ВОЛНОВОДНОЕ ОКНО ВВОДА И/ИЛИ ВЫВОДА ЭНЕРГИИ СВЧ
WAVEGUIDE WINDOW FOR INPUT AND/OR OUTPUT OF MICROWAVE ENERGY

Настоящее изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к вакуумноплотным волноводным окнам ввода-вывода энергии длинноволновой части СВЧ диапазона.
Из существующего уровня техники известны конструкции волноводных окон на частоту 500 МГц, совмещающих в себе функции волноводного окна и трансформатора сопротивлений, в которых применены керамические диски, диаметры которых в несколько раз меньше размера широкой стенки прямоугольных волноводов [1], имеющих большое поперечное сечение. На ширине прямоугольных волноводов уменьшенной высоты могут быть размещены один или три диска. Тем самым в некоторой степени удается избежать необходимости решения крайне сложных в технологическом отношении проблем изготовления и пайки дисков больших диаметров (250-500 мм), как это могло бы потребоваться в случае применения широко распространенной конструкции т.н. «баночного окна» [2]. Кроме того, из-за сильного отражения электромагнитной волны от поперечной металлической перегородки, в которой установлены керамические диски, описанные волноводные окна, согласованные с помощью индуктивных штырей, имеют узкую (менее 1%) полосу согласования. При такой ширине полосы даже небольшие ее смещения по частоте, связанные с технологическими разбросами величины диэлектрической проницаемости керамики, могут приводить к резкому ухудшению согласования на рабочей частоте.
Известна также конструкция коаксиально-волноводного окна, состоящего из широкополосного коаксиально-волноводного перехода и диэлектрической вакуумноплотной перегородки, имеющей форму цилиндра, охватывающего центральный проводник коаксиала и расположенный в прямоугольном волноводе [3]. Пайка цилиндрических перегородок хорошо отработана, и современные технологии позволяют получать спаи с металлом при диаметрах цилиндров, достигающих нескольких десятков сантиметров. В частности, при максимальных диаметрах можно использовать компенсированные торцевые спаи с медью. К недостаткам конструкции следует отнести сложную в изготовлении форму центрального проводника коаксиала в месте соединения его с широкой стенкой прямоугольного волновода, необходимую для получения широкополосного согласования.
Более простой в технологическом отношении является конструкция коаксиально-волноводного окна, в которой центральный проводник имеет емкостную связь с волноводом, а в качестве вакуумноплотной перегородки используется керамический колпак, припаянный к одной из широких стенок волновода таким образом, чтобы он закрывал выступающий в волновод конец центрального проводника [4, 5]. Перегородки, имеющие вид полых тел вращения, обладают повышенной прочностью в отношении перепада давлений, что позволяет выполнить их стенки более тонкими, чем у керамических дисков. Благодаря малой толщине диэлектрика удается также уменьшить вероятность попадания в рабочую полосу паразитных резонансов керамической перегородки.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является конструкция волноводного окна со «смещенными прямоугольными волноводами», в которой входной волновод расположен над/под выходным волноводом, причем оба волновода связаны между собой коротким отрезком круглого волновода, соединяющим обращенные друг к другу широкие стенки прямоугольных волноводов [6]. В средней части круглого волновода размещен керамический диск, припаянный вакуумноплотно к стенке волновода. Диаметр этого диска примерно равен размеру широких стенок прямоугольных волноводов. Поэтому при крупноразмерных волноводах, применяемых в длинноволновой части СВЧ диапазона, также возникает проблема изготовления диска большого диаметра и получения вакуумноплотного соединения керамики со стенками круглого волновода.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение технологичной конструкции волноводного окна вывода энергии, обладающего широкой беспаразитной полосой согласования, способного пропускать высокие уровни мощности СВЧ, совмещающего в себе функции трансформатора сопротивления, имеющего возможность расположения входного и выходного волноводов под произвольным углом друг к другу и обладающего хорошими массогабаритными характеристиками. Указанная задача решается с помощью данного изобретения.
Предлагается волноводное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, содержащее два прямоугольных волновода, расположенных друг над другом таким образом, что их широкие стенки лежат в параллельных плоскостях, а внутренние полости волноводов соединены между собой через круглое отверстие в обращенных друг к другу широких стенках, вакуумноплотную диэлектрическую перегородку, а также служащие для согласования окна средства в виде закорачивающей стенки на одном из концов каждого из волноводов, установленные на расстоянии около ¼ волноводной длины волны от оси отверстий, отличающееся тем, что:
1. Соосно в указанные отверстия может быть помещен металлический стержень, соединенный с расположенной напротив отверстия широкой стенкой, по крайней мере, одного из волноводов, и проходящий в другой волновод, а диэлектрическая перегородка, охватывающая указанный стержень, выполнена в виде полого тела вращения и прикреплена вакуумноплотно, по крайней мере, к краям указанного отверстия.
