CN108987876A - 一种输入谐振腔 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种输入谐振腔，包括：阴极接地筒、阴极筒、栅极筒、隔直电容、输入电容、输入电容调节装置和耦合装置；阴极接地筒、阴极筒和栅极筒同轴；通过阴极接地筒和阴极筒形成的谐振内腔，与阴极筒和栅极筒形成的谐振外腔，形成折叠腔；在谐振内腔一端内侧形成短路面，另一端通过阴极筒与谐振外腔连通；在折叠腔内侧安装输入电容，通过安装于谐振外腔外的输入电容调节装置调节其在折叠腔的位置；通过耦合装置与阴极筒连接，安装于远离短路面的一侧并向折叠腔外侧延伸用于为输入谐振腔馈入射频信号。采用上述技术方案实现了谐振频率的调谐，同时减小了输入谐振腔的腔体长度、腔体体积和工艺难度，使输入谐振腔更加紧凑。
Description
技术领域
本发明实施例涉及高能物理领域，尤其涉及一种输入谐振腔。
背景技术
在工业生产或科研过程中所应用的大型物理设备，通常需要电子管发射机提供设定频段和设定功率的射频电压。为了实现电子管的前级输出和电子管输入之间的频率调谐和阻抗匹配，通常会设计一输入谐振腔与电子管组成谐振系统。
现有技术中，输入谐振腔通过设置的可调节的短路面，通过调节短路面位于输入谐振腔中的位置，来调节输入谐振腔中实际发生谐振的腔体长度，进而实现谐振频率的调节。因此，输入谐振腔的工作频段范围越大，输入谐振腔的腔体也会越长，将会增大腔体体积以及增加腔体的工艺难度。
发明内容
本发明提供一种输入谐振腔，以减小输入谐振腔的腔体长度和腔体体积，使输入谐振腔更加紧凑，同时减小输入谐振腔的工艺难度。
本发明实施例提供了一种输入谐振腔，包括：
阴极接地筒、阴极筒、栅极筒、隔直电容、输入电容、输入电容调节装置和耦合装置；其中，所述阴极接地筒、所述阴极筒和所述栅极筒为同轴结构；
所述阴极接地筒接地，所述阴极筒与电子管阴极相连，所述栅极筒通过所述隔直电容与所述电子管栅极相连；
所述阴极接地筒与所述阴极筒形成谐振内腔，所述阴极筒与所述栅极筒形成谐振外腔；所述谐振外腔和所述谐振内腔形成折叠腔；
所述谐振内腔一端的内侧形成短路面，所述谐振内腔的另一端通过所述阴极筒与所述谐振外腔连通；
所述输入电容安装于所述折叠腔内侧，所述输入电容调节装置与所述输入电容连接，并安装于所述谐振外腔外，用于调节所述输入电容在所述折叠腔中的位置；
所述耦合装置安装于远离所述短路面的一侧，与所述阴极筒连接，并向所述折叠腔外侧延伸，用于为所述输入谐振腔馈入射频信号。
本发明实施例通过阴极接地筒和阴极筒形成的谐振内腔，以及阴极筒和栅极筒形成的谐振外腔，形成折叠腔；在谐振内腔一端的内侧形成短路面，在谐振外腔的另一端通过阴极筒与谐振外腔连通；在折叠腔内侧安装输入电容，并通过安装于谐振外腔外侧的输入电容调节装置调节输入电容在折叠腔中的位置；通过与阴极筒连接并安装于远离短路面的一侧，并向折叠腔外侧延伸用于为输入谐振腔馈入射频信号。上述技术方案通过在折叠腔中安装输入电容，并通过输入电容调节装置调节输入电容在折叠腔中的位置，实现谐振频率的调谐，同时减小了输入谐振腔的腔体长度和腔体体积，使输入谐振腔更加紧凑，同时减小输入谐振腔的工艺难度。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种输入谐振腔的硬件结构图；
图2是本发明实施例四提供的一种输入谐振腔的等效电路示意图；
图3A是本发明实施例四提供的匹配电路原理图窗口界面的示意图；
图3B是本发明实施例四提供的阻抗匹配设计的史密斯圆图示意图；
图3C是本发明实施例四提供的数据窗口界面的示意图；
图4是本发明实施例四提供的输入谐振腔的仿真图；
图5是本发明实施例四提供的输入谐振腔的回波损耗仿真结果图；
图6是本发明实施例四提供的输入谐振腔的三维结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种输入谐振腔的硬件结构图，该输入谐振腔与为大型物理设备提供射频电压时所采用的电子管组成谐振系统，以实现电子管前级输出与电子管输入之间的频率调谐，使得在指定的频段内，把电子管实际的输入阻抗匹配至前级放大器的输出阻抗。
