CN103996895B - 一种高功率输入耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率输入耦合器。本发明高功率输入耦合器的输出端经一含有Choke结构的高频窗体与一同轴线缆连接；其中，所述Choke结构包括内导体Choke结构、外导体Choke结构和同轴平板陶瓷片；内导体Choke结构和外导体Choke结构分别包括位于该同轴平板陶瓷片两侧的上端和下端；内导体Choke结构的上端、下端分别与输出端同轴线缆的内导体密封电连接且通过一同轴金属框与该同轴平板陶瓷片密封连接，外导体Choke结构的上端、下端分别与输出端同轴线缆的外导体密封电连接且通过一同轴金属框与该同轴平板陶瓷片密封连接。本发明可以实现窗体附近的匹配传输，减少反射损耗，同时大大减小窗片焊接的困难。

Description

一种高功率输入耦合器

技术领域

本发明涉及一种高功率输入耦合器，属于微波领域。

背景技术

高功率输入耦合器本质上是一种微波传输元件，它是粒子加速器射频超导系统的关键部件之一，在射频超导系统中位于功率源和超导腔之间，其主要功能是将微波功率馈送到超导腔内(见附图1)，同时还利用陶瓷窗将大气与超高真空环境隔离开来、承担从室温到超导低温的低漏热过渡连接作用等多重功能。

根据运行经验，高功率输入耦合器是射频超导系统中极为脆弱的关键部件之一，一旦损坏，将导致整个加速器无法运行，需花费很大的财力和较长的时间去修复它，成本较高、损失较大，因此它一直是加速器射频超导领域的热点和难点。

目前国际上同类型的超导腔功率输入耦合器通常采用同轴型和波导型结构。但是无论哪种结构类型的功率输入耦合器，都需要将功率源与耦合器主传输线进行连接，该连接件的结构设计，或采用门钮转换结构[文献1，Mircea Stirbet，Fundamental Power Couplers for the SNSProject，review of the SPL RF coupler CERN 16-17March 2010]，或采用直连结构[文献2，Q.S.Shu，J.Susta，G.F.Chen et all.“INNOVATIVE MODULAR，MULTIPLE POWER LEVELS，325MHz SPOKES CAVITIES POWER COUPLERS”，Proceedings of PAC07，New Mexico，USA]，对于耦合器中窗片的结构，国际上常用圆柱形窗[文献3，V.Veshcherevich，I.Bazarov et all.“AHigh Power CW Input Coupler for Cornell ERL Injector Cavities”，Cornell University，Tthaca，NewYork]和同轴平板形窗[文献1]来隔离真空，这给窗体本身的加工制造及阻抗匹配增大了难度。

为了实现功率源与同轴线的顺利过渡，兼顾为耦合器内导体提供水冷管道，法国CEA研究机构为其中子源加速器IFMIF-EVEDA项目研制了RFQ腔功率输入耦合器，并利用一个同轴平板型窗体隔离真空[文献4，S.Maebara，Tokai-JAEA，et all.“DESIGN OF AN INPUTCOUPLER FOR THE IFMIF/EVEDARFQ LINAC”，Proceedings of IPAC’10，Kyoto，Japan]，与本发明的专利内容完全不同。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高功率输入耦合器的结构设计，该耦合器利用一种新型的含Choke结构的同轴平板型窗体来隔离真空，并且进一步克服了传统耦合器不可在线调节传输的缺点，实现驻波比在线可调及匹配传输。

本发明的技术方案为：

一种高功率输入耦合器，其特征在于高功率输入耦合器的输出端经一含有Choke结构的高频窗体与一同轴线缆连接；其中，所述Choke结构包括内导体Choke结构、外导体Choke结构和同轴平板陶瓷片；内导体Choke结构和外导体Choke结构分别包括位于该同轴平板陶瓷片两侧的上端和下端；内导体Choke结构的上端、下端分别与输出端同轴线缆的内导体密封电连接且通过一同轴金属框与该同轴平板陶瓷片密封连接，外导体Choke结构的上端、下端分别与输出端同轴线缆的外导体密封电连接且通过一同轴金属框与该同轴平板陶瓷片密封连接。

