БАНОЧНОЕ ОКНО ВВОДА-ВЫВОДА ЭНЕРГИИ СВЧ
INPUT/OUTPUT ROUND-TO-RECTANGULAR WAVEGUIDE OF MICROWAVE ENERGY

Изобретение относится к электровакуумной технике СВЧ, а именно к баночным окнам ввода-вывода энергии СВЧ электровакуумных приборов и ввода энергии СВЧ в ускоряющие структуры ускорителей. В частности, оно может быть использовано при создании мощных и сверхмощных клистронов и мощных современных линейных СВЧ-ускорителей.
Актуальной задачей в настоящее время является разработка и создание мощных электровакуумных приборов СВЧ и мощных линейных СВЧ-ускорителей, применяющихся в различных областях техники. Одним из важных элементов конструкции таких мощных СВЧ приборов являются окна ввода-вывода энергии, обеспечивающие пропускание значительных уровней импульсных и непрерывных СВЧ мощностей в широкой полосе частот, а также конструктивно удобных и технологичных в изготовлении. При этом разработчики сталкиваются с проблемами недостаточной электрической прочности устройств ввода-вывода, а также с необходимостью расширения полосы согласования, что непосредственно влияет на технические характеристики электровакуумного прибора в целом. Предлагаемое изобретение направлено на решение данной задачи.
10
01
10
Известно баночное окно ввода/вывода энергии СВЧ-прибора (А/с СССР №1607638, МКИ H01J 23/36, 11.07.88). В данном окне между двумя отрезками прямоугольных волноводов расположен круглый волновод, в котором установлена диэлектрическая перегородка в виде диска, отделяющего вакуумное пространство СВЧ прибора от внешнего пространства, заполненного воздухом (обычно при высоком давлении) или другой газовой средой. При этом оси прямоугольных волноводов расположены параллельно продольной оси круглого волновода и разнесены во взаимно противоположных направлениях относительно нее. Основная волна Н в прямоугольном волноводе на стыке его с круглым волноводом преобразуется в волну E, которая затем на стыке круглого волновода с другим отрезком прямоугольного волновода преобразуется в волну Н.
Хотя такое баночное окно позволяет осуществить передачу высоких импульсных мощностей, однако расположение входного и выходного прямоугольных волноводов со смещением относительно центра промежуточного (круглого) волновода вызывает трудности при компоновке СВЧ прибора в аппаратуре.
11
ε
ε
Известно баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ (Патент США №2958834, R.S. Symons et al. Sealed wave guide window, НКИ 333-98, пр. 13.06.1956, опубл. 01.11.1960). В этом окне между расположенными соосно прямоугольными волноводами расположен круглый волновод, в котором установлена диэлектрическая перегородка в виде диска. В баночном окне передача СВЧ мощности осуществляется на основной волне круглого волновода Н. При максимальной полосе согласования толщина диэлектрической перегородки L, составляет L=(0,02-0,03) ∅ (где ∅ - диаметр круглого волновода), а расстояние L от поверхности перегородки до ближайшего торца круглого волновода - L≤0,08 ∅.
Такое баночное окно имеет существенные недостатки. Нагрев окна за счет диэлектрических потерь происходит в центральной части диэлектрической перегородки (диска), где компонента электрического СВЧ поля, направленная вдоль поверхности диэлектрической перегородки, имеет максимальную величину. Маленькая толщина диэлектрической перегородки существенно затрудняет передачу тепла от ее центра к стенкам круглого волновода. Это ограничивает величину передаваемой через окно непрерывной мощности СВЧ.
11
Структура электрического поля волны Н в круглом волноводе существенно снижает электрическую прочность из-за возможности возникновения пробоя по поверхности диэлектрической перегородки. Это также ограничивает величину импульсной мощности, передаваемой через окно.
Незначительная величина расстояния L от поверхности диэлектрической перегородки до ближайшего торца круглого волновода существенно снижает термостойкость баночного окна.
