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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Mikrowellensysteme
und insbesondere auf transparente (durchlässige) Hochleistungsfenster,
die im Millimeterbereich verwendet werden.
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STAND DER
TECHNIK
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Mikrowellensysteme
benötigen
oft Fenster, die bei Frequenzen transparent sind, die von Interesse sind.
Dieses Problem ist gerade bei Frequenzen von Millimeterwellen akut,
wo die meisten dielektrischen Materialien dazu neigen, hohe Verlusttangenten
zu haben. Bei niedrigen Leistungspegeln mag eine hohe Verlusttangente
hinnehmbar sein, sofern das Fenster dünn genug ist zu verhindern,
dass mehr als ein kleiner Anteil der einfallenden Leistung absorbiert
wird. Bei hohen Leistungspegeln wird ein Fenster, das aus einem
Material mit einer hohen Verlusttangente gemacht ist, sehr heiß werden
und kann versagen, wenn es nicht aktiv gekühlt wird. Solche Fenster werden
gewöhnlich
an ihren Rändern
gekühlt,
da die meisten Kühlflüssigkeiten
selbst hohe Verlusttangenten haben und daher nicht direkt einer
Leistung im Millimeterwellenbereich ausgesetzt werden können. Es
besteht daher ein Bedarf für
ein Mikrowellenfenster, das in der Lage ist, zuverlässig extrem hohe
Pegel von Millimeterwellenleistung zu übertragen (transmittieren).
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Doppelscheiben-Fenster,
die an der Oberfläche
gekühlt
werden und aus Saphir gemacht sind, sind als Ausgangsfenster für Hochleistungsgyrotrone
verwendet worden. Diese Fenster werden mittels einer speziellen Kühlflüssigkeit
gekühlt,
die eine niedrige Verlusttangente bei Frequenzen im Millimeterwellenbereich
hat. Die Kühlflüssigkeit
fließt
in der Lücke
zwischen den beiden Scheiben. Auch wenn Doppelscheiben-Fenster eine verbesserte
Leistungsfähigkeit
gegenüber
Fenstern zeigen, die eine Scheibe aufweisen und an den Rändern gekühlt sind,
ist ihre thermische Leistungsfähigkeit
immer noch nicht ausreichend, um zu erlauben, dass Gyrotronen in
der Megawatt-Klasse, die für
einen CW-Betrieb (Continuous Wave) ausgelegt sind, für eine Dauer von
mehr als nur ein paar Sekunden betrieben werden.
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Kürzlich sind
synthetische Diamantscheiben verfügbar geworden, die eine ausreichende
Größe und Qualität für die Verwendung
als Ausgangsfenster eines Gyrotrons haben. Der Diamant ist ein nahezu
ideales Material für
die Verwendung als dielektrisches Fenster, da die Verlusttangente
eines qualitativ hochwertigen Materials bei Frequenzen im Millimeterwellenbereich
sehr niedrig ist (< 5 × 10–5)
und weil seine thermische Leitfähigkeit
doppelt so hoch ist wie die von Kupfer. Da es jedoch viele Wochen
dauert, um eine Scheibe von ausreichender Größe und Stärke für das Fenster eines Gyrotrons
wachsen zu lassen und weil es nur wenige Quellen für solche
Scheiben gibt, sind Diamantfenster sehr teuer.
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In
dem Dokument von Pelton et al. "A
Streamlined Metallic Radome" IEEE
Transactions on Antenna and Propagation, Band 22, Nr. 6, Nov. 1974,
Seiten 799 bis 803 wird ein metallisches Radom gezeigt, das aus flachen
geschlitzten Elementen herge stellt ist, die die Form eines Diamanten
haben und aus Kupfer gebildet sind, das an einem Teflon®-Substrat
haftet, das durch Glasfaser verstärkt ist.
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US 5,400,004 zeigt ein verteiltes
Mikrowellenfenster für
Wellenleiter mit einem großen
Durchmesser.
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Damit
verbleibt der Bedarf für
ein bei Millimeterfrequenzen transparentes Fenster, das die meisten, wenn
nicht sogar alle, der oben genannten Probleme vermeidet.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein transparentes, metallisches
Millimeterwellenfenster bereitgestellt, wie es in den Ansprüchen beschrieben
ist.