进一步的，包括一调谐装置，其包括输入端、短路端和所述输出端；所述调谐装置为一双导体结构，包括彼此绝缘的内层导体盒和外层导体盒，该内层导体盒的输入端口与输入端同轴线缆的内导体密封电连接、该内层导体盒的短路端口与短路端同轴线缆的内导体密封电连接、该内层导体盒的输出端口与输出端同轴线缆的内导体密封电连接；该外层导体盒的输入端口与输入端同轴线缆的外导体密封电连接、该外层导体盒的短路端口与短路端同轴线缆的外导体密封电连接、该外层导体盒的输出端口与输出端同轴线缆的外导体密封电连接。

进一步的，所述短路端同轴线缆的内外导体之间设有一短路活塞。

进一步的，所述短路活塞通过螺纹结构在所述短路端同轴线缆的内、外导体之间前后可调。

进一步的，连接所述外导体Choke结构的上端、下端的同轴金属框外侧设有一第二同轴圆柱筒，其与所述外导体Choke结构的上端、下端密封连接且设有冷却水进水口和出水口。

进一步的，所述调谐装置为T型调谐装置，其输入端与短路端位于同一轴线上，输出端的轴线与输入端的轴线垂直。

进一步的，所述内导体Choke结构、外导体Choke结构分别为与输出端的轴线同轴的圆柱形结构。

进一步的，所述短路端的同轴线缆的内导体内通有两根水冷管道为输出端内导体提供冷却水回路。

进一步的，所述同轴平板陶瓷片为氧化铝陶瓷片，其真空面镀TiN膜，膜厚为5-10nm；输出端的同轴线缆特性阻抗为50欧姆。

进一步的，所述高频窗体附近设定区域内分别设置真空监控端口、ARC打火监控端口和电子流监控端口。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明的耦合器结构类型为同轴型结构，因此T型结构采用双导体型，从而保证TEM波型的传输。窗体采用了Choke(扼流)型结构设计，该Choke结构与窗体的内、外窗框进行焊接，通过对内导体上、下Choke及外导体上、下Choke几何参数的优化，可以实现窗体附近的匹配传输，减少反射损耗，同时Choke型结构可以大大减小窗片焊接的困难。而且入射功率经过T型转换装置后，在短路端被短路活塞全反射回来，转向侧方(90度方向)从输出端输出；其中短路端包含一个短路活塞，通过活塞的往复移动，可以实现功率传输的在线可调，另一方面，短路端为引入水冷管道提供了便利；可见T型转换装置将输入端、输出端和短路端同时整合到一起，且具有在线可调与便于冷却的功能。

