DE102009046463B4 - Coaxial slit-coupled resonator duplexer - Google Patents

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Abstract

Koaxialer schlitzgekoppelter Resonatordiplexer zur Einkopplung mindestens einer weiteren Hochfrequenzwelle der Frequenz f2 in einen mehrmodigen, koaxialen Wellenleiter der Frequenz f1, dadurch gekennzeichnet, dass a. der Resonator um den Wellenleiter angeordnet ist, b. der Resonator einen Koppelspalt besitzt, der die Bandbreite und die Stärke der Einkopplung bestimmt. c. ein Chokefilter der Frequenz f2 im Abstand von λ/4 zur Einkoppelstelle verwendet wirdCoaxial slot-coupled resonator diplexer for coupling at least one further high-frequency wave of frequency f2 into a multimode, coaxial waveguide of frequency f1, characterized in that a. the resonator is arranged around the waveguide, b. the resonator has a coupling gap which determines the bandwidth and strength of the coupling. c. a choke filter with frequency f2 at a distance of λ / 4 from the coupling point is used

Description

Die Erfindung betrifft einen Diplexer basierend auf der Verwendung unterschiedlicher Eigenmoden eines elektromagnetischen Resonators für die Einkopplung von wenigstens zwei Hochfrequenzwellen hoher Leistung und unterschiedlicher Wellenlänge in einen koaxialen mehrmodigen Wellenleiter. Diese Funktion ist zum Beispiel an supraleitenden Hochfrequenzresonatoren zur Beschleunigung von Elementarteilchen von großem Interesse. Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet findet sich in der Radartechnik.The invention relates to a diplexer based on the use of different eigenmodes of an electromagnetic resonator for the coupling of at least two high-power and different wavelength high-frequency waves into a coaxial multi-mode waveguide. This function is of great interest, for example, in superconducting high-frequency resonators for accelerating elementary particles. Another possible application is found in radar technology.

Es ist bekannt, zur Beschleunigung von Elementarteilchen das elektromagnetische Wechselfeld (TM010-Mode) eines metallischen Hochfrequenz-(HF)-Hohlraumresonators zu verwenden. Aufgrund der geringeren thermischen Verluste werden supraleitende Resonatoren für den kontinuierlichen (CW) Betrieb bevorzugt eingesetzt. Während der Beschleunigung wird dem elektrischen Feld Energie entzogen. Um ein konstantes Feld und damit eine gleichbleibende Beschleunigung zu gewährleisten, muss der Verlust stets ausgeglichen werden.It is known to use the electromagnetic alternating field (TM 010 mode) of a metallic radio frequency (RF) cavity resonator for accelerating elementary particles. Due to the lower thermal losses superconducting resonators are preferred for continuous (CW) operation. During acceleration, energy is removed from the electric field. In order to ensure a constant field and thus a constant acceleration, the loss must always be compensated.

Es ist weiterhin bekannt, dass die hierfür notwendige Leistung, in der Größenordnung einiger zehn Kilowatt, außerhalb des Resonators seitlich in das Strahlrohr eingekoppelt wird. Dabei werden speziell an den Frequenz- und Leistungsbereich angepasste HF-Hauptkoppler verwendet [V. Veshcherevich et al.: Input coupler for ERL Injector Cavities. Proceedings of the Particle Accelerator Conference 2003, S. 1201].It is also known that the power required for this purpose, in the order of a few tens of kilowatts, is coupled laterally outside the resonator into the radiant tube. In this case, RF main couplers specially adapted to the frequency and power range are used [V. Veshcherevich et al .: Input coupler for ERL Injector Cavities. Proceedings of the Particle Accelerator Conference 2003, p. 1201].

Basierend auf diesem Prinzip der Beschleunigung sind ebenso supraleitende HF-Elektronenquellen bekannt [ DE 10 2004 055 256 B4 ]. Sie bestehen aus einem HF-Resonator, der auf einer Seite eine Kathode enthält. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich das Strahlrohr. Bei der Verwendung einer Fotokathode wird diese mit einem Laserstrahl beleuchtet und emittiert Elektronen. Bei geeigneter Synchronisation des Laserpulses bezüglich der HF-Phase werden die Elektronen durch das HF-Feld des Resonators beschleunigt und der Elektronenstrahl verlässt durch das Strahlrohr die Quelle.Based on this principle of acceleration, superconducting HF electron sources are also known [ DE 10 2004 055 256 B4 ]. They consist of an RF resonator, which contains a cathode on one side. On the opposite side is the jet pipe. When using a photocathode, it is illuminated with a laser beam and emits electrons. With appropriate synchronization of the laser pulse with respect to the RF phase, the electrons are accelerated by the RF field of the resonator and the electron beam leaves the source through the beam tube.

Zur Verbesserung der Strahleigenschaften, insbesondere der transversalen Emittanz für mittlere und hohe Leistungen, ist die Möglichkeit der Verwendung einer zusätzlich in den Resonator eingekoppelten transversalen Mode (TE-Mode) höherer Frequenz bekannt [ DE 10 2004 005 612 B4 ], aber noch nicht praktisch nachgewiesen.In order to improve the beam properties, in particular the transverse emittance for medium and high powers, the possibility of using an additionally coupled into the resonator transversal mode (TE mode) higher frequency is known DE 10 2004 005 612 B4 ], but not yet practically proven.