如图1所示的输入谐振腔100包括阴极接地筒101、阴极筒102、栅极筒103、隔直电容104、输入电容105、输入电容调节装置106和耦合装置107；其中，所述阴极接地筒101、所述阴极筒102和所述栅极筒103为同轴结构；
所述阴极接地筒101接地，所述阴极筒102与电子管109阴极相连，所述栅极筒103通过所述隔直电容104与所述电子管109栅极相连；
所述阴极接地筒101与所述阴极筒102形成谐振内腔110，所述阴极筒102与所述栅极筒103形成谐振外腔120；所述谐振外腔120和所述谐振内腔110形成折叠腔130；
所述谐振内腔102一端的内侧形成短路面108，所述谐振内腔110的另一端通过所述阴极筒102与所述谐振外腔120连通；
所述输入电容105安装于所述折叠腔130内侧，所述输入电容调节装置106与所述输入电容105连接，并安装于所述谐振外腔120外，用于调节所述输入电容105在所述折叠腔130中的位置；
所述耦合装置107安装于远离所述短路面108的一侧，与所述阴极筒102连接，并向所述折叠腔130外侧延伸，用于为所述输入谐振腔100馈入射频信号。
具体的，阴极接地筒101接地，阴极筒102与电子管109的阴极相连。栅极筒103通过隔直电容104与电子管109的栅极引线连接。其中，隔直电容104可以为薄膜电容，用于高频传输。
示例性地，阴极接地筒101可以是多边形围成的等效圆形或方形的框架结构。其中，阴极接地筒101中容纳有为电子管的灯丝提供工作电压的灯丝引线杆111，其中，灯丝引线杆111通过灯丝组件与电子管109的灯丝相连。
示例性地，阴极筒102可以是多边形围成的等效圆形或方形的框架结构；栅极筒103可以是多边形围成的等效圆形或方形的框架结构。
优选地，阴极接地筒101、阴极筒102以及栅极筒103均设置为由多边形围成的等效圆形的框架结构。
具体的，阴极接地筒101与阴极筒102所形成的谐振内腔110的一端的内侧形成有不可调节的短路面108，构成输入谐振腔100的短路端。图1所示的输入谐振腔100与其安装方向相对应时，短路面108位于谐振内腔110的上端。
输入电容105安装于谐振内腔110或者谐振外腔120的内侧，图1示例性给出了输入电容105安装于谐振外腔120的情况。
输入电容调节装置106与输入电容105连接，并安装于谐振外腔120以外，便于工作人员从外侧直接调节输入电容105在谐振内腔110或者谐振外腔120中的位置。
因为谐振内腔110和谐振外腔120之间的射频电压沿着这地的腔130的轴线变化，因此当输入电容105在折叠腔130中的位置发生改变时，相应的通过输入电容105的电流也会发生变化，并且通过输入电容105的电流的变化对应改变输入谐振腔100的谐振频率。
示例性地，输入电容调节装置106可以是调节环或调节杆。
耦合装置107安装于远离短路面108的一侧，并与阴极筒102连接。耦合装置107向折叠腔130外侧延伸，与前级放大器连接，用于作为激励输入，将前级放大器的输出功率耦合至输入谐振腔100。
示例性的，当输入电容105安装于谐振外腔120的内侧时，耦合装置107安装于输入电容105远离短路面108的一侧，也即图1所示安装方向的谐振外腔102的底端。
示例性地，当输入电容105安装于谐振内腔110的内侧时，耦合装置107安装于短路面108和输入电容105之间。
本发明实施例通过阴极接地筒和阴极筒形成的谐振内腔，以及阴极筒和栅极筒形成的谐振外腔，形成折叠腔；在谐振内腔一端的内侧形成短路面，在谐振外腔的另一端通过阴极筒与谐振外腔连通；在折叠腔内侧安装输入电容，并通过安装于谐振外腔外侧的输入电容调节装置调节输入电容在折叠腔中的位置；通过与阴极筒连接并安装于远离短路面的一侧，并向折叠腔外侧延伸用于为输入谐振腔馈入射频信号。上述技术方案通过在折叠腔中安装输入电容，并通过输入电容调节装置调节输入电容在折叠腔中的位置，实现谐振频率的调谐，同时减小了输入谐振腔的腔体长度和腔体体积，使输入谐振腔更加紧凑，同时减小输入谐振腔的工艺难度。
实施例二
在上述各实施例的技术方案的基础上，进一步地，输入电容105设置为筒状电容。其中，输入电容105包括输入电容内筒105A和输入电容外筒105B。