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Das
Fenster kann aus einem Metall mit einer hohen Leitfähigkeit
aufgebaut werden, wie z.B. Kupfer, Beryllium-Kupfer oder Aluminium.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird das Millimeterwellenfenster der vorliegenden Erfindung als
Ausgangsfenster in einem Gyrotron verwendet. Wenn man den Abstand
und den Durchmesser der Löcher
geeignet wählt,
kann das Fenster bei jeder gewünschten
Frequenz transparent gemacht werden.
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Zusätzlich zu
seiner transparenten Eigenschaft muss das Ausgangsfenster jedoch
auch vakuumdicht sein, da der Druck in einem Gyrotron auf einem
Pegel in der Größe von 133 × 10–9 Pa
(10–9 torr).
Die vorliegende Erfindung löst
dieses Problem, indem die Oberfläche
der Hochdruckseite des Fensters mit einer dünnen Schicht aus einem geeigneten
dielektrischen Material bedeckt wird.
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Ein
geeignetes Dielektrikum wird eine niedrige Verlusttangente und einen
niedrigen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung haben. Außerdem,
wenn das Dielektrikum in einer Umgebung mit einem hohen Vakuum verwendet
werden soll, muss es aus einem Material sein, das nicht fortlaufend
Gase auf seiner Oberfläche
entwickelt (daher scheidet eine Verwendung der meisten Polymere
und Materialien auf organischer Basis aus). Zu den Materialien,
die für
eine Verwendung in einer Umgebung mit einem hohen Vakuum geeignet
sind, gehören
Aluminiumoxid, Quarzglas, Saphir und CVD-Diamanten (chemical vapor
deposition, Gasphasenabscheidung). Für Anwendungen, in denen das
Fenster einen luftdichten Verschluss bereitstellen muss, es aber nicht
ein hohes Vakuum aufrecht erhalten muss, kann die letztgenannte
Anforderung bezüglich
des Fenstermaterials etwas entspannter gesehen werden. Weil sich
das Dielektrikum in unmittelbarem Kontakt mit der perforierten Metallplatte
befindet, muss sich jegliche Hitze, die in der dielektrischen Schicht
erzeugt wird, nur bis zur Grenze zwischen dem Dielektrikum und dem
Metall ausbreiten, wo sie dann in dem Metall, das eine viel höhere Leitfähigkeit
aufweist, schnell mittels Wärmeleitung
abgeführt
wird. Im Ergebnis bedeutet dies, dass das Dielektrikum keine hohe
thermische Leitfähigkeit
aufweisen muss. Für
die meisten Anwendungen sollte eine Kühlung an den Rändern des
Fensters aus Metall und Dielektrikum eine ausreichende Kühlung bereitstellen.
Für Anwendungen
mit sehr hoher Leistung, wo die Kühlung an den Rändern möglicherweise
nicht ausreicht, können
Kühlkanäle direkt
in das Innere der perforierten Metallplatte eingearbeitet werden,
die es einem solchen Fenster erlauben, mehr Leistung zu übertragen
als bei einem an den Rändern
gekühlten
Vergleichsfenster.
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Die
neuen Merkmale der vorliegenden Erfindung sind die Verwendung einer
periodischen Struktur aus Metall als ein Mikrowellenfenster für hohe Leistungen.
Strukturen aus Metall sind bei Fenstern bereits zuvor verwendet
worden, aber gewöhnlich
in einer Art und Weise, so dass sie nicht die Übertragung von der Mikrowellenenergie
beeinflussen; dies wird üblicherweise
so gemacht, indem man dünne
metallische Rippen senkrecht zu dem einfallenden elektrischen Feld
positioniert. Die vorliegende Erfindung verfolgt hier einen anderen Ansatz,
indem die Struktur aus Metall ein integraler Teil des Fensters wird,
ein Teil, der ganz erheblich mit den einfallenden Mikrowellenfeldern
zusammenwirkt. Dieses Vorgehen hinsichtlich des Entwurfs eines Fensters wird
als neu und einzigartig angesehen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Millimeterwellenfensters gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 zeigt
eine Explosionsansicht des Millimeterwellenfensters, wie es in der 1 gezeigt
ist;
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3 zeigt
eine aufgeschnittene Ansicht des Millimeterwellenfensters, wie es
in den 1 und 2 gezeigt ist, mit einem Keramik-auf-Metall-Vakuumverschluss
für die
Verwendung in Anwendungen mit einem hohen Vakuum;
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3a ist
eine Vergrößerung eines
Teils der 3;
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4 zeigt
eine aufgeschnittene Ansicht des Millimeterwellenfensters, wie es
