CN104662732A - 用于将高频功率耦合输入到波导管中的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于将HF功率耦合输入到波导管(100，110)中的装置(200)，其包括：推挽输出级(210)，其具有输入端(211，212)和输出端(213，214)；滤波设备(240)，其与推挽输出级的输出端连接；以及感应环(270)，其与滤波设备连接。

Description

用于将高频功率耦合输入到波导管中的装置
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的用于将HF功率耦合输入到波导管中的装置，以及一种按照权利要求9的波导管设备。
背景技术
高频腔体(高频谐振器)例如在粒子加速器中被用于对带电粒子进行加速。为了在这样的HF腔体中激励高频电磁振荡，必须给HF腔体供应HF功率。已知例如借助四极管(Tetrode)或速调管(Klystron)在第一位置产生HF功率，并且经过波导管输送到布置在第二位置的HF腔体。波导管例如可以通过开口或通过感性耦合连接到HF腔体。在此，不同的过渡位置必须相互精确匹配。然而，每个过渡位置具有不可避免的功率损耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种改进的用于将HF功率耦合输入到波导管中的装置。该技术问题通过具有权利要求1的特征的装置来解决。本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种改进的波导管设备。该技术问题通过具有权利要求9的特征的波导管设备来解决。在从属权利要求中给出了优选扩展。
根据本发明的用于将HF功率耦合输入到波导管中的装置包括：推挽输出级，其具有输入端和输出端；滤波设备，其与推挽输出级的输出端连接；以及感应环，其与滤波设备连接。有利地，所述装置将用于产生HF功率的推挽输出级与用于将HF功率耦合输入到波导管中的感应环连接。由此，所述装置允许直接在耦合输入HF功率的位置产生HF功率，由此降低整个设备的复杂度。所述装置优选固有地是模块化的。通过使用多个这样的装置，可以毫无问题地缩放可产生的HF功率。由此也能够有利地实现非常高的HF功率。通过进行并联可实现的可缩放性还有利地伴随可靠性的直接提高。通过在所述装置中集成滤波设备，可以有利地实现所述装置的高效运行。
在所述装置的一种实施方式中，滤波设备包括第一谐波滤波器和第二谐波滤波器。有利地，滤波设备的谐波滤波器可以对于固定频率的不同次谐波具有不同的滤波特性。
在所述装置的一种实施方式中，第一谐波滤波器在固定频率的基波下提供固定的有限阻抗。有利地，滤波设备于是使得将基波无掺杂地耦合输入到波导管中。
在所述装置的一种实施方式中，第一谐波滤波器对于固定频率的三次谐波作用为断路的导线末端。有利地，这使得推挽输出级能够以大的边沿陡度进行快速切换，由此能够有利地使开关损耗最小化。
在所述装置的一种实施方式中，第二谐波滤波器对于固定频率的二次谐波作用为短路的导线末端。有利地，由此实现在切换时在推挽输出级中施加尽可能低的电压并流过尽可能小的电流，由此能够使开关损耗最小化。
在所述装置的一种实施方式中，滤波设备对于固定频率的三次谐波产生至少0.8的反射系数。有利地，于是滤波设备对于固定频率的三次谐波近似作用为断路的导线末端。
在所述装置的一种实施方式中，滤波设备对于固定频率的二次谐波产生小于-0.8的反射系数。有利地，于是滤波设备对于固定频率的二次谐波近似作用为短路的导线末端。
在所述装置的一种实施方式中，该装置包括耦合板。在此，感应环布置在耦合板上。另外，耦合板被设置为布置在波导管的壁的开口中。有利地，感应环于是能够布置在波导管内部，使得能够借助感应环在波导管中激励电磁振荡模式。在此，耦合板有利地允许所述装置与波导管的简单的机械耦合。
根据本发明的波导管设备包括波导管和上述类型的装置。有利地，在该波导管设备中，可以利用所述装置产生HF功率并且将其直接耦合输入到波导管中。由此使波导管设备紧凑地构造并且仅具有低复杂度。
在所述波导管设备的一种实施方式中，其具有两个上述类型的装置。有利地，在该波导管设备中，将借助两个所述装置产生的HF功率相加，由此能够向波导管中耦合输入总计更高的HF功率。通过设置两个用于耦合输入HF功率的装置，也降低了两个用于向波导管设备中耦合输入HF功率的装置同时发生故障的概率。
在所述波导管设备的一种实施方式中，波导管是同轴波导管。有利地，所述装置于是能够布置在同轴波导管的外导体的空隙中。
在所述波导管设备的另一种实施方式中，波导管是空心导体。有利地，于是用于耦合输入HF功率的装置能够布置在空心导体的位置处，以便在空心导体中激励希望的振荡模式。
在所述波导管设备的一种实施方式中，波导管与HF腔体连接。有利地，于是由所述装置产生并耦合输入到波导管中的HF功率能够经过波导管输入到HF腔体中。
附图说明
