СПОСОБ ДИСКРЕТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ЗАТУХАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ В ПЛЁНОЧНЫХ ЛОКАЛЬНЫХ ПОГЛОТИТЕЛЯХ ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ПРИБОРОВ СВЧ С ДЛИТЕЛЬНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ
ELECTROMAGNETIC WAVE IN THE SHF DEVICES SLOWING STRUCTURES FILM LOCAL ABSORBERS DIFFERENTIAL ATTENUATION DISCRETE MEASUREMENT METHOD WITH LONG-TERM INTERACTION

Изобретение относится к вакуумной микроэлектронике СВЧ, а именно к способу измерения характеристик пленочных локальных поглотителей энергии СВЧ на опорных диэлектрических стержнях с заданным распределением дифференциального затухания по длине замедляющей системы усилительного прибора СВЧ с длительным взаимодействием.
Одним из элементов, составляющих замедляющие системы спирального типа и типа «кольцо-стержень», являются диэлектрические стержни, удерживающие центральный проводник в металлической оболочке. Приборы, имеющие большое усиление, состоят из нескольких секций, разделенных локальными поглотителями энергии СВЧ. Чаще всего локальный поглотитель представляет собой пленочное поглощающее покрытие, нанесенное тем или иным способом на поверхность диэлектрического стержня. Зависимость дифференциального затухания по длине замедляющей системы, вносимого поглотителем, определяется на этапе проектирования прибора, т.к. эта характеристика существенно влияет на работу усилительного прибора. Требуемая зависимость дифференциального затухания достигается либо за счет изменения поверхностной плотности поглощающего слоя, либо за счет геометрической конфигурации поглотителя. При изготовлении локального поглотителя важной задачей является контроль зависимости дифференциального затухания поглотителя по длине замедляющей системы, т.к. это определяет устойчивость к самовозбуждению усилительного прибора и его выходные характеристики.
Известны способы косвенного контроля дифференциального затухания поглотителя, основанные на измерении поверхностного сопротивления резистивной пленки [В.П. Дьяконов. Современная техника и приборы для измерения резистивности и снятия ВАХ / Дьяконов В.П. // Компоненты и технологии, 2010, №10, С. 137-144] поглощающего слоя и дальнейшего пересчета в значения дифференциального затухания. К недостаткам таких методов следует отнести необходимость пересчета измеренного сопротивления в распределенное затухание, что, в общем случае, не является тривиальной задачей [Ильина Е.М., Поздняков Л.В. Программа расчета поверхностного сопротивления пленочных поглотителей СВЧ-энергии по измеренному сопротивлению // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2004)», 15-16 сент. 2004. Саратов: Изд-во Саратовск. гос. ун-та, 2004. С. 5-12]. Также недостатком являются большие временные затраты в случае контроля всех четырех поверхностей диэлектрического стержня, покрытого поглощающим резистивным слоем.
Известен способ изготовления электронных приборов СВЧ [Р.П. Метафонов, В.А. Судаков. Авторское свидетельство №266077 от 17.03.1970. «Способ изготовления приборов СВЧ], заключающийся в том, что в пространство взаимодействия ЛБВ вносятся дополнительные конструктивные элементы, которые обеспечивают создание локального поглотителя в собранном и откачанном приборе путем испарения и осаждения металла на поверхности замедляющей системы. Очевидно, что данный метод позволяет контролировать затухание в процессе изготовления поглотителя и, следовательно, создавать поглотитель с требуемыми характеристиками. Однако данный метод обладает рядом недостатков. Осаждение испаряемого металла происходит не только на диэлектрические стержни, но и на поверхность центрального проводника (спирали). Для мощных приборов это недопустимо, т.к. при нагреве спирали осажденный металл будет испаряться и нарушать вакуум прибора. Наличие дополнительных конструктивных элементов (в частности, нагревателя) увеличивают поперечные размеры СВЧ прибора. Увеличение поперечных размеров осложняет фокусировку электронного потока магнитным полем и приводит к существенному увеличению магнитной фокусирующей системы, что неизбежно ведет к увеличению габаритов и массы всего прибора.