in den 1 und 2 gezeigt ist, mit einem Quarzglas-auf-Molybdän-Vakuumverschluss
für die
Verwendung in Anwendungen mit einem hohen Vakuum;
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4a ist
eine Vergrößerung eines
Teils der 4;
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5 ist
eine schematische Darstellung, die Parameter zeigt, die bei der
Bestimmung der Durchmesser der Löcher
und der Periodizität
des Arrays involviert sind, um die Betriebsfrequenz des Fensters
einzustellen;
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6 zeigt
in einem Koordinatensystem des Koeffizienten der Leistungsübertragung
(in dB) und der Frequenz (in GHz) eine graphische Darstellung der
errechneten Koeffizienten der Leistungsübertragung für senkrecht
polarisierte einfallende Wellen als Funktionen der Frequenz, und
zwar für
den Prototyp eines Fensters, das mit einem Dielektrikum bedeckt
ist;
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7 ist
in einem Koordinatensystem des Koeffizienten der Reflexion und Übertragung
(Transmission) (in dB) und der Frequenz (in GHz) eine graphische
Darstellung der Koeffizienten der kreuzpolarisierten Reflexion und
Transmission als Funktionen der Frequenz;
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8 ist
in einem Koordinatensystem des Koeffizienten der Leistungsreflexion
(in dB) und der Plattenstärke
(in mils) eine graphische Darstellung hinsichtlich der Empfindlichkeit
bezüglich Änderungen
in der Stärke
des Dielektrikums;
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9 ist
in einem Koordinatensystem des Koeffizienten der Leistungsübertragung
(in dB) und der Frequenz (in GHz) eine graphische Darstellung des
gemessenen Koeffizienten der Leistungsübertragung als eine Funktion
der Frequenz für
den Prototypen eines Fensters, das mit einem Dielektrikum bedeckt
ist;
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10 zeigt
die Kühlung
des Millimeterwellenfensters, bei dem eine Kühlung entlang der Peripherie eingesetzt
wird; und
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11 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
einer Kühlung
des Millimeterwellenfensters, bei der Kühlkanäle eingesetzt werden, die in
das Innere des Fensters eingebracht sind.
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DIE BESTE
ART ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein transparentes metallisches
Millimeterwellenfenster bereitgestellt. Das Fenster ist aus einem
Metall mit einer hohen Leitfähigkeit
hergestellt, wie beispielsweise Kupfer. Man kann eine metallische
Platte erzeugen, die über
einen Bereich von Frequenzen transparent ist, indem man sie mit
einem periodischen Array von Schlitzen perforiert. Durch eine geeignete
Wahl des Abstands und des Durchmessers der Löcher kann man das Fenster bezüglich jeder
gewünschten
Frequenz transparent machen.
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Im
Speziellen ist die vorliegende Erfindung ein metallisches Fenster,
das mit einem Dielektrikum bedeckt ist und das bei Frequenzen im
Millimeterwellenbereich transparent ist. Das Fenster ist aus einer
Metallplatte hergestellt, die durch ein periodisches Array von Löchern perforiert
ist und mit einer dünnen
dielektrischen Platte bedeckt ist. Der Durchmesser der Löcher und
die Periodizität
des Arrays werden so gewählt,
dass die reflektierte Leistung bei der Frequenz, für die das
Fenster ausgelegt ist, minimiert wird. Ein Fenster, das auf gebaut
wurde, um das Konzept darzustellen, wird in der 1 gezeigt.
Das Fenster 10 umfasst eine Metallplatte 12, die
mit einer Vielzahl von Löchern
oder Schlitzen 14 versehen ist. Die Löcher 14 können kreisförmig sein
oder eine andere, nicht-kreisförmige
Form aufweisen, in Abhängigkeit
von der jeweils gewünschten Auslegung.
Die Metallplatte 12 weist ein Metall mit einer hohen Leitfähigkeit
auf, wie z.B. Kupfer, eine Beryllium-Kupfer-Legierung oder Aluminium. Das Array
ist dreieckig, insbesondere aus gleichschenkligen Dreiecken. Des
Weiteren kann das Array vollständig
periodisch über
die Metallplatte 12 sein oder eine sich ändernde
Periodizität
aufweisen, in Abhängigkeit
von der jeweils gewünschten
Auslegung.
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Die
einzelnen Komponenten sind in der 2 gezeigt.
Dabei hält
ein Rückhaltering 16 eine
dielektrische Platte 18 gegen die perforierte Metallplatte 12.