Die erforderliche Leistung zur Anregung dieser TE-Mode muss dem Resonator über einen zusätzlichen Koppler zugeführt werden. Dies erfordert ein Re-Design der bekannten Resonatoren, insbesondere der Kopplersektion. Ein Austausch wäre nur mit einem unvertretbar hohen Aufwand zu realisieren. Um dennoch an existierenden Resonatoren, ohne Modifikation derer, die Strahleigenschaften verbessern zu können, wird die Nutzung der vorhandenen koaxialen Wellenleiterstruktur des Hauptkopplers vorgeschlagen.The power required to excite this TE mode must be supplied to the resonator via an additional coupler. This requires a redesign of the known resonators, in particular the coupler section. An exchange would only be possible with an unreasonably high effort. Nevertheless, in order to be able to improve the beam characteristics of existing resonators, without modification of them, the use of the existing coaxial waveguide structure of the main coupler is proposed.

[ US 2484 798 A ] offenbart eine Anordnung die nur für niedrige Moden geeignet ist. Weiterhin ist die in [ US 2484 798 A ] offenbarte Anwendung nicht für mehrmodige koaxiale Wellenleiter und die Einkopplung von Hochfrequenzwellen hoher Leistung geeignet. Ein weiterer Nachteil der in [ US 2484 798 A ] beschriebenen Anordnung ist die Anordnung der Resonanzkavitäten entlang und neben der Übertragungsleitung.[ US 2,484,798 A ] discloses an arrangement suitable only for low modes. Furthermore, the in [ US 2,484,798 A ] disclosed application not suitable for multi-mode coaxial waveguides and the coupling of high-frequency high-power waves. Another disadvantage of in [ US 2,484,798 A ] is the arrangement of the resonant cavities along and next to the transmission line.

[ US 5698 949 A ] offenbart ein Klystron, wobei der Resonator (14), und ein Koppelspalt (36) um eine Art „Hohlraumresonator” (34) angeordnet ist (vgl. ridge 34). Diese Anmeldung enthält keinen Wellenleiter in der Mitte, und ist damit nicht zur Einkopplung von mehreren Hochfrequenzwellen höherer Frequenz in eine bestehende koaxiale Wellenstrukturen geeignet.[ US 5698 949 A ] discloses a klystron wherein the resonator ( 14 ), and a coupling gap ( 36 ) is a kind of "cavity resonator" ( 34 ) (see ridge 34 ). This application does not include a waveguide in the middle, and thus is not suitable for coupling a plurality of higher frequency radio frequency waves into existing coaxial waveguides.

Aufgabe der Erfindung ist die Einkopplung mindestens einer weiteren Hochfrequenzwelle höherer Frequenz in eine bereits bestehende koaxiale Wellenleiterstruktur.The object of the invention is the coupling of at least one further high-frequency wave of higher frequency into an already existing coaxial waveguide structure.

Die Aufgabe wird gelöst mit der Resonatorstruktur gemäß Anspruch 1. Die Lösung der Aufgabe wird mit Abbildungen erläutert.The object is achieved with the resonator structure according to claim 1. The solution of the problem will be explained with illustrations.

zeigt den Aufbau zur Erläuterung des Prinzips des koaxialen Resonatordiplexer. shows the structure for explaining the principle of the coaxial resonator duplexer.

zeigt die Anordnung des Resonatordiplexers (schraffiert) zwischen den bestehenden Elementen des HF-Hauptkopplers im Ausführungsbeispiel. shows the arrangement of the resonator (shaded) between the existing elements of the RF main coupler in the embodiment.

zeigt den Aufbau des Resonatordiplexers im Ausführungsbeispiel shows the structure of the resonator in the embodiment

zeigt zwei Schnittzeichnungen des Aufbaus des Resonatordiplexers des Ausführungsbeispiels. shows two sectional drawings of the structure of the resonator of the embodiment.

zeigt den Betrag des elektrischen Feldes aller TM-Moden bis 3 GHz. Die Moden mit einer elektrischen Feldkomponente auf der Resonatorachse werden durch die koaxiale Anordnung des Innenleiters entartet, sollen aber dennoch nach der üblichen Zählweise für Zylinderresonatoren als TM0n0-Moden bezeichnet werden. Die dargestellten Moden sind: a) TM010 (0,71 Ghz), b) TM110 (1,24 GHz), c) TM210 (2,03 GHz), d) TM020 (2,50 GHz), e) TM120 (2,57 GHz), f) TM220 (2,80 GHz), g) TM310 (2,80 GHz). shows the magnitude of the electric field of all TM modes up to 3 GHz. The modes with an electric field component on the resonator axis are degenerate by the coaxial arrangement of the inner conductor, but should still be referred to as TM 0n0 modes according to the usual counting method for cylinder resonators. The modes shown are: a) TM010 (0.71 GHz), b) TM110 (1.24 GHz), c) TM210 (2.03 GHz), d) TM020 (2.50 GHz), e) TM120 (2 , 57 GHz), f) TM220 (2.80 GHz), g) TM310 (2.80 GHz).