2. Волноводное окно по п. 1, в котором второй конец стержня может быть присоединен к противолежащей указанному отверстию широкой стенке другого волновода, а диэлектрическая перегородка может быть выполнена в виде полого цилиндра, соосного стержню и расположенного в другом волноводе, так что один торец цилиндра соединен вакуумноплотно с краями отверстия, а второй конец прикреплен вакуумноплотно к расположенной напротив отверстия широкой стенке этого волновода.
3. Волноводное окно по п. 1, в котором указанный металлический стержень может быть выполнен в виде прямого цилиндра.
4. Волноводное окно по п. 1, в котором длина указанного цилиндра может быть эквивалентна половине длины волны.
5. Волноводное окно по п. 1, которое может быть установлен дополнительный согласующий элемент, выполненный в виде соосного стержню кольцевого выступа на поверхности расположенной напротив указанного отверстия широкой стенки волновода, не содержащего диэлектрическую перегородку.
6. Волноводное окно по п. 1, в котором поперечные размеры входного волновода могут быть выполнены отличными от поперечных размеров выходного волновода.
7. Волноводное окно по п. 1, в котором волноводы могут быть повернуты на произвольный угол относительно друг друга вокруг оси указанного стержня.
8. Волноводное окно по п. 1, в котором свободный конец указанного стержня может быть снабжен емкостным наконечником с диаметром, превышающим диаметр стержня, и выступает в другой волновод, а указанная диэлектрическая перегородка может быть выполнена в форме колпака, окружающего соосно свободный конец стержня.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является конструкция волноводного окна, к достоинствам которой можно отнести широкую рабочую полосу частот (до 20%) и высокую технологичность в низкочастотной части СВЧ-диапазона (благодаря замене плоских вакуумноплотных диэлектрических перегородок керамическими цилиндрами или колпаками), возможность одновременного использования конструкции как в качестве вакуумноплотного окна, так и в качестве трансформатора сопротивлений, а также возможность поворота волноводов на произвольный угол друг относительно друга в плоскости, параллельной их широким стенкам. При этом благодаря связи волноводов через отрезок коаксиала диаметр цилиндров или колпаков оказывается меньшим диаметра плоского диска в конструкции-прототипе [6]. Следует также отметить, что применение в коаксиальной части описанного вывода энергии в качестве вакуумного уплотнения плоского диска малого диаметра взамен цилиндра или колпака не имеет смысла ввиду низкой устойчивости такой перегородки к пробоям по невакуумной стороне поверхности и вторично-электронному СВЧ разряду на ее вакуумной стороне.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - волноводное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ согласно изобретению.
На фиг. 2 - характеристика согласования волноводного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенного на фиг. 1;
На фиг. 3 - волноводное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ согласно изобретению с перпендикулярным расположением волноводов и вакуумпоплотной перегородкой в виде керамического цилиндра;
На фиг. 4 - характеристика согласования волноводного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенного на фиг. 3;
На фиг. 5 - волноводное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ согласно изобретению с прямоугольными волноводами разных сечений;
На фиг. 6 - характеристика согласования волноводного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенного на фиг. 5;
На фиг. 7 - волноводное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ согласно изобретению с прямоугольными волноводами разных сечений и резонансным стержнем;
На фиг. 8 - характеристика согласования волноводного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенного на фиг. 7;
На фиг. 9 - волноводное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ согласно изобретению с прямоугольными волноводами разных сечений и керамическим колпаком, окружающим свободный конец стержня;
На фиг. 10 - характеристика согласования волноводного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенного на фиг. 9.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Волноводное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, показанное на фиг. 1, содержит два расположенных один над другим волновода (1, 2), закороченных на одном из концов стенками (3, 4) соответственно. Волноводы соединены между собой со стороны широких стенок отверстием (5), в которое соосно вставлен стержень (6). Стержень выполнен в виде прямого цилиндра и прикреплен, по крайней мере, к одной из обращенных в сторону отверстия широких стенок одного из волноводов. Стержень окружает вакуумноплотная диэлектрическая перегородка (7), имеющая вид фигуры вращения. Как один из вариантов обеспечения согласования в заданной полосе частот к широкой стенке одного из волноводов прикреплено кольцо (8).
10
11
10
Мощность СВЧ, поступившая на вход одного из прямоугольных волноводов, например волновода (1), переносится волной Н, которая преобразуется на стыке прямоугольного и коаксиального волноводов в волны ТЕМ и ТЕ коаксиала. Пройдя через диэлектрическую перегородку (7) они снова преобразуются в волну Н выходного прямоугольного волновода и далее мощность передается в нагрузку (не показанную на фиг.).
Такое волноводное окно является технологичным в изготовлении и обеспечивает передачу через него больших величин импульсных и непрерывных мощностей.
Вычислительный эксперимент, проведенный на уменьшенном макете описанной конструкции окна, показал, что для прямоугольных волноводов сечением 35×15 мм , толщины диэлектрической перегородки L=2 мм, длины стержня L=32 мм, внутреннего d=5 мм и внешнего D=7 мм диаметров кольца и расстояний от оси стержня до закороток, равных 25 мм для верхнего и 30 мм для нижнего волновода соответственно, полоса согласования по уровню КСВн=1,1 лежит в пределах от 5,68 ГГц до 6,02 ГГц. На фиг. 2 приведена полученная методом машинного моделирования характеристика согласования (зависимость КСВн от частоты F) такого волноводного окна.