Der Rückhaltering 16 ist
an einem entsprechenden Rückhaltering 12' auf der Peripherie
der perforierten Metallplatte 12 mittels einer Vielzahl
von beabstandeten Befestigungselementen befestigt, wie beispielsweise
Schrauben 19. Die dielektrische Platte weist ein dielektrisches
Material auf, wie beispielsweise Quarzglas, Aluminiumoxid, Saphir,
oder mittels Gasphasenabscheidung (CVD) erzeugten Diamant.
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Ein
solches Fenster 10 sollte sich besonders bei Frequenzen
im Millimeterwellenbereich als nützlich erweisen,
wo die meisten dielektrischen Materialien nur schlecht für die Verwen dung
als Fenster geeignet sind, und zwar aufgrund ihrer hohen Verlusttangenten
und schlechten thermischen Leitfähigkeit.
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Als
Beispiel sei angeführt,
dass Gyrotrone hoher Leistung im Millimeterwellenbereich gebaut
worden sind mit Ausgangsleistungen von bis zu 1 MW und Frequenzen
von bis zu 140 GHz. Bei Leistungen im Megawattbereich ist die Pulslänge nur
dadurch begrenzt worden, dass ein Material für das Ausgangsfenster fehlte, das
in der Lage ist, die Leistung zu übertragen, ohne zu überhitzen.
Ausgangsfenster für
Gyrotrone sind traditionell aus Saphir aufgebaut worden und in letzter
Zeit aus CVD-Diamant.
CVD-Diamant ist ein vorzügliches Material,
aus dem Ausgangsfenster für
Gyrotrone aufgebaut werden können,
da es eine niedrige Verlusttangente, exzellente mechanische Eigenschaften
und eine thermische Leitfähigkeit
hat, die mehr als zweimal so groß ist wie die von Kupfer. Unglücklicherweise
kann man es nur schwer wachsen lassen und es ist nur von wenigen
Quellen verfügbar,
was es sehr teuer macht.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine leistungsfähige, kostengünstige Alternative
zu Diamant für
Ausgangsfenster für
Gyrotrone und für
andere Anwendungen. Obwohl die thermische Leitfähigkeit der dielektrischen
Platte 18 viel geringer ist als die von Diamant, muss jegliche
Hitze, die in dem Dielektrikum erzeugt wird, nur in die perforierte
Metallplatte 12 fließen,
von wo aus sie schnell zu den Kühlkanälen (nicht
dargestellt) an dem Rand der Platte geleitet wird. Obwohl die perforierte
metallische Platte 12 eine thermische Leitfähigkeit hat,
die weniger als halb so groß ist
wie die von Diamant, wird die gesamte thermische Leitfähigkeit
des Fensters nicht nur durch die thermische Leitfähigkeit
des Materials, aus dem es aufge baut ist, bestimmt, sondern auch
durch ihre Stärke
bzw. Dicke. Allgemein gilt, dass bei einem gegebenen Material und
einer Stärke
des Fensters die thermische Leitfähigkeit proportional zu dem
Produkt der thermischen Leitfähigkeit
des Fenstermaterials und seiner Stärke ist, so dass eine Erhöhung der
Stärke
des Fensters um einen Faktor 2 zu einer Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit
um denselben Faktor führt.
Um Reflexionen gering zu halten, wird die Stärke eines rein dielektrischen
Fensters üblicherweise
als ein ungeradzahliges Vielfaches von λ/2 gewählt (wobei λ die Wellenlänge innerhalb des Materials
ist). Bei 95 GHz ist ein λ/2-Diamant-Fenster
0,66 mm (26 mils) dick und ein 3λ/2-Diamant-Fenster
2,06 mm (81 mils) dick (und wird erheblich viel mehr kosten als
ein λ/2-Diamant-Fenster).
Die vorliegende Erfindung leidet nicht an dieser Beschränkung hinsichtlich
der Stärke. Jeder
geeignete Wert kann für
die Stärke
des Fensters 10 gewählt
werden; sobald die Stärke
der zugrunde liegenden metallischen Platte 12 und die dielektrische
Abdeckung 18 gewählt
worden sind, kann das Muster der Löcher und deren Durchmesser
gewählt
werden, um das Fenster bei der gewünschten Betriebsfrequenz transparent
zu machen. Für
den Prototypen des Fensters 10, der in den 1 und 2 gezeigt
ist, ist die perforierte metallische Platte 12 6,35 mm
(250 mils) dick, fast das Zehnfache eines λ/2-Diamant-Fensters. Unter der
Annahme, dass die thermische Leitfähigkeit von Diamant doppelt
so groß ist
wie die der metallischen Platte 12, wird der Prototyp des
metallischen Fensters 10 eine thermische Leitfähigkeit
haben, die ungefähr fünfmal so
groß ist
wie die eines λ/2-Diamant-Fensters.