zeigt den simulierten (–) und gemessenen (– –) Einfluss der Tuningstempellänge in mm auf die Sperrfrequenz in MHz des Chokefilter (a) und des Koppelresonators (b). shows the simulated (-) and measured (- -) influence of the tuning punch length in mm on the rejection frequency in MHz of the choke filter (a) and the coupling resonator (b).

zeigt eine Gegenüberstellung der wichtigsten simulierten und gemessenen S-Parameter. shows a comparison of the most important simulated and measured S-parameters.

zeigt die Abhängigkeit der Transmissionsdämpfung für verschiedene Wellenleiter-Moden. shows the dependence of the transmission loss for different waveguide modes.

Die Verwendung dieser Struktur wird am Beispiel einer supraleitenden Elektronenquelle gezeigt. Bei der Realisierung der Aufgabe ergeben sich verschiedene Anforderungen:

  • – einfache und kostengünstige Integration der Erfindung in die bestehende Wellenleiterstruktur
  • – hohe Isolationsdämpfung zwischen den Frequenzbereichen bei gleichzeitig geringer Einfügedämpfung
  • – Eignung für Leistung bis 10 kW CW (L-Band)
  • – Erhaltung der rotationssymmetrischen TEM Feldverteilung trotz mehrmodigen koaxialen Wellenleiters.
The use of this structure is shown using the example of a superconducting electron source. In the realization of the task, there are different requirements:
  • - Simple and inexpensive integration of the invention in the existing waveguide structure
  • - High insulation loss between the frequency ranges with low insertion loss
  • - Suitability for power up to 10 kW CW (L-band)
  • - Maintenance of the rotationally symmetric TEM field distribution despite multi-mode coaxial waveguide.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine koaxiale Zylinderresonatorstruktur (im Folgenden Resonatordiplexer genannt) gelöst, der um den Wellenleiter angeordnet ist. Durch diese Anordnung ist es möglich mindestens eine zweite Hochfrequenzwelle der Frequenz f2 in eine bereits bestehende koaxiale Wellenleiterstruktur der Frequenz f1 einzukoppeln. Das Bauteil entspricht damit in seiner Funktion einem Diplexer, kann jedoch je nach Bedarf auch zu einem Multiplexer mit mehreren Eingängen erweitert werden. Dabei ist es prinzipiell egal ob die einzukoppelnde Frequenz f2 größer oder kleiner als die bereits im Wellenleiter geführte Frequenz f1 ist.The object of the invention is achieved by a coaxial cylindrical resonator structure (hereinafter referred to as resonator duplexer), which is arranged around the waveguide. With this arrangement, it is possible to couple at least one second high-frequency wave of frequency f 2 into an already existing coaxial waveguide structure of frequency f 1 . The component thus corresponds in its function to a diplexer, but can also be expanded as needed to form a multiplexer with multiple inputs. In principle, it does not matter whether the frequency f 2 to be coupled in is greater or smaller than the frequency f 1 already carried in the waveguide.

zeigt eine vereinfachte Prinzipskizze für einen Resonatordiplexer 1 mit drei Ports 7 bis 9. Erfindungsgemäß wird ein koaxialer Resonatordiplexer 1 um den koaxialen Wellenleiter 2 angebracht. Dabei entspricht der Innenradius des Koppelresonators 3 dem Radius des Mantels 17 des Wellenleiters 2. Die Wahl der äußeren Abmessung wird durch die am Port 2 8 einzukoppelnde Frequenz f2 und damit durch eine Eigenmode des Koppelresonators 3 festgelegt. Zwischen dem äußeren Mantel 17 des Wellenleiters 2 und dem Koppelresonator 3 befindet sich senkrecht zur Rotationsachse des Wellenleiters ein Koppelspalt 4. Die Höhe des Koppelspalts 4 zum Wellenleiter 2 bestimmt die Bandbreite der Kopplung. Je schmaler der Spalt desto schmaler ist auch die Koppelbandbreite. shows a simplified schematic diagram for a resonator duplexer 1 with three ports 7 to 9 , According to the invention, a coaxial resonator duplexer 1 around the coaxial waveguide 2 appropriate. The inner radius of the coupling resonator corresponds to this three the radius of the mantle 17 of the waveguide 2 , The choice of the outer dimension is made by the port 2 8th to be coupled frequency f 2 and thus by a eigenmode of the coupling resonator three established. Between the outer coat 17 of the waveguide 2 and the coupling resonator three is located perpendicular to the axis of rotation of the waveguide a coupling gap 4 , The height of the coupling gap 4 to the waveguide 2 determines the bandwidth of the coupling. The narrower the gap, the narrower the coupling bandwidth.