相应地，输入电容调节装置106包括内筒调节组件106A和外筒调节组件106B；其中，内筒调节组件106A用于调节输入电容内筒105A在折叠腔130中的位置；外筒调节组件106B用于调节输入电容外筒105B在折叠腔130中的位置。
具体的，当通过内筒调节组件106A和外筒调节组件106B对应调节输入电容内筒105A和输入电容外筒105B在折叠腔130中的位置时，可以改变输入电容105的容值，相应的沿着折叠腔130的轴线测量可以得到射频电压变化的曲线，包括在最大电压腔体底部半个波长位置出现的电压峰值。前级放大器的射频输入功率通过耦合装置107连接到输入谐振腔100的位置接近于半波长的最大电压值的位置，在这个位置沿着折叠腔130的测量的电压和经过最大电压腔体底部的电压比等于输入阻抗和电子管阻抗的比值。设定输入电容105控制末级放大器的输入阻抗，通过改变输入电容内筒105A和输入电容外筒105B的相对位置，可以实现阻抗匹配。
示例性地，当输入电容105安装于谐振内腔110的外侧时，输入电容内筒105A与阴极接地筒101连接，输入电容外筒105B与阴极筒102连接。相应地，内筒调节组件106A与输入电容内筒105A连接，用于沿着阴极接地筒101调节输入电容内筒105A在谐振内腔110中的位置；外筒调节组件106B与输入电容外筒105B连接，用于沿着阴极筒102调节输入电容外筒105B在谐振内腔110中的位置。
示例性地，当输入电容105安装于谐振外腔120的内侧时，参见图1，输入电容内筒105A与阴极筒102连接，输入电容外筒105B与栅极筒103连接。相应地，内筒调节组件106A与输入电容内筒105A连接，用于沿着阴极筒102调节输入电容内筒105A在谐振外腔120中的位置；外筒调节组件106B与输入电容外筒105B连接，用于沿着栅极筒103调节输入电容外筒105B在谐振外腔120中的位置。
本发明实施例通过将输入电容设置为筒状电容，并相应通过内筒调节装置和外筒调节装置对应调节输入电容的内外筒之间的距离调节输入电容的大小，进而实现输入谐振腔与前级放大器和末级放大器之间的阻抗匹配。避免了现有技术需要设置耦合电容组件实现阻抗调配，减少了输入谐振腔的工艺难度以及输入谐振腔所需配置的硬件数量。
实施例三
在上述各实施例的技术方案的基础上，进一步地，输入谐振腔100，还包括：
帘栅筒112，与所述阴极接地筒101为同轴结构，所述帘栅筒112一端与所述电子管109的帘栅极相连，另一端通过环状结构113与所述栅极筒103相连；所述帘栅筒112、所述环状结构113和所述栅极筒103形成中和腔140；
短路调谐组件114，安装于所述中和腔140内，所述短路调谐组件114的内侧壁与所述栅极筒103相连，外侧壁与所述帘栅筒112相连；
中和腔调节装置115，与所述短路调谐组件114相连，并安装于所述中和腔140外侧，用于调节所述短路调谐组件114在所述中和腔140中的位置。
具体的，由于电子管109的栅极与帘栅极之间极间电容以及电极引极自感的存在，导致输入谐振腔100中容易发生自激振荡或者寄生振荡，将会严重影响电子管109的正常运行，因此在电子管109的栅极和帘栅极之间设计一同轴腔，也即中和腔140。通过中和腔调节装置115调节短路调谐组件114在中和腔140中的位置，可以改变中和腔140的长度，进而改变中和腔140的谐振频率，使得中和腔140的谐振频率能够远离基波及其高次谐波。其中，中和腔调节装置115可以是调节环。
本发明实施例的技术方案通过引入中和腔的设计，能够有效避免由于寄件电容及引线电感而引起的不必要的振荡，延长了电子管和输入谐振腔的使用寿命。
进一步地，输入谐振腔100还包括风机入口装置116，与所述阴极接地筒101连通，并向所述折叠腔130外侧延伸，用于输入冷风以冷却电子管灯丝和所述输入谐振腔100。
实施例四
在上述各实施例的技术方案的基础上，本发明实施例提供了一优选方案。本发明实施例具体应用于与电子管连接的输入谐振腔，实现电子管前级输出与电子管输入之间的频率调谐和阻抗匹配的情况。
其中，电子管结合与之相连的输入谐振腔和输出谐振腔形成的腔体放大器，用于为加速器提供射频电压。电子管的工作频率范围为70MHz-110MHz，输出功率最大为100kW-250kW，工作状态为连续波及脉冲双模式，电子管的前级输入功率不超过10kW。
