательный контур с резонансными длинами волн  λ,  λ/3,  λ/5 и т.д. В случае экрана 134, настроенного на четверть длины волны  λ, для токовой составляющей электромагнитной волны устанавливается узел тока в зоне щели 114.
В резонансном случае входной импеданс образованного экраном резонансного контура стремится к бесконечности, так что рассеиваемая генератором ВЧ-мощность почти полностью вводится в ВЧ-резонатор, имеющий минимально возможный импеданс. Длина проводника экрана не должна, однако, оптимально настраиваться на  λ/4. В зависимости от применения, может уже быть достаточным, если входной импеданс образованного экраном колебательного контура заметно выше, чем входной импеданс ВЧ-резонатора. Также в этом случае индуцированный ток будет преимущественно распространяться на внутренней стороне 112 внешней стенки 111. Тем самым можно реализовать оптимальный ввод ВЧ-мощности в ВЧ-резонатор.
0
1
Фиг. 6 показывает для пояснения характеристику тока вдоль образованного экраном 134  λ/4-проводника. Здесь становится ясным, что сила тока изменяется синусоидально, с минимумом на входе (х) и максимумом (х) на конце проводника.
Представленная здесь концепция изобретения может в принципе переноситься на все ВЧ-резонаторы, а также другие резонансные волноводные структуры, например, на коаксиальной линии или проходном резонаторе. Так на Фиг. 7 показано ВЧ-устройство, в котором показанное перед этим в связи с ВЧ-резонатором устройство 130 ввода применяется для ввода электрической энергии в коаксиальное проводящее соединение. Как показано на Фиг. 7, генератор 131, а также экран 134, окружающий генератор, продолжаются вдоль внешнего периметра внешнего проводника 111 коаксиального соединения 110. В показанном здесь представлении в сечении также показан типичный для коаксиальных соединений внутренний проводник 120.
Для того чтобы достичь высоких ВЧ-мощностей, несколько представленных на Фиг. 1-4 ВЧ-резонаторов могут быть включены друг за другом, чтобы, например, реализовать укоритель частиц. Отдельными резонаторами можно при этом управлять по отдельности. Для этого устройства 130 ввода четырех ВЧ-резонаторов 100 через отдельные проводники связаны с общим устройством управления и питания. Так как пристеночные токи могут распространяться только вдоль внутренней стороны стенок резонаторов, включенные друг с другом вместе резонаторы 110 на внешней стороне развязаны один от другого на РЧ. Поэтому они, несмотря на соединение по постоянному току, могут управляться независимо друг от друга.
Изобретение не ограничено показанными для примера формами выполнения. Напротив, соответствующий изобретению принцип может применяться в любой подходящей РЧ-структуре, при которой пристеночные токи вводятся внутрь и должны экранироваться в направлении наружу.
Фиг. 8 показывает другую форму выполнения ВЧ-устройства 100, при которой ВЧ-резонансное устройство 110 имеет несколько размещенных отдельно друг от друга щелей 114. С каждой щелью 114 сопоставлено устройство 130 ввода. Устройства 130 ввода выполнены согласно устройству 130 ввода по Фиг. 1-4, причем каждое устройство 130 ввода имеет по меньшей мере один генератор 131 и транзисторный модуль 132. Устройства 130 ввода запитываются током от блока 500 управления через соответствующие выводы 133 и управляются для выдачи ВЧ-мощности. Каждое устройство 130 ввода может иметь один или более генераторов.
Фиг. 9 показывает поперечное сечение устройства по Фиг. 8 перпендикулярно продольной протяженности ВЧ-резонансного устройства 110.
Фиг. 10 показывает сечение в продольном направлении ВЧ-резонансного устройства 110 через устройство 130 ввода и фрагмент внешней стенки 111.
Фиг. 11 показывает в схематичном представлении щель 114 для формы выполнения по Фиг. 8 и устройство 130 ввода со схематичным представлением паразитного тока I по внешней стороне внешней стенки 111 и внутренней стороне 135 экрана 134. За счет выбора геометрии и выбора материала корпуса экрана 134, как уже пояснялось, паразитный ток I поддерживается по возможности малым.