Am Port 2 8 wird durch die geeignete Wahl der Kopplung 14 (kapazitiv/induktiv) eine Eigenmode der Frequenz f2 des Koppelresonators 3 (vorzugsweise TM0x0-Moden) angeregt und ein elektromagnetisches Feld mit einem bestimmten Energieinhalt aufgebaut. Ein Teil dieser Energie wird nun über den Spalt in den Wellenleiter 2 gekoppelt und zu gleichen Teilen (–3 dB) in Richtung Port 1 7 und 3 9 aufgeteilt.At the port 2 8th is through the appropriate choice of coupling 14 (capacitive / inductive) a eigenmode of the frequency f 2 of the coupling resonator three (preferably TM 0x0 modes) excited and built up an electromagnetic field with a specific energy content. Part of this energy will now pass over the gap in the waveguide 2 coupled and in equal parts (-3 dB) in the direction of port 1 7 and 3 9 divided up.

Durch Verwendung eines zweiten Resonators (Chokefilter) 5 im Abstand von λ/4 (f2) zum Koppelspalt 4 des ersten Resonators 3, wird die zum Port 1 7 wandernde Welle vollständig reflektiert und überlagert sich konstruktive mit dem zum Port 3 9 laufenden Anteil. Die Kopplung an den Wellenleiter 2 erfolgt ebenfalls über einen Koppelspalt 6.By using a second resonator (choke filter) 5 at a distance of λ / 4 (f 2 ) to the coupling gap 4 of the first resonator three , which becomes the port 1 7 wandering wave completely reflects and overlaps constructive with that to port 3 9 current share. The coupling to the waveguide 2 also takes place via a coupling gap 6 ,

Die Eigenmode des Chokefilters 5 muss, für eine maximale Reflexion, die Feldverteilung der Wanderwelle im Wellenleiter 2 und die Frequenz f2 aufweisen. Für den Standardfall einer TEM-Welle im koaxialen Wellenleiter 2 wäre diese Eigenmode rotationssymmetrisch. Sind beide Vorraussetzungen erfüllt, verhält sich der Chokefilter 5 wie eine offen laufende Leitung und die Leistung wird ohne Phasenversatz vollständig reflektiert.The eigenmode of the choke filter 5 must, for maximum reflection, the field distribution of the traveling wave in the waveguide 2 and have the frequency f 2 . For the standard case of a TEM wave in the coaxial waveguide 2 this eigenmode would be rotationally symmetric. If both requirements are met, the choke filter behaves 5 as an open-circuit and the power is completely reflected without phase shift.

Auftretende Fertigungstoleranzen beider Resonatoren 3, 5 werden durch Verwendung geeigneter Tuningstempel 11, 13, die in beide Resonatoren 3, 5 hineinragen, ausgeglichen. Durch das manuelle Nachtunen der Eigenresonanzen lassen sich beide Resonatoren 3, 5 auf die gewünschte Frequenz (f2) mit einer sehr hohen Frequenzgenauigkeit aufeinander abstimmen.Occurring manufacturing tolerances of both resonators three . 5 are made by using appropriate tuning stamps 11 . 13 in both resonators three . 5 protrude, balanced. The manual tuning of the self-resonances allows both resonators three . 5 tune to the desired frequency (f 2 ) with a very high frequency accuracy.

Aufgrund der Frequenzselektivität des Koppelresonators 3 wird die am Port 1 7 eingekoppelte Welle mit der Frequenz f1 am Port 2 8 ebenfalls sehr stark bedämpft. Dies gilt jedoch nur wenn die Wellenleitermode nicht an eine Eigenmode des Koppelresonators 3 koppelt und beide Frequenzbänder des Resonatordiplexers 1 ausreichend weit voneinander entfernt sind um ein Übersprechen zu verhindern (einige Bandbreiten der Resonatormoden). Ist dies gewährleistet, ermöglicht die resultierende Isolationsdämpfung die Verkopplung hoher Leistungen am Port 1 7 (einige kW) mit niedrigen Leistungen am Port 2 8 bei einer gleichzeitig geringen Einfügedämpfung zum Ausgang am Port 3 9. Due to the frequency selectivity of the coupling resonator three will be on port 1 7 coupled wave with the frequency f 1 at port 2 8th also heavily damped. However, this only applies if the waveguide mode is not connected to a eigenmode of the coupling resonator three couples and both frequency bands of the resonator duplexer 1 are sufficiently far apart to prevent crosstalk (some bandwidths of the resonator modes). If this is ensured, the resulting isolation damping allows the coupling of high power at port 1 7 (a few kW) with low power at port 2 8th with a simultaneous low insertion loss to the output at port 3 9 ,

Der Hauptvorteil des vorgestellten Konzeptes besteht darin, auch in mehrmodigen koaxialen Wellenleitern 2 oberhalb der Cut-Off-Frequenz (der ersten ausbreitungsfähigen Wellenleitermode) eine rotationssymmetrische Kopplung an die TEM-Grundwelle zu gewährleisten. Wichtig ist dies beispielsweise für Anwendungen bei denen die Abmessungen möglichst groß gewählt werden um den Transport hoher Leistung (bei f1) zu ermöglichen. In diesem Fall ist der Eindeutigkeitsbereich der TEM Welle sehr klein und eine definierte Kopplung von f2 wäre oberhalb der Cut-Off-Frequenz ohne die Erfindung nicht möglich.The main advantage of the concept presented is that even in multi-mode coaxial waveguides 2 above the cut-off frequency (the first propagatable waveguide mode) to ensure rotationally symmetric coupling to the TEM fundamental. This is important, for example, for applications in which the dimensions are chosen as large as possible in order to enable the transport of high power (at f 1 ). In this case, the uniqueness range of the TEM wave is very small and a defined coupling of f 2 would not be possible above the cut-off frequency without the invention.