Таким образом, рассматриваемое баночное окно ввода и/или вывода энергии имеет низкую термостойкость и ограниченный уровень передаваемых через него импульсных и непрерывных мощностей СВЧ.
11
Наиболее близким к изобретению (прототипом изобретения) является баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ. (Патент РФ №2207655, МПК H0J23/36, Н01Р 1/08, опубликовано 27.06.2003), содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого, равноудаленно от его торцов расположена диэлектрическая перегородка, выполненная в виде диска и вакуумно-плотно соединенная со стенками отрезка круглого волновода, к которому с противоположных его торцов соосно присоединены первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, отличающееся тем, что размеры отрезка круглого волновода и диэлектрической перегородки в виде диска, обеспечивающие передачу СВЧ мощности через баночное окно на волне Е, определены из соотношений
L/∅=0,15÷0,21;
ε
L/∅=0,09÷14,
где ∅ - диаметр круглого волновода;
0
λ - длина волны, соответствующая центральной точке полосы согласования;
L - расстояние от поверхности диэлектрической перегородки в виде диска до ближайшего торца отрезка круглого волновода;
ε
L - толщина диэлектрической перегородки в виде диска;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической перегородки. При этом в каждом из отрезков прямоугольных волноводов может быть установлена диафрагма с окном связи, причем одна из плоских поверхностей диафрагмы совпадает с торцевой плоскостью отрезка круглого волновода.
11
В баночном окне-прототипе толщина диэлектрического диска и длина отрезка круглого волновода, рассчитанные по определенными параметрам, обеспечивают надежность спая диэлектрического диска с металлической стенкой отрезка круглого волновода и увеличивают термостойкость баночного окна. Электрическое поле в баночном окне-прототипе направлено перпендикулярно диэлектрическому диску, что снижает вероятность пробоев через толщину диэлектрического диска и обеспечивает возможность передачи через баночное окно больших величин импульсной мощности СВЧ. В центральной части диэлектрического диска поперечная составляющая напряженности электрического поля волны Е близка нулю, следовательно, выделение тепла в центре диэлектрического диска незначительно, особенно при небольших уровнях передаваемых средних мощностей СВЧ. Пучности электрического поля смещены к краю диэлектрического диска, ближе к спаю его с отрезком круглого волновода, что повышает эффективность теплопередачи к стенкам отрезка круглого волновода, облегчает отвод тепла и позволяет увеличить уровень передаваемых через баночное окно импульсных и непрерывных мощностей СВЧ.
11
Однако предлагаемая в прототипе конструкция баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ, содержащего диафрагмы с окном связи, где одна из плоских поверхностей диафрагмы совпадает с торцевой плоскостью круглого волновода, существенно снижает электрическую прочность окна, а следовательно, и уровень пропускаемой баночным окном ввода-вывода энергии СВЧ импульсной мощности. Это происходит по причине того, что в баночных окнах ввода-вывода энергии СВЧ, работающих на волне Е, напряженность электрического поля максимальна в местах стыка прямоугольного и круглого волноводов, и если в этом месте расположить дополнительно диафрагму с окном связи, напряженность электрического поля еще более возрастает. За счет этого в прототипе снижается электрическая прочность, а следственно и уровень пропускаемой импульсной мощности. Кроме того, предложенный вариант расположения диафрагм не является оптимальным для обеспечения широкой полосы согласования баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ.
11
Задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ, обладающего высокой электрической прочностью, и предназначенного для передачи через него больших уровней импульсной мощности СВЧ в широкой полосе частот на волне Е.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение уровня пропускаемой импульсной мощности СВЧ за счет увеличения электрической прочности и расширение полосы согласования баночного окна ввода-вывода СВЧ мощности.