Zusammengefasst folgt daher, dass die thermische Leistungsfähigkeit
des transparenten metallischen Fensters 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung gleichwertig oder besser sein kann als die eines Diamant-Fensters,
und zwar zu einem Bruchteil der Kosten.
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In 1 wird
die dielektrische Platte 18 gegen die perforierte Metallplatte 12 mittels
eines Rückhalterings 16 an
ihrem Platz gehalten. Für
viele Anwendungen ist die Abdeckung, die ein Fenster dieses Typs
bereitstellt, angemessen. Für
Anwendungen jedoch, bei denen eine Seite des Fensters auf einem
sehr niedrigen Druck gehalten werden muss (z.B. das Innere eines
Gyrotrons, wo der Druck bei ungefähr 133 × 10–9 Pa
(10–9 torr)
gehalten werden muss), benötigt
man ein anderes Verfahren für
die Konstruktion. Da viele Keramiken (Aluminiumoxid, Diamant und
Saphir, zum Beispiel) für
ein Hartlöten
auf Kupfer metallisiert werden können, können dielektrische
Platten 18, die aus diesen Materialien gemacht sind, direkt
auf eine Fensterstruktur aus Kupfer hartgelötet werden, wodurch sich ein
viel besserer Vakuumverschluss ergibt, als es möglich wäre, wenn man einen Rückhaltering 16 verwendet.
Ein solcher Verschluss kann sichergestellt werden, indem man konventionelle
Techniken, die für
einen Aufbau von Keramik-auf-Metall-Verschlüssen bzw. -Dichtungen entwickelt worden
sind, für
die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung adaptiert.
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Eine
mögliche
Verwirklichung eines Keramik-auf-Metall-Vakuumverschlusses, bei der die konventionellen
Techniken des Aufbaus eines Vakuumfensters auf die vorliegende Erfindung
angewendet worden sind, ist in den 3–3a gezeigt;
siehe z.B. J.F. Gittens, Power Travelling-Wave Tubes, Seiten 236–237, American
Elsevier Publishing, New York, N.Y. (1965). Um bei der üblichen
Praxis in dem Industriesegment der Mikrowellenröhren zu bleiben, ist die metallische
Platte 12 vorzugsweise Kupfer.
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Die
Platte 12 enthält
eine dünnwandige
Kupferröhre 20,
an die die keramische Platte 18 hartgelötet wird. Ein doppeltes "Korsett" 22 bestehend
aus einem inneren Ring 24 aus Molybdän und einem äußeren Ring 26 aus
weichem Stahl stellt sicher, dass der Keramik-auf-Metall-Verschluss
bei allen Temperaturen unter leichtem Druck gehalten wird. Nur der
Molybdän-Ring 24 befindet
sich an der Stelle während
des ersten Erwärmens für das Hartlöten; er
ist dafür
ausgelegt, bei Zimmertemperatur einen engen Sitz um die dünnwandige
Kupferröhre 20 herum
zu erzielen. Aufgrund seines niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
wird sich der Molybdän-Ring 24 langsamer
ausdehnen als die dünnwandige
Kupferröhre 20,
wodurch ein enger Kontakt zwischen der Kupferröhre und der keramischen Platte 18 während und
nach dem Prozess des Hartlötens
beibehalten wird. Der äußere Ring 26 aus
weichem Stahl ist für
einen engen Sitz bei den Temperaturen des Hartlötens gemacht, so dass sein
innerer Durchmesser geringfügig
kleiner ist als der äußere Durchmesser
von dem Molybdän-Ring 24 bei
Zimmertemperatur; er wird bei den Temperaturen des Hartlötens an
seinen Platz fallen gelassen. Während
er abkühlt,
zieht sich der äußere Ring 26 aus
Stahl zusammen und bringt den Keramik-auf-Metall-Verschluss in einen
Zustand mit einem kontrollierten Betrag an Kompression; dies stellt
sicher, dass die hartgelöteten
Verbindungen zu keiner Zeit einer Spannung oder einer Scherkraft
ausgesetzt werden, wodurch es ihnen möglich wird, wiederholte Wechsel
der Temperatur zu überleben.