参见图1所示的输入谐振腔100，阴极接地筒101、阴极筒102和栅极筒103为同轴结构。其中，阴极接地筒101接地，阴极筒102连接在阴极管座上以实现与电子管109的阴极的等效连接，栅极筒103通过隔直电容104与电子管109的栅极引线连接。
其中，阴极接地筒101和阴极筒102形成谐振内腔110，阴极筒103与栅极筒103形成谐振外腔120。其中，阴极接地筒101、阴极筒102以及栅极筒103均为多边形围成的等效圆形的框架结构。其中，阴极接地筒101中容纳为电子管的灯丝提供工作电压的灯丝引线杆111，其中，灯丝引线杆111通过灯丝组件与电子管109的灯丝相连。
其中，谐振内腔110的一端形成有不可调节的短路面108，用于使谐振腔100发生谐振。其中，谐振外腔120内侧安装有输入电容105，谐振外腔120外侧安装有与输入电容105连接的输入电容调节装置106。其中，输入电容调节装置106用于调节输入电容105在谐振外腔120中的位置，以调节输入谐振腔100的谐振频率。
具体的，输入电容105包括输入电容上筒105A和输入电容下筒105B。相应的，输入电容调节装置106包括上筒调节组件106A和下筒调节组件106B。其中，输入电容上筒105A连接在阴极筒102上，并可以沿着阴极筒102的筒壁上下滑动；输入电容下筒105B连接在栅极筒103上，并可以沿着栅极筒103的筒壁上下滑动。其中，上筒调节组件106A与输入电容上筒105A连接，用于调节输入电容上筒105A在阴极筒102中的位置；下筒调节组件106B与输入电容下筒105B连接，用于调节输入电容下筒105B在栅极筒103中的位置。通过调节输入电容上筒105A和输入电容下筒105B的相对位置，改变输入电容105的容值，进而实现电子管前级输出与电子管输入之间的阻抗匹配。
图2是本发明实施例四提供的一种输入谐振腔的等效电路示意图。其中，电感L101为栅阴输入短路腔的等效电感，对应图1中的谐振内腔110；电感L102为栅阴调谐前腔的等效电感，对应图1中的谐振外腔120中耦合装置107和输入电容105之间的腔体；电感L103为栅阴调谐后腔的等效电感，对应图1中的谐振外腔120中输入电容105远离耦合装置107一侧的腔体；电容C101为可调输入电容，对应图1中的输入电容105；电容Cin是电子管T的栅极G与阴极K之间的电容，图1中未示出；电容C102对应图1中的隔直电容104；电阻Rin是电子管的输入电阻，与电子管的栅极G相连，大小与电子管T设定的工作状态相关，通常为10Ω-20Ω；信号Sin为输入信号，对应图1中的耦合装置107。其中，输入谐振腔的等效输入阻抗通常设置为50Ω。
以谐振频率为107MHz为例，用户在图3A所示的匹配电路原理图窗口Schematic界面中输入输入谐振腔的等效电路图以及各等效元器件的设计参数，形成如图3B所示的史密斯(Smith)圆图，并通过Smith圆图计算各交点的阻抗值。其中，Smith圆图中交点1-6与图2中的Rin、Cin、L103、C101、L102以及L101的阻抗值依次对应。同时，可将各Smith圆图中的交点1-6所对应的等效元器件的阻抗值、品质因数和工作频率在图3C所示的数据窗口DataPoints界面中按照“DP-Nr.”编号依次逐条显示。其中，图3A中Schematic界面的“electric”和“mech”是指设置的同轴线长度；工具箱窗口Toolbox界面中的“SERIES”为串联连接时添加等效元器件的按钮区域；“SHUNT”为并联连接时添加等效元器件的按钮区域；“TRANSF”为变压器设计按钮区域；“DATAPOINT”为数据点设计按钮区域。
图4示出了按照计算的设计参数所设计的输入谐振腔的仿真图，图5为相应的回波损耗S11仿真结果图，图6为相应的输入谐振腔的三维结构示意图。其中，图5所述的回波损耗S11仿真结果图的横坐标为频率，单位为“MHz”；纵坐标回波损耗，单位为“dB”。其中，图6中的电子管管座202用于安装电子管201；栅阴调谐腔203，对应图1中的谐振外腔120以及图2中的电感L102和电感L103；激励输入端204，对应图1中的耦合装置107；阴极腔调节装置204，对应图1中的输入电容调节装置106；其中，第一调节环205A，对应上筒调节组件106A；第二调节环205B，对应下筒调节组件106B；电子管灯丝馈电端206，对应图1中灯丝引线杆111远离电子管109的一端的馈电口；帘栅栅极中和腔207对应图1中的中和腔140；中和腔调节环208对应图1中的中和腔调节装置115；阴极冷却风机端209，对应图1中的风机入口装置116。