11
Технический результат достигается тем, что предлагается баночное окно ввода-вывода энергии СВЧ для передачи мощности СВЧ на волне Е, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумно-плотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода, а также присоединенные к отрезку круглого волновода с противоположных торцов, расположенные соосно первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, при этом баночное окно дополнительно содержит две индуктивные диафрагмы, которые расположены соответственно в первом и втором отрезках прямоугольных волноводов равноудаленно от торцов круглого волновода, при этом расстояние между каждой из диафрагм и торцевой поверхностью круглого волновода определяется из соотношения
- длина волны в первом и втором прямоугольных волноводах;
0
λ - длина волны соответствующая центральной точке полосы согласования;
а
- размер широкой стенки прямоугольного волновода;
а геометрические размеры окна связи определяются соотношениями:
c
b=b
a
c
где  - размер окна связи по широкой стенке прямоугольного волновода;
с
b - размер окна связи по узкой стенке прямоугольного волновода;
b - размер узкой стенки прямоугольного волновода;
d - толщина диафрагмы.
В предлагаемом изобретении отрезки прямоугольных волноводов могут быть выполнены с круглыми фланцами, предназначенными для соединения с отрезком круглого волновода. Это повышает технологичность изготовления баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ.
10
11
Использование предлагаемой конструкции баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ позволяет существенно снизить напряженность электрических полей на стыках отрезков прямоугольных волноводов и отрезка круглого волновода, то есть в местах, где волна Н, переносящая мощность СВЧ колебаний преобразуется в волну Е, и наоборот. Напряженность электрического поля в данных точках максимальна, и отсутствие в предлагаемой конструкции баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ на стыках отрезков прямоугольных и круглого волноводов дополнительных преград для прохождения СВЧ колебаний, позволяет достичь большей электрической прочности баночного окна, и таким образом обеспечить передачу больших импульсных и средних мощностей СВЧ.
11
Таким образом, расположение диафрагм на удалении от торцов круглого волновода приводит к ослаблению напряженности электрического поля на месте соединения отрезков круглого и прямоугольных волноводов, где напряженность поля для окон, работающих на волне Е, максимальна и позволяет повысить максимальную мощность, которую способно пропустить баночное окно ввода-вывода энергии СВЧ. При этом, при условии выбора размеров окна связи диафрагм и их толщины из приведенных выше соотношений, не приводит к значительному росту напряженности электрического поля в прямоугольном волноводе и обеспечивают отсутствие отражения энергии СВЧ от диафрагм, что также обеспечивает высокую электрическую прочность окна.
Использование индуктивных диафрагм, а также их расположение на удалении от торцов круглого волновода, позволяет обеспечить широкую полосу согласования предлагаемого баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ, посредством того, что создается дополнительный согласующий элемент, а как известно, использование дополнительных согласующих элементов, позволяет существенно расширить полосу пропускания.
Экспериментальным путем было установлено, что оптимальным вариантом конструкции баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ является расстояние между каждой из диафрагм и торцевой поверхностью круглого волновода определяется из соотношения
g0
0
0
2
где λ=λ/√(1-(λ/2a)) - длина волны в первом и втором прямоугольных волноводах;
0
λ - длина волны соответствующая центральной точке полосы согласования;
а - размер широкой стенки прямоугольного волновода;
а геометрические размеры окна связи определяются соотношениями:
с
0
а≥λ/2
c
b=b
0
d≤λ/14
c
где a - размер окна связи по широкой стенке прямоугольного волновода;
с
b - размер окна связи по узкой стенке прямоугольного волновода;
b - размер узкой стенки прямоугольного волновода;
d - толщина диафрагмы.
11
Для осуществления передачи СВЧ-мощности на волне E в предлагаемом баночном окне размеры отрезка круглого волновода и диэлектрического диска должны быть выбраны из тех же соотношений, что и в баночном окне-прототипе.
Изобретение поясняется чертежами.
11
На фиг. 1а показано вертикальное осевое сечение предлагаемого баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ для передачи мощности СВЧ на волне Е.
11
На фиг. 1б показано горизонтальное осевое сечение предлагаемого баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ для передачи мощности СВЧ на волне Е.
11
На фиг. 2 показано вертикальное осевое сечение предлагаемого баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ для передачи мощности СВЧ на волне Е в варианте исполнения, когда отрезки прямоугольных волноводов 3 и 4 выполнены с круглыми фланцами, предназначенными для соединения с отрезком круглого волновода 1.