Ausführungsbeispielembodiment

An einer supraleitende Photo-Elektronen-Quelle soll die Verwendung einer transversal elektrischen Mode zur Verbesserung der transversalen Emittanz erstmals untersucht werden. Der koaxiale schlitzgekoppelte Resonatordiplexer 1 wird dabei zwischen den bestehenden Elementen des HF-Hauptkopplers der Photo-Elektronen-Quelle 10 eingebaut. Die zu untersuchende TE011-Mode hat eine Resonanzfrequenz von 2,5 GHz und soll über den koaxialen Hauptkoppler 10 angeregt werden. Dessen Hauptaufgabe ist die zur Beschleunigung der Elektronen erforderliche HF-Leistung von 10 kW bei 1,3 GHz dem Resonator zur Verfügung zu stellen. Es muss eine geeignete Adaption des oben vorgestellten Konzepts erfolgen, um die zum Aufbau des zusätzlichen Feldes erforderliche Energie in den bereits bestehenden koaxialen Wellenleiter 2 der Grundwelle zu gewährleisten ( ).The use of a transversal electric mode to improve the transverse emittance will be investigated for the first time on a superconducting photoelectron source. The coaxial slit-coupled resonator duplexer 1 becomes between the existing elements of the RF main coupler of the photo-electron source 10 built-in. The TE 011 mode to be investigated has a resonance frequency of 2.5 GHz and is intended to be transmitted via the coaxial main coupler 10 be stimulated. Its main task is to provide the RF power of 10 kW at 1.3 GHz required for accelerating the electrons to the resonator. There must be a suitable adaptation of the concept presented above to the energy required to build up the additional field in the already existing coaxial waveguide 2 to ensure the fundamental ( ).

Von besonderer Bedeutung bei der Entwicklung einer geeigneten Kopplung sind die geometrischen Dimensionen des Wellenleiters 2. Der Wellenleiter 2 führt, aufgrund des großen Außendurchmesser zu Beginn des Resonatordiplexers 1 (D = 76,5 mm bei einer Impedanz von 50 Ω) neben der gewünschten TEM-Welle ab 1,76 GHz auch eine TE11-artige Rundhohlleiterwelle. Im weiteren Verlauf zum Ende hin verjüngt sich der Wellenleiter 2 bei gleichbleibender Impedanz, wodurch die Cut-Off-Frequenz dieser TE11-artigen Mode steigt und damit auch die Transmissionsdämpfung bei f2 = 2,5 GHz stark anwächst. Daraus folgt die zentrale Forderung, dass die Kopplung über die rotationssymmetrische TEM-Welle des Wellenleiters 2 erfolgen muss ( ). Damit' muss auch die Feldverteilung im Koppelresonator 3 rotationssymmetrisch sein, wodurch lediglich Monopolmoden in Frage kommen.Of particular importance in the development of a suitable coupling are the geometric dimensions of the waveguide 2 , The waveguide 2 leads, due to the large outer diameter at the beginning of Resonatordiplexers 1 (D = 76.5 mm at an impedance of 50 Ω) in addition to the desired TEM wave from 1.76 GHz and a TE 11 -like circular waveguide shaft. In the further course towards the end, the waveguide tapers 2 at constant impedance, whereby the cut-off frequency of this TE 11-like mode increases and thus the transmission loss at f 2 = 2.5 GHz increases sharply. From this follows the central requirement that the coupling via the rotationally symmetric TEM wave of the waveguide 2 must be done ( ). This also means the field distribution in the coupling resonator three be rotationally symmetric, whereby only monopolistic modes come into question.

Eine Realisierung des vorgestellten Konzeptes ist in und dargestellt. Hierbei wird die TM020-Mode des Koppelresonators 3 verwendet. Dessen elektrische und magnetische Feldkomponente weisen in radialer Richtung, also senkrecht zur Rotationsachse, zwei Maxima auf ( ). Dabei koppelt das innere Maximum der magnetischen Komponente direkt an die Hφ Komponente der TEM Welle im koaxialen Wellenleiter 2. Die Verwendung der TM020-Mode liefert einen guten Größenkompromiss. Sie bedingt, aufgrund der gewünschten Frequenz, weder einen zu kleinen Koppelresonator (TM010-Mode) noch einen zu großen, wie dies für höhere Monopolmoden der Fall wäre. Außerdem verteilt sich das elektrische Feld jeweils auf den Bereich des Koppelschlitzes und den des eigentlichen Resonators. Damit wird der TM020-Mode durch die Ankopplung an den Koaxialeiter nur gering gestört.A realization of the presented concept is in and shown. Here, the TM 020 mode of the coupling resonator three used. Its electrical and magnetic field components have two maxima in the radial direction, ie perpendicular to the axis of rotation ( ). The inner maximum of the magnetic component couples directly to the H φ component of the TEM wave in the coaxial waveguide 2 , The use of the TM 020 mode provides a good size compromise. Due to the desired frequency, it does not result in a too small coupling resonator (TM 010 mode) or too large, as would be the case for higher monopole modes. In addition, the electric field is distributed in each case to the region of the coupling slot and that of the actual resonator. Thus, the TM 020 mode is only slightly disturbed by the coupling to the Koaxialeiter.