本发明实施例通过阴极接地筒和阴极筒形成的谐振内腔，以及阴极筒和栅极筒形成的谐振外腔，形成折叠腔；在谐振内腔一端的内侧形成短路面，在谐振外腔的另一端通过阴极筒与谐振外腔连通；在折叠腔内侧安装输入电容，并通过安装于谐振外腔外侧的输入电容调节装置调节输入电容在折叠腔中的位置；通过与阴极筒连接并安装于远离短路面的一侧，并向折叠腔外侧延伸用于为输入谐振腔馈入射频信号。上述技术方案通过在折叠腔中安装输入电容，并通过输入电容调节装置调节输入电容在折叠腔中的位置及电容大小，实现频率调谐及阻抗匹配，同时减小了输入谐振腔的腔体长度和腔体体积，使输入谐振腔更加紧凑，同时减小输入谐振腔的工艺难度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种输入谐振腔，其特征在于，包括：阴极接地筒、阴极筒、栅极筒、隔直电容、输入电容、输入电容调节装置和耦合装置；其中，所述阴极接地筒、所述阴极筒和所述栅极筒为同轴结构；
所述阴极接地筒接地，所述阴极筒与电子管阴极相连，所述栅极筒通过所述隔直电容与所述电子管栅极相连；
所述阴极接地筒与所述阴极筒形成谐振内腔，所述阴极筒与所述栅极筒形成谐振外腔；所述谐振外腔和所述谐振内腔形成折叠腔；
所述谐振内腔一端的内侧形成短路面，所述谐振内腔的另一端通过所述阴极筒与所述谐振外腔连通；
所述输入电容安装于所述折叠腔内侧，所述输入电容调节装置与所述输入电容连接，并安装于所述谐振外腔外，用于调节所述输入电容在所述折叠腔中的位置；
所述耦合装置安装于远离所述短路面的一侧，与所述阴极筒连接，并向所述折叠腔外侧延伸，用于为所述输入谐振腔馈入射频信号。
2.根据权利要求1所述的输入谐振腔，其特征在于，所述输入电容安装于所述谐振外腔内侧；
相应的，所述耦合装置安装于所述输入电容远离所述短路面的一侧。
3.根据权利要求1所述的输入谐振腔，其特征在于，所述输入电容安装于所述谐振内腔内侧；
相应的，所述耦合装置安装于所述短路面和所述输入电容之间。
4.根据权利要求2所述的输入谐振腔，其特征在于，所述输入电容为筒状电容，所述输入电容的内筒与所述阴极筒连接，所述输入电容的外筒与所述栅极筒连接。
5.根据权利要求3所述的输入谐振腔，其特征在于，所述输入电容为筒状电容，所述输入电容的内筒与所述阴极接地筒连接，所述输入电容的外筒与阴极筒连接。
6.根据权利要求4或5所述的输入谐振腔，其特征在于，所述输入电容调节装置，包括内筒调节组件和外筒调节组件；
所述内筒调节组件与所述输入电容的内筒连接，用于调节输入电容的内筒在所述折叠腔中的位置；
所述外筒调节组件与所述输入电容的外筒连接，用于调节输入电容的外筒在所述折叠腔中的位置。
7.根据权利要求1-5任一项所述的输入谐振腔，其特征在于，还包括：
帘栅筒，与所述阴极接地筒为同轴结构，所述帘栅筒一端与所述电子管的帘栅极相连，另一端通过环状结构与所述栅极筒相连；所述帘栅筒、所述环状结构和所述栅极筒形成中和腔；
短路调谐组件，安装于所述中和腔内，所述短路调谐组件的内侧壁与所述栅极筒相连，外侧壁与所述帘栅筒相连；
中和腔调节装置，与所述短路调谐组件相连，并安装于所述中和腔外侧，用于调节所述短路调谐组件在所述中和腔中的位置。
8.根据权利要求1-5任一项所述的输入谐振腔，其特征在于，还包括：
风机入口装置，与所述折叠腔阴极接地筒连通，并向所述折叠腔外侧延伸，用于输入冷风以冷却电子管灯丝和所述输入谐振腔。
9.根据权利要求1-5任一项所述的输入谐振腔，其特征在于，所述隔直电容为薄膜电容。
10.根据权利要求1-5任一项所述的输入谐振腔，其特征在于，所述阴极筒和/或所述栅极筒为多边形围成的等效圆形框架结构。
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2018
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