借助以下结合附图详细解释的对实施例的描述，本发明的以上描述的特性、特征和优点以及实现其的方式将变得更清楚和易于理解。这里分别在示意性图示中示出：
图1示出了具有用于耦合输入HF功率的装置和同轴波导管的波导管设备；
图2示出了具有空心波导管的波导管设备；
图3示出了具有多个用于耦合输入HF功率的装置的波导管设备；
图4示出了具有多个用于耦合输入HF功率的装置的另一种波导管设备；以及
图5示出了具有腔体的波导管设备。
具体实施方式
图1在极其示意性的图示中示出了波导管设备10。该波导管设备10包括同轴波导管100和用于向同轴波导管100中耦合输入HF功率的装置200。所述波导管设备10例如可以用于产生HF功率并且输入到HF腔体中。HF腔体例如又可以用于在粒子加速器中加速带电粒子。
图1仅示出了同轴波导管100的短的纵截面。同轴波导管100具有外导体101，其与内导体102同轴地布置并且同中心地包围内导体。外导体101和内导体102分别由导电材料制成。例如，外导体101和内导体102可以具有铜。外导体优选具有带有圆形横截面的空心柱形形状。内导体102优选具有圆柱形形状。在外导体101与内导体102之间布置绝缘体103。同轴波导管100的外导体101具有开口104。
用于耦合输入HF功率的装置200包括推挽输出级210、滤波设备240和感应环270。所有部件在附图中仅示例性和示意性地示出。推挽输出级210用于产生HF功率。滤波设备240导致阻抗变换。感应环270用于将产生的HF功率耦合输入到同轴波导管100中。
推挽输出级210具有第一输入端211、第二输入端212、第一输出端213、第二输出端214和接地触点215。在第一输入端211处和在第二输入端212处，可以给推挽输出级210输入例如正弦波形的输入信号，其中，在第一输入端211处和在第二输入端212处的极性彼此相反。通过第一输出端213和第二输出端214，推挽输出级210可以输出所产生的HF功率。
在示出的示意性示例中，推挽输出级210具有第一晶体管220和第二晶体管230。但是，推挽输出级210当然还可以包括其它组件。第一晶体管220被构造为n沟道耗尽层场效应晶体管，并且具有源极触点221、漏极触点222和栅极触点223。第二晶体管230同样被构造为n沟道耗尽层场效应晶体管，并且具有源极触点231、漏极触点232和栅极触点233。第一晶体管220的源极触点221和第二晶体管230的源极触点231与接地触点215连接。第一晶体管320的栅极触点223形成推挽输出级210的第一输入端211。第二晶体管230的栅极触点233形成推挽输出级210的第二输入端212。第一晶体管220的漏极触点222形成推挽输出级210的第一输出端213。第二晶体管230的漏极触点232形成推挽输出级210的第二输出端214。
滤波设备240包括第一谐波滤波器250和第二谐波滤波器260。第一谐波滤波器250包括第一部分251和第二部分252。第二谐波滤波器260包括第一部分261和第二部分262。第一谐波滤波器250的第一部分251与推挽输出级210的第一输出端213、接地触点215和感应环270的第一触点271连接。第一谐波滤波器250的第二部分252与推挽输出级210的第二输出端214、接地触点215和感应环270的第二触点272连接。第二谐波滤波器260的第一部分261与推挽输出级210的第一输出端213和接地触点215连接。第二谐波滤波器260的第二部分262与推挽输出级210的第二输出端214和接地触点215连接。
第一谐波滤波器250可以由离散元件或由导线段构成。第一谐波滤波器250导致阻抗变换，从而固定频率的一次谐波或基波看到固定的需要的负载阻抗，而三次谐波看到断路的导线末端或至少近似断路的导线末端。由此对于三次谐波得到接近值1的高的反射系数。反射系数优选位于至少0.8。
由滤波设备240的第一谐波滤波器250导致的阻抗变换造成的结果是，推挽输出级210的晶体管220、230能够以高的边沿陡度在断开状态与闭合状态之间切换。由此有利地使推挽输出级210的晶体管220、230中的开关损耗最小化。
由于滤波设备240的第二谐波滤波器260而向固定频率的二次谐波呈现近似短路的导线末端。这对于二次谐波产生近似于值-1的反射系数。优选对于二次谐波的反射系数小于-0.8。滤波设备240的第二谐波滤波器260由此导致，在推挽输出级210的晶体管220、230处在晶体管220、230的切换时间点期间施加的电压具有尽可能小的绝对值，并且在推挽输出级210的晶体管220、230的切换时间点期间流过尽可能小的电流。由此也有利地使推挽输出级210的晶体管220、230中的开关损耗最小化。
感应环270布置在用于耦合输入HF功率的装置200的耦合板280处。耦合板280布置在同轴波导管100的外导体101的开口104中，使得感应环200布置在同轴波导管100的外导体101内部在绝缘体103的区域中。通过由感应环270产生的交变磁场，可以将由推挽输出级210产生的HF功率耦合输入到同轴波导管100中。同轴波导管100可以沿纵向方向输送该HF功率。