Das Design des Koppelresonators 3 muss die Bedingungen erfüllen, dass keine andere Monopolmode die Eigenfrequenz f1 der Grundwelle besitzt. D. h. die vorhandene TM010-Mode muss möglichst weit unterhalb der Grundfrequenz von 1,3 GHz liegen, um nicht durch diese angeregt zu werden. Die Wahl des Radius entscheidet zunächst für alle Monopolmoden über deren Frequenz. Zur weiteren Separation der TM010- und TM020-Mode dient der Koppelspalt 4 im koaxialen Wellenleiter 2. Für beide Moden befindet sich in diesem Bereich das elektrische Feld.The design of the coupling resonator three must meet the conditions that no other monopole mode has the natural frequency f 1 of the fundamental wave. Ie. the existing TM 010 mode must be as far below the fundamental frequency of 1.3 GHz, so as not to be excited by it. The choice of the radius first decides for all monopole modes over their frequency. The coupling gap is used for further separation of the TM 010 and TM 020 modes 4 in the coaxial waveguide 2 , For both modes, the electric field is located in this area.

Es ist bekannt, dass nach Slater [L. C. Maier, Jr. et al.: Field Strength Measurements in Resonant Cavities. Journal of Applied Physics (23), 1952, S. 68–77.] eine Volumenänderung auch eine Frequenzänderung zur Folge hat. Es gilt:

Figure DE102009046463B4_0002
It is known that, according to Slater [LC Maier, Jr. et al .: Field Strength Measurements in Resonant Cavities. Journal of Applied Physics (23), 1952, pp. 68-77.] A change in volume also results in a change in frequency. The following applies:
Figure DE102009046463B4_0002

Der Einfluss auf die TM010-Mode ist jedoch größer, da dessen elektrisches Feld ausschließlich auf den Koppelbereich konzentriert ist. Die Verschiebung der Eigenresonanz erfolgt demnach nicht für beide Moden gleichermaßen. Eine weitere Separation erfolgt durch die Verwendung eines Doppelringes im Bereich des zweiten äußeren elektrischen Feldmaximums. Eine Volumenänderung in diesem Bereich ermöglicht eine Verschiebung der gewünschten Resonanzfrequenz innerhalb bestimmter Grenzen, ohne die der TM010-Mode wesentlich zu beeinflussen.However, the influence on the TM 010 mode is greater because its electric field is concentrated exclusively on the coupling region. The shift of the self-resonance thus does not occur equally for both modes. A further separation takes place by the use of a double ring in the region of the second external electric field maximum. A volume change in this range allows a shift of the desired resonant frequency within certain limits without significantly affecting the TM 010 mode.

Die Höhe des Koppelspaltes 4 zum koaxialen Wellenleiter 2 bestimmt neben der Bandbreite auch die Stärke der Kopplung. Hierbei gilt: Je kleiner der Spalt desto schmaler die Bandbreite und umso schwächer die Kopplung ( ).The height of the coupling gap 4 to the coaxial waveguide 2 determines not only the bandwidth but also the strength of the coupling. The smaller the gap, the narrower the bandwidth and the weaker the coupling ( ).

Die zum Aufbau der TM020-Mode erforderliche Leistung wird dem Koppelresonator 3 symmetrisch über zwei gegenüberliegende kapazitiv gekoppelte koaxiale 50 Ω Koppelstifte 14 zugeführt Dadurch wird sichergestellt, dass nur die rotationssymmetrische TM020-Mode und nicht die TE11-Resonanz gleicher Frequenz angeregt wird. Eine Separation dieser beiden Moden wird durch Einfügen zweier gegenüberliegender Tuner- 11/Separationsstempel 12 am Ort des minimalen elektrischen Feldes der TM120-Mode erreicht Damit bleibt dessen Resonanzfrequenz weitgehend ungestört, während die TM020-Mode eine negative Frequenzverschiebung beim Eintauchen der Tuner erfährt. Die Tunerstempel 11 sind verstellbar realisiert und dienen dem Ausgleich von Fertigungstoleranzen. Die Separationsstempel 12 sind fest aber austauschbar ausgeführt und können so bei Bedarf angepasst werden.The power required to build the TM 020 mode becomes the coupling resonator three symmetric over two opposing capacitively coupled coaxial 50 Ω coupling pins 14 This ensures that only the rotationally symmetric TM 020 mode and not the TE 11 resonance of the same frequency is excited. Separation of these two modes is achieved by inserting two opposing tuners. 11 / Separation stamp 12 At the location of the minimum electric field, the TM 120 mode is achieved. Thus, its resonance frequency remains largely undisturbed, while the TM 020 mode experiences a negative frequency shift when the tuners are immersed. The tuner stamp 11 are adjustable realized and serve to compensate for manufacturing tolerances. The separation stamp 12 are fixed but interchangeable and can be adapted as needed.