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Eine
noch einfachere Prozedur kann verwendet werden, um einen Vakuumverschluss
in hoher Qualität
aufzubauen, wenn das Material der dielektrischen Platte 18 Quarzglas
ist; in den 4–4a ist
eine mögliche
Realisierung eines solchen Verschlusses gezeigt. Die Fensterbaugruppe 10 besteht
aus der perforierten Kupferplatte 12, die mit einem erhöhten Rand 28 versehen
ist, der einen Molybdän-Ring 30 trägt. Der Molybdän-Ring weist einen
erhöhten
inneren Rand 32 auf, der sich in Richtung der Oberfläche der
perforierten Kupferplatte 12 erstreckt und mit einer Schneidkante 32a abschließt, die
in den erhöhten
Rand 34 eingelassen ist, wodurch sich etwas ergibt, das
als Haushälterverschluss
(Housekeeper's seal) 38 bekannt
ist. Die Platte 18 und die erhöhte Lippe, oder Rand, 34 definieren
eine Quarz-"Tasse". Bei diesem Entwurf
ist kein spezifischer Mechanismus vorgesehen, um einen engen Kontakt
zwischen der Quarz-Tasse und der perforierten Kupferplatte 16 zu
garantieren; ein solcher Kontakt wird durch die Kraft sichergestellt,
die durch den Druck der Atmosphäre
auf die Quarz-Tasse ausgeübt
wird.
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Bei
der besten Art für
die Ausführung
bei Anwendungen mit einem hohen Vakuum wird der Vakuumverschluss
dann zwischen der dielektrischen Platte 18 und der Metallplatte 12 vorgesehen.
Der Fachmann auf dem Gebiet wird anerkennen, dass die hier gezeigten
Lehren nicht auf die Art und Weise beschränkt sind, in der die Vakuumverschlüsse gemäß den 3–3a und 4–4a aufgebaut
sind.
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Die
vorhergesagte Leistungsfähigkeit
des Fensters 10 wurde kalkuliert, indem das endliche Array
der Löcher 14 an
einen unendlichen Array angenähert
wurde, das mittels einer planaren Welle bestrahlt wird. Die Periodizität der Struktur
und die Anregung mittels einer planaren Welle ermöglichen
eine Näherungslösung der reflektierten
und der übertragenen
Felder, und zwar mittels einer Ausbreitung durch eine begrenzte
Anzahl von diskreten planaren Wellen (Floquet-Moden), während die
Felder in den kreisförmigen
Löchern 14 sich
durch eine endliche Zahl von zirkulären Wellenleiter-Moden ausbreiten.
Indem man Kontinuität
hinsichtlich der tangentiellen elektrischen und magnetischen Felder
an den beiden Oberflächen
des Arrays fordert, erhält
man eine Gleichung in Form einer Matrix für die unbekannten Koeffizienten
der Wellenleiter-Moden. Die Amplituden der reflektierten und übertragenen
Floquet-Moden werden dann aus der Lösung dieser Gleichung in Matrixform
abgeleitet. Das computergesteuerte Verfahren, das hier angewendet
wird, basiert z.B. auf C.C. Chen, "Transmission through a conducting screen
perforated periodically with apertures", IEEE Microwave Theory Tech.; Band
MTT-18, Nr. 9, Seiten 627–632
(September 1970).
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Die
Betriebsfrequenz des Fensters
10 wird durch den Durchmesser
der Löcher
14,
die Periodizität
des Arrays
39 und die Stärke der Platte
12 bestimmt.
Die Betriebsfrequenz des Fensters
10, das in den
1 und
2 gezeigt
ist, beträgt
95 GHz. Um ein Verstreuen von Energie in andere Richtungen als die
senkrecht zur Fensteroberfläche
zu vermeiden, muss die Periodizität des Arrays
39 so
gewählt
sein, dass Rasterkeulen (grating lobes) nicht existieren können. Wenn
die Löcher
14 in
einem gleichschenkligen dreieckigen Array
39' angeordnet sind, wie das in
5 gezeigte,
dann kann gezeigt werden, dass keine Rasterkeulen existieren können, wenn
die folgenden Bedingungen erfüllt
sind:
wobei θ der Einfallswinkel des einfallenden
Felds in Bezug auf die Richtung senkrecht zur Oberfläche des Fensters
ist. Das Fenster
10 ist für eine Verwendung bei einem
senkrechten Strahlungseinfall ausgelegt, bei dem θ = 0. Der
Fachmann auf diesem Gebiet wird anerkennen, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf einen senkrechten Strahlungseinfall beschränkt ist
und dass andere Einfallswinkel auch möglich sind.