图2在示意性图示中示出了按照第二实施方式的波导管设备20。在该波导管设备20中，代替同轴波导管100设置了空心波导管110。在空心波导管10的壁处布置与前面的描述相对应的用于耦合输入HF功率的装置200。用于耦合输入HF功率的装置200用于产生HF功率并且耦合输入到空心波导管110中。根据所述装置200在空心波导管110的壁处的位置和方向，可以在空心波导管110中激励不同的振荡模式。
图3示出了按照第三实施方式的波导管设备30的示意图。波导管设备30包括同轴波导管100。在圆周方向上，同轴波导管100的外导体101具有多个开口104，在其处分别布置了用于耦合输入HF功率的装置200。这些用于耦合输入HF功率的装置200中的每一个用于产生HF功率和将所产生的HF功率耦合输入到同轴波导管100中。
通过多个装置200的存在，可以总计产生更高的HF功率，并且耦合输入到波导管100中。多个装置200的存在还降低了波导管设备30整体故障的风险。即使在一个或更多个用于耦合输入HF功率的装置200发生故障的情况下，也能够利用其余装置200继续向同轴波导管100中耦合输入HF功率。
图4示出了按照第四实施方式的波导管设备40的示意图。波导管设备40包括同轴波导管100。沿着同轴波导管100的纵向方向，同轴波导管100的外导体101具有多个开口104。在这些开口104中的每一个处分别布置了用于耦合输入HF功率的装置200。每个装置200又用于产生HF功率和将其耦合输入到同轴波导管100中。
与在仅存在一个用于耦合输入HF功率的装置200的情况下相比，多个装置200的线性布置也使得能够向同轴波导管100中耦合输入总计更高的HF功率。此外，多个装置200的存在又降低了波导管设备40整体故障的风险。
图5示出了按照第五实施方式的波导管设备50的透视图。波导管设备50包括同轴波导管100，其与用于向同轴波导管100中耦合输入HF功率的装置200连接。另外，波导管设备50具有HF腔体120。所述腔体120也可以称为空腔谐振器。所述腔体120例如可以是粒子加速器的一部分，并且用于加速带电粒子。波导管设备50的同轴波导管100与腔体120连接，使得通过装置200向同轴波导管100中耦合输入的HF功率经过同轴波导管100被传输到腔体120，并且被输入到腔体120中。
虽然通过优选实施例进一步详细示出和描述了本发明，但是本发明不限于公开的例子。本领域技术人员可以从中推出其它变化，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种用于将HF功率耦合输入到波导管(100，110)中的装置(200)，包括：
推挽输出级(210)，其具有输入端(211，212)和输出端(213，214)；
滤波设备(240)，其与所述推挽输出级(210)的输出端(213，214)连接；以及
感应环(270)，其与所述滤波设备(240)连接。
2.按照权利要求1所述的装置(200)，其中，所述滤波设备(240)包括第一谐波滤波器(250)和第二谐波滤波器(260)。
3.按照权利要求2所述的装置(200)，其中，所述第一谐波滤波器(250)在固定频率的基波下提供固定的有限阻抗。
4.按照权利要求3所述的装置(200)，其中，所述第一谐波滤波器(250)对于固定频率的三次谐波作用为断路的导线末端。
5.按照权利要求3或4所述的装置(200)，其中，所述第二谐波滤波器(260)对于固定频率的二次谐波作用为短路的导线末端。
6.按照权利要求3至5中任一项所述的装置(200)，其中，所述滤波设备(240)对于固定频率的三次谐波产生至少0.8的反射系数。
7.按照权利要求3至6中任一项所述的装置(200)，其中，所述滤波设备(240)对于固定频率的二次谐波产生小于-0.8的反射系数。
8.按照上述权利要求中任一项所述的装置(200)，
其中，所述装置(200)包括耦合板(280)，
其中，所述感应环被布置在所述耦合板(280)上，
其中，所述耦合板(280)被设置为布置在波导管(100，110)的壁(101)的开口(104)中。
9.一种波导管设备(10，20，30，40，50)，其具有波导管(100，110)和按照上述权利要求中任一项所述的装置(200)。
10.按照权利要求9所述的波导管设备(30，40)，其中，所述波导管设备(30，40)具有两个按照权利要求1至8中任一项所述的装置(200)。
11.按照权利要求9或10所述的波导管设备(10，30，40，50)，其中，所述波导管(100)是同轴波导管。
12.按照权利要求9或10所述的波导管设备(20)，其中，所述波导管(110)是空心导体。
13.按照权利要求9至12中任一项所述的波导管设备(50)，其中，所述波导管(100)与HF腔体(120)连接。
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