Um ebenso die Fertigungstoleranzen des Chokefilters 5 ausgleichen zu können, ist auch dieser mit zwei beweglichen Tunerstempeln 13 versehen. Alle Stempel 11, 13 sind mit geeigneten Durchführungen 15 versehen um den Vakuumanforderungen zu genügen. Die Verwendung von mehr als je einem Paar von Stempeln 11, 13 und/oder der beweglichen Ausführung der Separationsstempel 12 ist möglich, aber ökonomisch nicht vertretbar. ( , )As well as the manufacturing tolerances of the choke filter 5 To be able to compensate is also this with two movable Tunerstempeln 13 Mistake. All stamps 11 . 13 are with suitable bushings 15 provided to meet the vacuum requirements. The use of more than ever a pair of stamps 11 . 13 and / or the movable execution of the separation punches 12 is possible, but not economically justifiable. ( . )

Der Tuningbereich des Koppelresonators 3 liegt bei ca. 100 MHz, der des Chokefilters 5 bei 40 MHz ( ). Beides ist ausreichend um die üblichen Fertigungstoleranzen auszugleichen.The tuning range of the coupling resonator three is about 100 MHz, that of the choke filter 5 at 40 MHz ( ). Both are sufficient to compensate for the usual manufacturing tolerances.

zeigt die simulierten S-Parameter des Ausführungsbeispiels. Die Transmissionsdämpfung von Port 2 8 zum supraleitenden Beschleunigungsresonator am Port 3 9 ist für 2,5 GHz S32 = –0.05 dB. Vergleichbar gute Werte liefert die Transmission der Grundwelle zum Port 3 mit S31 = –0,07 dB bei 1,3 GHz. Die Isolation beider Ports zueinander beträgt dabei S21 ~ –37 dB bei 1,3 GHz und S12 ~ –40 dB bei 2,5 GHz. Die S-Parameter der Simulation und ebenso die der Messung bestätigen die Funktion des Resonatordiplexers 1. shows the simulated S-parameters of the embodiment. The transmission loss of port 2 8th to the superconducting acceleration resonator at port 3 9 is for 2.5 GHz S 32 = -0.05 dB. The transmission of the fundamental wave to port 3 with S 31 = -0.07 dB at 1.3 GHz provides comparably good values. The isolation of both ports is S 21 ~ -37 dB at 1.3 GHz and S 12 ~ -40 dB at 2.5 GHz. The S-parameters of the simulation and also the measurement confirm the function of the resonator duplexer 1 ,

Da der Resonatordiplexer 1 an einer supraleitenden Elektronenquelle betrieben werden soll, wird eine Vakuumtauglichkeit des Ausführungsbeispiels bis zu einem Druck von 10–7 mbar gefordert. Dies wird durch geeignete Dichtungen und Durchführung und die Herstellung des Resonatordiplexers 1 aus sauerstofffreiem Kupfer sichergestellt. Zur Reduzierung der HF-Verluste wird die gesamte innenliegende Fläche poliert Zur Vermeidung von Feldstärkeüberhöhungen an Kanten und Ecken sind alle kritischen Bereiche mit einem Radius von 1 bis 3 mm versehen.Because the resonator duplexer 1 is to be operated on a superconducting electron source, a vacuum capability of the embodiment is required up to a pressure of 10 -7 mbar. This is done by suitable sealing and implementation and the manufacture of the resonator duplexer 1 made of oxygen-free copper. To reduce the RF losses, the entire inner surface is polished. To avoid field strength peaks and corners, all critical areas are provided with a radius of 1 to 3 mm.

Simulationen zur Multipacting- und Überschlagsneigung sowie zum thermischen Verhalten bei maximaler Leistung zeigen keine Einschränkung der Verwendbarkeit des Ausführungsbeispiels.Simulations of the multipacting and flashover tendency as well as the thermal behavior at maximum power show no restriction of the usability of the embodiment.