附图说明

图1是高功率输入耦合器在射频超导系统中的位置和作用；

图2是耦合器的高频电磁结构(空气效果图)；

图3是耦合器的高频电磁结构；

图4是T型调谐装置的几何结构(空气效果图)；

图5是含Choke结构的高频窗体结构图；

图6是耦合器的高频电场分布图；

图7是耦合器的高频磁场分布图；

图8是功率传输S参数图；

图9是耦合器的机械结构图；

图10是T型盒外层机械结构图；

图11是T型盒内层机械结构图；

图12是短路调谐活塞结构图。

图面说明：

1、T型调谐装置；2、含Choke结构的高频窗体；3、50Ω同轴传输线；11、端口；12、端口；6为短路端；

A1、T型调谐装置外层的长度；A2、T型调谐装置外层的宽度；A3、T型调谐装置外层的高度；

B1、T型调谐装置内层的长度；B2、T型调谐装置内层的宽度；B3、T型调谐装置内层的高度；

D、T型调谐装置外层与内层的间距；T型调谐装置短路面端的内径；T型调谐装置短路面端的外径；L、T型调谐装置短路面端的长度；

g、含Choke结构的窗体内导体；h、含Choke结构的窗体外导体；

k、同轴平板型陶瓷片；dc、Choke尖端至陶瓷片表面的距离。

具体实施方式

1、采用高频电磁场仿真计算程序，完成如附图2、3所示的耦合器高频结构的尺寸设计和优化，确保耦合器在工作频率下实现微波功率的匹配传输。

本发明的高频电磁模型如图2和3所示，主要包括三个组成部分，一个T型调谐装置1、一套含有Choke结构的高频窗体2以及一段50欧姆同轴传输线3。T型调谐装置包括输入端、短路端和输出端；其中，输入端与短路端位于同一轴线上，输出端轴线与输入端轴线垂直，从而使输出端功率传输方向与输入端功率传输方向垂直。微波功率从输入端口11(见图2)输入，经T型调谐装置1后，转换功率传输方向，通过含Choke结构的同轴平板型窗体2，然后从端口12输出给超导腔及粒子束流负载。T型调谐装置1起到了三个主要作用：1)变换功率传输方向，T型调谐装置的输入端、短路端与输出端同时将相应方向的三段同轴线巧妙的联系起来；2)调节T型调谐装置短路端的短路活塞位置(短路活塞设置于短路端同轴线内外导体之间的环形空间)，可以改变耦合器的电压驻波比，使传输功率实现在线可调；3)T型调谐装置结构为耦合器内导体水冷提供了便利，在T型调谐装置短路面一侧，通有两支水冷管道，以减小内导体温度上升。此外，T型调谐装置结构在耦合器高频结构优化时，对中心频率和S参数都比较敏感，通过调节T型调谐装置结构的几何尺寸(见图4)及短路面位置，能较为快速的优化耦合器的高频结构；比如T型调谐装置的几何结构尺寸如长宽高、圆角，以及内、外T型盒的偏心距都可以在仿真优化阶段进行变动，以达到优化传输的目的，并最终确定T型调谐装置的结构尺寸。

微波功率经过T型调谐装置结构后，转换90°方向，变为与原来的传输方向相垂直，继续传输到一个含Choke结构的高频窗体2。窗体是耦合器结构中极为脆弱的关键部件，这里使用了一个高纯度同轴平板型氧化铝陶瓷片来隔离大气与真空，但是陶瓷片的引入将导致传输线阻抗不匹配，为此，该结构采用了含Choke结构的陶瓷窗体，其主体包括内导体Choke结构、外导体Choke结构及同轴平板陶瓷片，陶瓷片的大气侧与真空侧均由内导体Choke、外导体Choke组成，且内导体Choke、外导体Choke结构分别通过两个圆柱形薄壁金属框与陶瓷片焊接，这里的Choke结构可以理解为普通圆柱筒在一端切除部分实体后形成的扼流结构，该扼流结构结构尖端到陶瓷片的距离为dc，通过优化扼流结构的内、外直径及距离dc等参数，可以优化窗片附近的传输，减小反射损耗，这是由于扼流结构本身引入的反射与陶瓷片引入的反射相叠加而抵消。本发明的陶瓷片与Choke结构及窗体其他部分的详细连接方式如图5所示。相比普通的窗体结构，采用上述Choke结构，不但可以减小窗片焊接的困难，而且内、外导体的Choke结构能够很好的实现了窗体附近的阻抗匹配，同时又大大降低了窗片焊接处的电磁场强度。我们利用3D电磁场数值计算程序对高频窗体进行了仿真优化，得到的结论是，Choke结构尖端处电场最强，随着Choke尖端到陶瓷表面的间隙距离dc的减小(见图5)，陶瓷表面靠近Choke尖端处的电场突然增大，但另一方面dc过大，则匹配变差。经过反复计算，最后选定优化的dc为4mm。需要指出的是，不同工作频率、不同陶瓷片大小的情况下，窗体Choke结构可以有外形尺寸上的放大或缩小，优化的dc尺寸也不完全相同。经过优化的耦合器，其高频电场和高频磁场分布图分别如图6、图7所示，图中深色为电场、磁场波腹点位置。图8给出了该结构的耦合器在工作频率点的功率传输曲线，反射系数S11在中心频率处为-49dB，S21在中心频率处为0.9999，很好的实现了匹配传输，带宽达到30MHz，超出了设计指标要求。