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению является способ отбраковки опорных диэлектрических стержней для высокочастотного пакета прибора СВЧ [RU 95 104 948 от 20.07.1996. Поздняков Л.В., Винник В.В., Сухов А.В., Лалетин С.С., Гончаров А.В., Чихичин Ю.Н. Способ отбраковки опорных диэлектрических стержней для высокочастотного пакета прибора СВЧ]. Сущность данного способа заключается в измерении дифференциального затухания поглотителя зондовым методом в оправке, представляющую собой однородный отрезок замедляющей системы. Зонд представляет собой коаксиальный осесимметричный волновод, с одной стороны подключенный к измерительному устройству, а с другой волновод имеет открытый конец, причем центральный проводник несколько длиннее внешней оболочки и служит антенной. Перемещая зонд внутри пролетного канала замедляющей системы можно измерять амплитуду поля в ней и, соответственно, измерять дифференциальное затухание. Недостатками этого способа, очевидно, является наличие измерительного зонда в пролетном канале. Во-первых, зонд влияет на КСВ, что снижает точность измерений. Авторы предлагают покрывать внешнюю поверхность зонда поглощающим слоем, что уменьшает влияние на КСВ, но также уменьшает амплитуду поля вблизи зонда, что негативно сказывается на его чувствительности и точности измерений в диапазоне частот. Во-вторых, метод становится практически неприменимым к замедляющим системам миллиметрового диапазона длин волн в силу сравнительно малых поперечных размеров, что существенно осложняет изготовление коаксиального зонда столь малого диаметра, а также его перемещений в пролетном канале без соприкосновения с центральным проводником замедляющей системы.
Предлагаемый метод измерения дифференциального затухания локального поглотителя лишен указанных выше недостатков, т.к. измерения проводятся без применения отдельного зонда и непосредственно на сверхвысоких частотах, входящих в рабочий диапазон прибора, что позволяет измерять непосредственно затухание, вносимое локальным поглотителем, т.е. осуществлять контроль зависимости дифференциального затухания поглотителя от продольной координаты диэлектрического стержня.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерений дифференциального затухания локального поглотителя.
Технический результат в заявляемом техническом решении достигается тем, что в процессе измерения дифференциального затухания локального поглотителя диэлектрический стержень с локальным поглотителем перемещается с постоянным шагом вдоль оправки, представляющей собой однородную замедляющую систему, на один конец которой подается непрерывный СВЧ сигнал, а с другого конца замедляющей системы ослабленный СВЧ сигнал подается на вход измерителя ослаблений. Перемещение стержня с локальным поглотителем вдоль оправки вызывает изменение величины затухания, вносимого в замедляющую систему локальным поглотителем, что позволяет определить интегральную функцию распределения затухания локального поглотителя. Производная этой функции есть искомое дифференциальное затухание.
Кроме того, в процессе измерения диэлектрический стержень с локальным поглотителем может перемещаться с переменным шагом, а измерения могут проводиться для случая импульсного или модулированного СВЧ сигнала.
Техническая сущность, принцип действия и осуществимость предлагаемого способа поясняются чертежами.
Идея метода измерения дифференциального затухания заключается в последовательном продольном введении диэлектрического стержня в оправку и регистрации показаний измерителя ослаблений. Схематично измерительная установка представлена на фиг. 1. СВЧ-сигнал с калиброванного генератора 1 поступает на вход оправки, представляющей собой однородный отрезок спиральной замедляющей системы 3. С выхода спиральной замедляющей системы сигнал поступает на вход измерителя ослаблений 2, синхронизированного с генератором 1, с которого по линии 5 на измеритель ослаблений подается опорный сигнал. Таким образом, данная установка позволяет измерять затухание СВЧ-сигнала, прошедшего через замедляющую систему. Очевидно, что данная установка позволяет измерять затухание локального поглотителя, нанесенного на диэлектрический стержень 4, который расположен в замедляющей системе. Если сместить диэлектрический стержень 4 таким образом, чтобы поглотитель находился вне спирали, то величина измеряемого затухания будет определяться потерями в керамических диэлектрических стержнях и металле, из которого сделана спираль. По мере продвижения стержня и, следовательно, локального поглотителя в оправку будет возрастать регистрируемое измерителем ослаблений затухание, обусловленное наличием части поглощающего слоя в пределах замедляющей системы. Зная шаг, с которым вводится стержень в оправку, и, регистрируя соответствующие показания измерителя ослаблений, можно получить интегральную функцию распределения вносимого затухания «A(z)». Очевидно, что эта функция будет возрастающей. Скорость изменения этой функции по координате и является искомым дифференциальным затуханием «α(z)». Таким образом, дифференциальное затухание локального поглотителя, измеряемое в дБ/мм, есть производная интегральной функции распределения затухания локального поглотителя, экспериментально определяемая как отношение конечных разностей
где Δz (мм) - величина шага перемещения диэлектрического стержня в оправке с нанесенным на его стороны локальным поглотителем, ΔА (дБ) - изменение измеренного затухания, соответствующее Δz.