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Das
Fenster 10, wie es in den 1 und 2 gezeigt
ist, hat die folgenden Dimensionen:
- 2a
- = Lochdurchmesser
= 2,62 ± 0,006
mm (103 ± 0,25
mils);
- α
- = Winkelversatz zwischen
den Löchern
= 60°;
- dx
- = horizontaler Lochabstand
= 3,14 ± 0,013
mm (123,5 ± 0,5
mils);
- dy
- = vertikaler Lochabstand
= dxsinα =
2,72 ± 0,013
mm (107,0 ± 0,5
mils);
- D
- = Plattenstärke = 6,35 ± 0,013
mm (250 ± 0,5
mils);
- L
- = Stärke des
Dielektrikums = 0,92 ± 0,006
mm (36 ± 0,25
mils); und
- εr
- = dielektrische Konstante
= 3,827 (Corning 7940 Quarzglas bei 95 GHz).
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Ersetzt
man dx, dy (für α = 60°) und λ = 3, 15
mm (124,2 mils) (bei 95 GHz) für θ = 0, erkennt
man, dass alle drei Bedingungen erfüllt sind, so dass Rasterkeulen
bei einer solchen Auslegung nicht existieren können. Wenn ein Betrieb gewünscht ist
bei einem anderen als dem senkrechten Strahlungseinfall, d.h. wenn θ ≠ 0 ist, dann
unterliegen die Lochabstände
dx und dy den zuvor
genannten Randbedingungen, um die Existenz von Rasterkeulen bei
dem gewünschten
Wert von θ zu
verhindern. Innerhalb dieser Randbedingungen muss man den Lochdurchmesser
2a, die Plattenstärke
D und, für
ein gegebenes dielektrisches Material, die Stärke des Dielektrikums L auswählen, um
eine Transparenz bei der gewünschten
Betriebsfrequenz zu erzielen.
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Die
vorhergesagte Leistungsfähigkeit
des Fensters 10 ist in den 6, 7 und 8 dargestellt. 6 zeigt
den Koeffizienten der Leistungsübertragung
als eine Funktion der Frequenz sowohl für vertikal als auch horizontal
polarisierte einfallende Wellen. Da sich jede einfallende Welle
in vertikal und horizontal polarisierte Komponenten zerlegen lässt, ist
dieser Figur zu entnehmen, dass das Fenster nahezu 100 % der einfallenden
Leistung bei der vorgesehenen Frequenz von 95 GHz übertragen
wird, unabhängig
von der Polarisation des einfallenden Felds. Verluste in dem Leiter 12 und
im Dielektrikum 18 werden natürlich zu einem begrenzten Verlust
führen;
diese Ergebnisse zeigen an, dass solche Verluste eher niedrig sein
sollten. Außerdem sagen
die Berechnungen voraus, dass das Fenster 10 über eine
vernünftige
Bandbreite verfügen
wird.
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Periodische
Strukturen haben oft den unerwünschten
Effekt, dass kreuzpolarisierte reflektierte und transmittierte Komponenten
von Feldern erzeugt werden, d.h. Komponenten von elektrischen Feldern,
die senkrecht zu dem einfallenden Strahlungsfeld sind. 7 zeigt,
dass dies nicht der Fall ist bei dem Fenster 10 der vorliegenden
Erfindung. 7 zeigt die Koeffi zienten der
kreuzpolarisierten Leistungsreflexion und -transmission als Funktionen
der Frequenz. Da sowohl die Koeffizienten der Reflexion als auch
der Transmission kleiner sind als –68 dB über das gesamte Band, das von
Interesse ist, wird damit so gut wie kein Teil der einfallenden
Welle in kreuzpolarisierte reflektierte oder transmittierte Komponenten
gewandelt.
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Die
Empfindlichkeit der Leistungsfähigkeit
des Fensters hinsichtlich der verschiedenen Dimensionen wurde bereits
im Detail erörtert.
Die Toleranzen, die für
die Dimensionen der perforierten metallischen Platte 12 angegeben
wurden, wurden auf der Grundlage dieser Berechnungen abgeleitet.