На фиг. 3 показана экспериментально снятая характеристика согласования предлагаемого баночного окна ввода-вывода энергии СВЧ.
Баночное окно ввода-вывода энергии СВЧ, показанное на фиг. 1а и фиг. 1б, содержит отрезок круглого волновода 1, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск 2, который вакуумно-плотно спаян со стенкой отрезка круглого волновода 1, и отрезки прямоугольных волноводов 3, 4, присоединенные к отрезку круглого волновода 1 с противоположных его торцов. В отрезках прямоугольных волноводов 3 и 4 расположены индуктивные диафрагмы 9 и 10, каждая из которых выполнена в виде двух пластин, спаянных с узкими стенками волноводов 3 и 4 друг напротив друга, и образующих окно связи. Отрезок круглого волновода 1 снабжен торцевыми крышками 5, 6, расположенными в плоскостях стыка его с отрезками прямоугольных волноводов 3, 4. Отрезки прямоугольных волноводов 3, 4 снабжены на свободных концах присоединительными фланцами 7, 8 соответственно. При этом отрезок прямоугольного волновода 3 предназначен для соединения с вакуумной областью СВЧ-прибора или ускорителя, а отрезок прямоугольного волновода 4 предназначен для соединения с областью, находящейся под избыточным давлением газовой среды.
Баночное окно ввода-вывода энергии СВЧ, показанное на фиг. 2 содержит отрезки прямоугольных волноводов 3 и 4, которые выполнены с круглыми фланцами, предназначенными для соединения с отрезком круглого волновода 1.
На фиг. 3 показана экспериментально снятая зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) от частоты СВЧ-сигнала (F) предлагаемого баночного окна, изображенного на фиг. 1а. Из графика следует, что на центральной точке полосы согласования КСВн имеет значение 1,02, что соответствует практически полной передаче СВЧ-энергии через баночное окно ввода и/или вывода СВЧ-энергии предложенной конструкции. При этом ширина полосы согласования по уровню ≤1,1 составляет 14,3% что позволяет использовать окно для широкополосных приборов.
11
10
11
11
10
Баночное окно ввода-вывода энергии СВЧ для передачи мощности СВЧ на волне Е, показанное на фиг. 1а, работает следующим образом. СВЧ-мощность, поступившая на вход одного из отрезков прямоугольных волноводов, например отрезка прямоугольного волновода 3, переносится волной Н, которая преобразуется на стыке отрезков прямоугольного волновода 3 и отрезка круглого волновода 1 в волну Е круглого волновода при указанных соотношениях размеров отрезков круглого волновода 1 и диэлектрического диска 2. Прошедшая через диэлектрический диск 2 СВЧ-мощность на волне Е преобразуется на стыке отрезка круглого волновода 1 и отрезка прямоугольного волновода 4 в волну Н и передается в нагрузку.
11
В соответствии с предлагаемым изобретением было изготовлено баночное окно ввода/вывода СВЧ-энергии на волне Е, работающее в диапазоне 3 ГГц, конструкция которого показана на фиг. 1. Баночное окно содержит два отрезка волновода прямоугольного сечения 72×34 мм, между которыми расположен отрезок круглого волновода длиной 41,5 мм и внутренним диаметром 89 мм с впаянным в него диэлектрическим диском диаметром 89 мм и толщиной 12,5 мм, изготовленным из керамики ВК94-1. В прямоугольных волноводах равноудаленно от торцевых поверхностей круглого волновода на расстоянии 21 мм впаяны диафрагмы с окном связи 52×34 мм и толщиной 4 мм.
Таким образом, предложенное в изобретении баночное окно ввода и вывода энергии СВЧ может быть использовано при создании мощных и сверхмощных приборов СВЧ (например, клистронов, ЛБВ, магнетронов), а  также современных мощных СВЧ-ускорителей, обеспечивая надежную передачу больших мощностей от СВЧ-прибора к ускоряющей системе.