Была проведена серия экспериментальных измерений интегрального и дифференциального затухания локальных поглотителей на стержнях. Стержни изготовлены из окиси бериллия. Каждый стержень содержит только один локальный поглотитель, представляющий собой тонкую пленку углерода, нанесенную методом пиролиза на каждую грань стержня в определенном месте с определенным распределением плотности покрытия поверхности. На фиг. 2 приведена интегральная функция распределения вносимого локальным поглотителем затухания. На фиг. 3 представлена производная интегральной функции распределения затухания локального поглотителя, т.е. функция распределения дифференциального затухания. Следует отметить, что функция распределения дифференциального затухания имеет характерный вид - участку с постоянным дифференциальным затуханием предшествуют участки плавного его изменения, что удовлетворяет требованиям по минимизации отражений от концов локального поглотителя.
На фиг. 4 изображены вид сбоку (слева) и вид спереди оправки для измерения дифференциального затухания локального поглотителя. Оправка представляет собой однородную спиральную замедляющую систему. Металлическая спираль 6 удерживается при помощи нескольких диэлектрических опор 7 в металлическом корпусе 8 оправки. Корпус имеет прорезь, в которую с небольшим трением входит крышка 9, служащая держателем диэлектрического стержня 4 с локальным поглотителем 10, затухание которого требуется измерить. Концы спирали подключены через согласующие переходы к стандартным ВЧ-разъемам 11. Перемещая крышку вдоль спирали, можно регулировать положение локального поглотителя относительно спирали и, следовательно, измерять значения интегральной функции распределения затухания локального поглотителя в зависимости от его перемещения. На один из ВЧ-разъемов оправки подают СВЧ-сигнал от калиброванного генератора, а со второго ВЧ-разъема сигнал поступает на измеритель ослаблений.
На фиг. 5 схематично представлена установка для автоматизированного перемещения диэлектрического стержня вдоль спирали. На основании 12 расположена оправка, кронштейн 13, свободно перемещающийся вдоль основания, и шаговый двигатель продольного смещения 14, механически связанный с кронштейном посредством винтовой передачи. На кронштейне жестко закреплен шаговый двигатель вертикального перемещения 15, который посредством винтовой передачи механически связан с крышкой оправки 9 с закрепленным в ней диэлектрическим стержнем 4. Цикл единичного измерения заключается в последовательной работе шаговых двигателей (ШД). Сначала включением ШД 15 производится поднятие крышки 9 и стержня 4, затем включением ШД 14 производится продольное перемещение кронштейна 13 на нужную величину по продольной координате. Поднятие крышки вместе с диэлектрическим стержнем исключает истирание поглощающего слоя о витки металлической спирали. После чего реверсивным включением ШД 15 происходит опускание крышки и стержня в оправку. Далее регистрируются показания измерителя ослаблений. Далее цикл повторяется до тех пор, пока не будет сделан необходимый объем измерений. Если в исходном положении локальный поглотитель был вне пределов спирали, то измерения проводятся до тех пор, пока локальный поглотитель не окажется полностью между вводом и выводом спирали. Подобным образом были получены функции, представленные на фиг. 2 и фиг. 3. Описанный процесс достаточно просто может быть автоматизирован. Таким образом, представленный способ является реализуемым на современном этапе развития техники.
Источники информации
1. В.П. Дьяконов. Современная техника и приборы для измерения резистивности и снятия ВАХ / Дьяконов В.П. // Компоненты и технологии, 2010, №10, С. 137-144.
2. Ильина Е.М., Поздняков Л.В. Программа расчета поверхностного сопротивления пленочных поглотителей СВЧ-энергии по измеренному сопротивлению // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2004)», 15-16 сент. 2004. Саратов: Изд-во Саратовск. гос. ун-та, 2004. С. 5-12.
3. Р.П. Метафонов, В.А. Судаков. Авторское свидетельство №266077 от 17.03.1970. «Способ изготовления приборов СВЧ».
4. RU 95104948 от 20.07.1996. Поздняков Л.В., Винник В.В., Сухов А.В., Лалетин С.С., Гончаров А.В., Чихичин Ю.Н. Способ отбраковки опорных диэлектрических стержней для высокочастотного пакета прибора СВЧ.