Außerdem
hat die Erfahrung in der Vergangenheit mit Strukturen von diesem
Typ (ohne die dielektrische Abdeckung) eine Indikation gegeben,
dass die metallische Platte 12 die gewünschte Leistungsfähigkeit
liefern sollte, wenn sie die angegebenen Toleranzen erfüllt. Die
Leistungsfähigkeit
des Fensters ist am empfindlichsten hinsichtlich der Stärke der
dielektrischen Platte 18, wie es in 8 dargestellt
ist. Bei diesem Beispiel ist die dielektrische Platte 18 aus
einem Corning 7940 Quarzglas gemacht, dessen dielektrische Konstante
3,827 bei 95 GHz ist. Dabei ist zu beachten, dass dieses Material
nicht für
die Verwendung in einer Umgebung mit einem hohen Vakuum geeignet
ist, da Quarzglas porös
ist und keine Vakuumabdichtung bereitstellen kann. Dieses Material
wurde verwendet, um den Prototyp eines Fensters aufzubauen, da es
preiswert ist und weil seine dielektrische Konstante und Verlusttangente
bei 95 GHz bekannt sind.
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Wie
in der 8 gezeigt ist, steigt der Koeffizient der Leistungsreflexion
von nahezu –55
dB bei L = 0,914 mm (36 mils) auf weniger als –30 dB bei L = 0, 908 mm (35,
75 mils) oder L = 0,921 mm (36,25 mils) an, was für die meisten
Verwendungen immer noch akzeptabel ist (eingeschlossen die Verwendung
bei einem Ausgangsfenster für
ein Gyrotron mit hoher Leistung).
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Die
Leistungsfähigkeit
des transparenten Millimeterwellenfensters 10 wurde getestet,
indem es mit einem Gauss'schen
Millimeterwellenstrahl bestrahlt wurde, der mittels einer Linsenantenne
erzeugt wurde. Das Fenster 10 wurde am Bauch des Gauss'schen Strahls positioniert,
und eine zweite Linsenantenne wurde verwendet, um den übertragenen
Strahl zu empfangen. Die gemessenen Werte der Koeffizienten der
Leistungsübertragung
sind als eine Funktion von der Frequenz in der 9 abgetragen.
Der Koeffizient der Leistungsübertragung
ist im Wesentlichen flach über
den Bereich der gezeigten Frequenzen und ist weniger als 0,1 dB bei
der vorgesehenen Frequenz von 95 GHz, so dass mehr als 98 % der
einfallenden Leistung vom Fenster 10 übertragen werden.
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In
Fällen,
wo Strahlen mit einer hohen Energiedichte verwendet werden, wie
z.B. Strahlen mit 100 kW bis 1 MW und einem Durchmesser von 5,08
bis 7,62 cm (2 bis 3 Inches), wie man es üblicherweise bei Gyrotronen
findet, kann es wünschenswert
sein, das Fenster 10 zu kühlen. Die Kühlung kann erreicht werden,
indem man entlang der Ränder
mit einem Kühlmantel 40 kühlt, wie
es in der 10 dargestellt ist, oder indem man
Kühlkanäle 42 in
das Innere des metallischen Fensters 10 einbringt, wie
es in 11 gezeigt ist. Die davor genannte
Figur basiert auf dem Ausführungsbeispiel
mit Vakuum, das in 5 gezeigt ist, während die letztgenannte
Figur auf dem Ausführungsbeispiel
mit Vakuum basiert, das in 4 gezeigt
ist. Jedoch ist die Methode der Kühlung nicht beschränkt auf
eine bestimmte Ausführung
mit Vakuum noch auf irgendeine Ausführung mit Vakuum überhaupt.
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Zusammenfassend
gesagt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein metallisches
Millimeterwellenfenster 10. Das Fenster 10 besteht
aus einer metallischen Platte 12, die mittels eines periodischen
Arrays 39 aus koppelnden Löchern 14 besteht und
die mit einer dünnen
dielektrischen Platte 18 bedeckt ist. Der Durchmesser der
Löcher 14,
die Dimensionen des Arrays und die Stärke der metallischen Platte 12 und
der dielektrischen Platte 18 werden so ausgewählt, dass
sich eine maximale Übertragung
(Transmission) und eine minimale Reflexion bei der vorgesehenen
Frequenz ergibt. Messungen, die am Prototyp des Fensters vorgenommen
wurden, bestätigen
das Konzept des metallischen Fensters.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Es
wird erwartet, dass das transparente metallische Millimeterwellenfenster
Verwendung bei einer Vielzahl von Anwendungen im Millimeterwellenbereich
finden wird, wie beispielsweise bei Gyrotronen.
wobei θ der Einfallswinkel des einfallenden Felds in Bezug auf die Richtung senkrecht zur Oberfläche des Fensters ist. Das Fenster