В предложенном устройстве ВЧ-генерация или ВЧ-преобразование интегрированы в резонансную структуру. Преобразователь встроен в структуру, которая образована из ВЧ-резонансного устройства 110 в качестве первой полости и второй полости, по существу замкнутой для частоты ВЧ-энергии, которое реализовано экраном 134 и частью внешней стенки ВЧ-резонансного устройства. Между двумя полостями предусмотрена щель 114. Щель 114 ограничена первым и вторым фланцем 117, 118. Первый и второй фланцы выполнены таким образом, что первый и второй фланцы 117, 118 имеют, соответственно, направляющий компонент перпендикулярно пристеночному току желательной резонансной моды. Выработанный ВЧ-генератором ВЧ-ток вводится в первый и второй фланцы 117, 118 щели 114. Обе полости выполнены таким образом, что введенная в щель электромагнитная мощность главным образом ответвляется в ВЧ-резонансное устройство 110. Оно опирается за счет выполнения первого и второго фланцев 117, 118. Кроме того, ВЧ-частота генератора имеет значение, которое близко или соответствует резонансной частоте ВЧ-резонансного устройства. К тому же щель 114 ВЧ-резонансного устройства размещена вблизи пучности тока резонансной моды ВЧ-резонансного устройства. За счет этого ВЧ-резонансное устройство 110 при резонансной частоте становится низкоомным по сравнению с второй полостью. Например, импеданс второй полости для выдаваемой ВЧ-генератором частоты по меньшей мере в десять раз больше, чем импеданс ВЧ-резонансного устройства. Кроме того, предпочтительным образом никакая резонансная частота второй полости не лежит в окрестности частоты ВЧ-генератора.
Предпочтительным образом, вторая полость геометрически выполнена таким образом, что вторая полость прозрачна к электромагнитному полю, выработанному питающим током, причем экран выполнен как нормально проводящий металлический короб при питании постоянным током или посредством одного или более коаксиальных кабелей для питания током. В этой форме выполнения вторая полость выполнена как удлинение полости между оболочкой и внутренним проводником коаксиального кабеля. Электропроводная оболочка коаксиального кабеля соединена со стенкой корпуса экрана.
Фиг. 12 показывает другую форму выполнения ВЧ-резонансного устройства 110 в схематичном представлении, при которой щели 114 размещены вдоль продольного направления ВЧ-резонансного устройства 110 и параллельно друг другу. С каждой щелью сопоставлено устройство 130 ввода согласно формам выполнения по Фиг. 8-10. В зависимости от выбранной формы выполнения, ВЧ-генераторы вводят ВЧ-мощность в продольные стороны и/или поперечные стороны щели 114. Передние и задние поперечные кромки 170, 172 щели 114 предпочтительно размещены в передней или задней плоскости перпендикулярно продольной стороне ВЧ-резонансного устройства 110. В зависимости от выбранной формы выполнения, передняя и задняя поперечные кромки или продольные стороны щели имеют соответствующие первый и второй фланцы 117, 118 согласно Фиг. 10.
Фиг. 13 показывает схематичное представление плотности тока I в стенке ВЧ-резонансного устройства 110 в зоне щели 114. Через фланцы 117, 118 вводятся ВЧ-токи от не показанного генератора 131. За счет ограниченной формы выполнения щели 114, достигается то, что сбоку от щели 114 в резонансном режиме ВЧ-резонансного устройства 110 токи по существу протекают по нижней стороне внешней стенки 111. Это достигается тем, что области сбоку от щели 114 представляют соответственно первую и вторую индуктивности L1, L2. В зоне щели 114 имеется дополнительная индуктивность L0, которая задается генератором 131. За счет магнитной связи тока, вводимого генератором 131, также индуцируются электрические напряжения в областях сбоку от щели 114 в первой и второй индуктивностях L1, L2. Таким способом кольцевые токи вокруг щели подавляются подобно скомпенсированному по току дросселю.