该耦合器的机械结构如图9所示。T型调谐装置由内、外两层导体盒组成，内层为内导体，外层为外导体，两层之间为空气，内层导体盒盒盖与盒体用螺母紧固，两层导体盒分别由盒体及1-2个端盖组成(见图10、图11)；内层导体盒具有三个端口，分别通过螺纹和法兰与输入端内导体、输出端内导体、短路端内导体匹配连接；外层导体盒具有三个端口，分别通过螺纹和法兰与输入端外导体、输出端外导体、短路端外导体匹配连接。短路活塞(见图12)的水平移动可以调节短路面的长度从而使传输在线可调；短路面一端通过短路端内导体通有两根水冷管道为输出端内导体提供冷却水回路(见图9)。T型调谐装置输出端与含Choke结构的窗体使用法兰连接，整个窗体结构(图5)除陶瓷窗片外，全部使用了高电导率无氧铜材料，通过氢炉钎焊、真空炉钎焊等焊接工艺成型。此外，为了减小二次电子倍增效应，在窗片真空面镀TiN膜，膜厚控制在5-10nm。窗体附近设置了3个监测端口，分别用来监测真空、ARC打火和电子流以给出连锁保护信号。

2、采用ANSYS程序，对耦合器及其窗体部件分别进行热、热应力仿真分析，使耦合器在测试的功率水平下温升和形变满足使用要求。

Claims (10)

1.一种高功率输入耦合器，其特征在于高功率输入耦合器的输出端经一含有Choke结构的高频窗体与一同轴线缆连接；其中，所述Choke结构包括内导体Choke结构、外导体Choke结构和同轴平板陶瓷片；内导体Choke结构和外导体Choke结构分别包括位于该同轴平板陶瓷片两侧的上端和下端；内导体Choke结构的上端、下端分别与输出端同轴线缆的内导体密封电连接且通过一同轴金属框与该同轴平板陶瓷片密封连接，外导体Choke结构的上端、下端分别与输出端同轴线缆的外导体密封电连接且通过一同轴金属框与该同轴平板陶瓷片密封连接。

2.如权利要求1所述的高功率输入耦合器，其特征在于包括一调谐装置，其包括输入端、短路端和所述输出端；所述调谐装置为一双导体结构，包括彼此绝缘的内层导体盒和外层导体盒，该内层导体盒的输入端口与输入端同轴线缆的内导体密封电连接、该内层导体盒的短路端口与短路端同轴线缆的内导体密封电连接、该内层导体盒的输出端口与输出端同轴线缆的内导体密封电连接；该外层导体盒的输入端口与输入端同轴线缆的外导体密封电连接、该外层导体盒的短路端口与短路端同轴线缆的外导体密封电连接、该外层导体盒的输出端口与输出端同轴线缆的外导体密封电连接。

3.如权利要求2所述的高功率输入耦合器，其特征在于所述短路端同轴线缆的内外导体之间设有一短路活塞。

4.如权利要求3所述的高功率输入耦合器，其特征在于所述短路活塞通过螺纹结构在所述短路端同轴线缆的内、外导体之间前后可调。

5.如权利要求1所述的高功率输入耦合器，其特征在于连接所述外导体Choke结构的上端、下端的同轴金属框外侧设有一第二同轴圆柱筒，其与所述外导体Choke结构的上端、下端密封连接且设有冷却水进水口和出水口。

6.如权利要求1～5任一所述的高功率输入耦合器，其特征在于所述调谐装置为T型调谐装置，其输入端与短路端位于同一轴线上，输出端的轴线与输入端的轴线垂直。

7.如权利要求1～5任一所述的高功率输入耦合器，其特征在于所述内导体Choke结构、外导体Choke结构分别为与输出端的轴线同轴的圆柱形结构。

8.如权利要求2或3所述的高功率输入耦合器，其特征在于所述短路端的同轴线缆的内导体内通有两根水冷管道为输出端内导体提供冷却水回路。

9.如权利要求1～5任一所述的高功率输入耦合器，其特征在于所述输出端的同轴线缆特性阻抗为50欧姆；所述同轴平板陶瓷片为氧化铝陶瓷片，其真空面镀TiN膜，膜厚为5-10nm。

10.如权利要求1～5任一所述的高功率输入耦合器，其特征在于所述高频窗体附近设定区域内分别设置真空监控端口、ARC打火监控端口和电子流监控端口。