Иногда в СВЧ приборах возникает необходимость применения выводов энергии, у которых выходной волновод должен быть повернут на заданный угол относительно входного волновода. Это может, например, потребоваться, если на приборе с двумя выводами энергии выходные волноводы должны быть повернуты в одну сторону. Вариант окна с перпендикулярным расположением входного и выходного волноводов представлен на фиг. 3.
На фиг. 4 приведена полученная методом машинного моделирования характеристика согласования (зависимость КСВн от частоты F) для волноводного окна с перпендикулярным расположением входного и выходного волноводов.
На практике нередко возникает необходимость в применении на входе и выходе вывода энергии волноводов с отличающимися друг от друга размерами поперечных сечений. Тогда для согласования волновых сопротивлений прибегают к различным дополнительным трансформирующим устройствам. Приведенная на фиг. 5 конструкция волноводного окна с прямоугольными волноводами разных сечений сочетает в себе функции широкополосного вакуумноплотного окна ввода/вывода энергии и трансформатора сопротивлений. Применение подобной конструкции позволяет уменьшить массогабаритные показатели прибора в целом, что особенно эффективно в дециметровом диапазоне длин волн, где четвертьволновые и плавные трансформаторы сопротивлений оказываются слишком громоздкими и неудобными в изготовлении.
На фиг. 6 приведена полученная с помощью вычислительного эксперимента характеристика согласования (зависимость КСВн от частоты F) волноводного окна с прямоугольными волноводами разных сечений.
10
Для расширения полосы согласования волноводного окна необходимо подобрать оптимальную связь между полями в коаксиальном волноводе и волны Н в прямоугольных волноводах. Для этого необходимо расчетным или экспериментальным путем подобрать расстояния от оси стержня до закороченных концов верхнего и нижнего волноводов, а также длину самого стержня. В конструкциях окна, подобных приведенным на фиг. 1, 3, 5, длина стержня должна быть эквивалентна половине длины волны в свободном пространстве. При учете укорачивающего влияния проходной емкости и диэлектрической перегородки длина стержня должна составлять около 0,4 от длины волны на средней частоте полосы согласования. В некоторых случаях это может потребовать увеличения длины отверстия между волноводами за счет введения дополнительного кольца (9) (фиг. 7). Характеристика согласования в этом случае формируется системой, состоящей их трех связанных низкодобротных резонаторов: двух отрезков волноводов от закороченных концов до металлического стержня, а также самого стержня. В результате характеристика согласования приобретает вид кривой с тремя минимумами, а полоса согласования может достигнуть 20% по уровню КСВн=1,2 (фиг. 8).
Аналогичными свойствами обладает конструкция, содержащая расположенный в одном из волноводов керамический колпак, соединенный вакуумноплотно с краями отверстия в общей стенке волноводов (фиг. 9). Внутрь колпака соосно введен металлический стержень, один конец которого закреплен на широкой стенке другого волновода, а на другом конце установлен емкостный наконечник (10), размеры и положение которого определяют величину связи между волноводами. Максимальная полоса согласования этого варианта конструкции примерно в два раза меньше, чем у окна с резонансным штырем, оба конца которого закреплены на противолежащих широких стенках обоих волноводов (фиг. 10).
Таким образом, предлагаемая конструкция волноводного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ является компактной, технологичной в изготовлении и предоставляет широкий набор вариантов исполнения, способный удовлетворить разнообразные требования разработчиков электровакуумных приборов СВЧ.
Источники информации
1. Kirchgessner J. Prototype 500 MHz Planar RF Input Window for a B-Factory Accelerating Cavity / J. Kirchgessner J, P. Barnes, R. Gerlack t, D. Moffat, H. Padamsee, D. Rubin, Q. S. Shu // Particle Accelerator Conference РАС 1991. - 1991. - P. 678-680.
2. Пат. 2958834 США, C1.333-98. Sealed Wave Guide Window / R.S. Symons, A.E. Schoennauer. - заявлено 13.06.56 ; опубликовано 01.11.60.
3. Sun D. High Power Test of RF Window and Coaxial Line in Vacuum / D. Sun, M. Champion, M. Gormley, Q. Kerns, K. Koepke, A. Moretti // Particle Accelerator Conference РАС 1993. - 1993. - P. 1127-1129.
4. Пат. GB1113857 (А) Великобритания. МКИ H01J23/16; H01J23/48; H01J25/10. Electron tube device / Hitachi Ltd. // опубликовано 05.05.1968.
5. Прокофьев Б.В. Вывод энергии ЭВП СВЧ / Б.В. Прокофьев // Энциклопедический словарь «Электроника». - М., 1991. - Советская энциклопедия. - С. 71, 72.
6. Coupler Workshop at DESY. April 26-27, 1999. - P. 52. [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://flash.desy.de/sites2009/site_vuvfel/content/e403/el644/e1418/e1420/infoboxContent2287/tesla1999-10.pdf, свободный.