Im konkreten Ausführungsbeispiel wird die Wanddicke des Resonatordiplexers durch die erforderliche Steifigkeit bestimmt, um Verformungen durch den Druckunterschied und die angebrachten Verschraubungen zu minimieren.In the particular embodiment, the wall thickness of the resonator duplexer is determined by the stiffness required to minimize deformation due to the pressure differential and the attached fittings.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
koaxialer schlitzgekoppelter ResonatordiplexerCoaxial slit-coupled resonator duplexer
22
koaxialer Wellenleitercoaxial waveguide
33
KoppelresonatorKoppelresonator
44
Koppelspalt des Koppelresonators 3 Coupling gap of the coupling resonator three
55
ChokefilterChokefilter
66
Koppelspalt des Chokefilters 5 Coupling gap of the choke filter 5
77
Port 1 (f1)Port 1 (f 1 )
88th
Port 2 (f2)Port 2 (f 2 )
99
Port 3 (f3 = f1 + f2)Port 3 (f 3 = f 1 + f 2 )
1010
HF-Hauptkoppler der Photo-ElektronenquelleRF main coupler of the photo-electron source
1111
Tunerstempel Koppelresonator 3 Tuner temple coupling resonator three
1212
Separationsstempelseparation stamp
1313
Tunerstempel Chokefilter 5 Tuner stamp choke filter 5
1414
Koppelstift zur Einkopplung von f2 in den Koppelresonator 3 Coupling pin for coupling f 2 in the coupling resonator three
1515
Vakuum-DrehdurchführungVacuum rotary feedthrough
1616
Innenleiter des Wellenleiters 2 Inner conductor of the waveguide 2
1717
Aussenleiter (Mantel) des Wellenleiters 2 Outer conductor (sheath) of the waveguide 2

Claims (10)

Koaxialer schlitzgekoppelter Resonatordiplexer zur Einkopplung mindestens einer weiteren Hochfrequenzwelle der Frequenz f2 in einen mehrmodigen, koaxialen Wellenleiter der Frequenz f1, dadurch gekennzeichnet, dass a. der Resonator um den Wellenleiter angeordnet ist, b. der Resonator einen Koppelspalt besitzt, der die Bandbreite und die Stärke der Einkopplung bestimmt. c. ein Chokefilter der Frequenz f2 im Abstand von λ/4 zur Einkoppelstelle verwendet wirdCoaxial slit-coupled resonator duplexer for coupling at least one further high-frequency wave of frequency f 2 into a multi-mode, coaxial waveguide of frequency f 1 , characterized in that a. the resonator is arranged around the waveguide, b. the resonator has a coupling gap, which determines the bandwidth and the strength of the coupling. c. a choke filter of frequency f 2 is used at a distance of λ / 4 to Einkoppelstelle Koaxialer schlitzgekoppelter Resonatordiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein geeigneter Doppelring zur Separation der unterschiedlichen Monopolmoden verwendet wird.Coaxial slit-coupled resonator duplexer according to claim 1, characterized in that a suitable double ring is used for the separation of the different monopole modes. Koaxialer schlitzgekoppelter Resonatordiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonatordiplexer aus sauerstofffreiem Kupfer und in Verbindung geeigneter Dichtungen hergestellt wird, um im Vakuum benutzt werden zu können.Coaxial slit-coupled resonator duplexer according to one of the preceding claims, characterized in that the resonator duplexer is made of oxygen-free copper and, in conjunction with suitable seals, in order to be able to be used in a vacuum. Koaxialer schlitzgekoppelter Resonatordiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material poliert und/oder dass alle Ecken und Kanten mit einem Radius versehen werden.Coaxial slit-coupled resonator duplexer according to one of the preceding claims, characterized in that the material is polished and / or that all corners and edges are provided with a radius. Koaxialer schlitzgekoppelter Resonatordiplexer, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Tunerstempel, vorzugsweise zweifach ausgeführt in den Koppelresonator und/oder den Chokefilter hineinragen.Coaxial slit-coupled resonator duplexer, according to one of the preceding claims, characterized in that the tuner stamp, preferably in duplicate, protrude into the coupling resonator and / or the choke filter. Koaxialer schlitzgekoppelter Resonatordiplexer, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Separationsstempel entsprechend der Anzahl der Tunerstempel des Koppelresonators entgegengesetzt im Koppelresonator angeordnet sind.Coaxial slit-coupled resonator duplexer, according to one of the preceding claims, characterized in that separation punches are arranged opposite in the coupling resonator corresponding to the number of tuner stamps of the coupling resonator. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, das die Tunerstempel verstellbar ausgeführt sind und/oder die Separationsstempel fest aber austauschbar oder beweglich ausgeführt sind.Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the tuner stamps are designed to be adjustable and / or the separation punches are fixed but interchangeable or movable. Verwendung des koaxialen schlitzgekoppelten Resonators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine TM020-Resonatormode zur rotationssymmetrischen Einkopplung (über die Hφ Komponente) einer TEM Welle in einen mehrmodigen koaxialen Wellenleiter erfolgt.Use of the coaxial slot-coupled resonator according to claim 1, characterized in that a TM 020 resonator mode for rotationally symmetrical coupling (via the H φ component) of a TEM wave into a multi-mode coaxial waveguide takes place. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein symmetrisches Anregen der TM020-Mode über mindestens zwei sich gegenüberliegende kapazitive Koppelstifte erfolgt.Use according to claim 8, characterized in that a symmetrical excitation of the TM 020 mode via at least two opposing capacitive coupling pins. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anpassen der TM020-Mode und eine Separation der TM120-Mode durch Tuningstempel erfolgt.Use according to claim 8, characterized in that an adaptation of the TM 020 mode and a separation of the TM 120 mode is performed by Tuningstempel.
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