EP0465845A2 - Microwave window - Google Patents

Microwave window Download PDF

Info

Publication number
EP0465845A2
EP0465845A2 EP91109462A EP91109462A EP0465845A2 EP 0465845 A2 EP0465845 A2 EP 0465845A2 EP 91109462 A EP91109462 A EP 91109462A EP 91109462 A EP91109462 A EP 91109462A EP 0465845 A2 EP0465845 A2 EP 0465845A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pane
microwaves
window
microwave window
window according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP91109462A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0465845A3 (en
Inventor
Dr. Jödicke
Dr. Mathews
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Publication of EP0465845A2 publication Critical patent/EP0465845A2/en
Publication of EP0465845A3 publication Critical patent/EP0465845A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/08Dielectric windows

Definitions

  • the invention relates to a microwave window of high bandwidth for linearly polarized microwaves of high power, comprising at least one pane which is transparent to microwaves and has plane-parallel, planar main surfaces.
  • the quasi-optical gyrotron as described, for example, in patent CH-664045 or in the article "The gyrotron, key component for High power microwave transmitter ", HG Mathews, Minh Quang Tran, Brown Boveri Review 6-1987, pp. 303-307, has already shown that it can be tuned in frequency over a relatively wide range.
  • the microwave window is required not to reflect for the desired frequency. In addition, it should also be low-reflection for neighboring frequencies in order to avoid unwanted oscillations.
  • a coolable double-pane window is known from the report "Development of the Technological Basis of a Heavy-Duty Coupling Window for a 200 kW Long-Pulse Gyrotron at 140 GHz", Rudolf Bachmor, ITG Technical Report Vacuum Electronics and Displays of the ITG Conference from May 8-10, 1989.
  • This double window consists of two ceramic panes that are perpendicular to the direction of propagation of the microwaves and e.g. be cooled by a coolant. It forms a Fabry-Perot resonator, the frequency of which depends on the distance between the panes. The thickness of the pane is usually chosen so that the window works for the main frequency without reflection. For every other desired frequency, the disc distance is set to optimal transmission.
  • a broadband window is the so-called moth eye window.
  • the ceramic disc forming the window is perpendicular to the direction of propagation of the microwaves.
  • the surface of the ceramic is provided with pyramids that create an impedance matching.
  • the height of these pyramids corresponds to at least a quarter of the wavelength of the desired center frequency. In this way it was possible to build a window with a relatively large bandwidth.
  • the object of the invention is therefore to provide a microwave window of the type mentioned at the outset which has good transmission properties over a large frequency range and avoids the problems existing in the prior art.
  • the solution is that the disk is inclined with respect to a direction of propagation of the microwaves, and in such a way that the angle between the direction of propagation and the disk normal corresponds to the Brewster angle ⁇ B and a plane formed by the direction of propagation and the disk normal is coplanar with the direction of polarization of the microwaves.
  • the essence of the invention is that the linear polarization of the microwaves, which is often already fundamentally dependent on the generation (such as, for example, in the case of the quasi-optical gyrotron), is used to optimally interact with the known Brewster principle. It is of course quite conceivable that the microwaves will only be polarized linearly after they have been generated. However, the advantage of the invention is particularly evident when the incoming waves are "naturally" linearly polarized, that is, if they are already previous component in the beam path or the microwave tube automatically brings about polarization.
  • An essential advantage of the invention is that there is in principle no frequency dependence of the transmission of the window. A maximum of one frequency dependence of the media's refractive indices can affect the bandwidth. However, this is negligibly small in the frequency range of interest.
  • the Brewster angle ⁇ B arctan n2 / n1 is typically between a good 50 ° and a good 75 ° for the materials of interest.
  • Sapphire with a refractive index of n2 3.4 requires (compared to vacuum) an angle of inclination of approximately 74 °.
  • ⁇ B 55 °. Ceramics essentially move in this area.
  • the microwave window preferably comprises two parallel panes which are cooled by a cooling liquid. This embodiment is particularly suitable for high performance.
  • the window has exactly one pane. This means that there is a variant that is suitable for low and medium capacities and that is less complex and less expensive.
  • cooling fins are preferably provided which are oriented perpendicular to the direction of polarization (see Swiss patent application CH-2314 / 89-2).
  • the disc can be elliptical or circular.
  • the sectional figure between a cylinder (waveguide) and a plane inclined to the cylinder axis (disk plane) is an ellipse. From a design point of view, it may also be desirable to use a circular window. Then for optimal transmission the radius of the round disc of the large semi-axis corresponds to the sectional figure.
  • a smaller radius preferably larger than the small semiaxis may also suffice.
  • the microwave window according to the invention is particularly well suited as an exit window of a quasi-optical gyrotron. In principle, this produces linearly polarized microwaves in the millimeter and submillimeter range.
  • fusion chambers e.g. tokamak
  • microwave calorimeters are typical consumers.
  • Another application example is the window after a Vlasov converter. This converts a guided mode into a linearly polarized Gaussian wave.
  • Fig. 1 shows a window according to the invention, e.g. is used in a quasi-optical gyrotron.
  • a quasi-optical resonator which is essentially formed by two mirrors lying opposite one another. 1 shows one of the two mirrors 1 and the vessel wall 2 of the gyrotron.
  • the remaining parts of the gyrotron are well known from the prior art cited at the beginning. A detailed description is not necessary at this point.
  • the microwaves coupled out of the resonator are linearly polarized. They run along a direction of propagation 3 towards the microwave window, which closes the evacuated tube vessel of the gyrotron from the outside (e.g. waveguide 5).
  • the microwave window comprises a pane 4 which is transparent to microwaves and which is inclined with respect to the direction of propagation 3.
  • the microwave window according to the invention is also characterized by the fact that the pane used has plane-parallel main surfaces. So there is no need for a surface structure like, for example, the moth eye window. No flashovers can occur.
  • the incident microwaves are linearly polarized.
  • the electric field vector E is coplanar with a plane spanned by the disk normal n and the direction of propagation 3.
  • Sapphire with a refractive index n2 ⁇ 3.4 is suitable as the disc material.
  • angles are between 50 ° and 75 °, i.e. they are relatively large.
  • the area of the disc is therefore not larger than necessary, which has a positive effect on its mechanical stability.
  • Fig. 2 shows an inventive microwave window with cooling fins 6.1, ..., 6.3.
  • the transparent pane breaks down into several sub-panes 4.1, .., 4.4.
  • the cooling fins 6.1, ..., 6.3 are, for example, metal pipes and give the disc greater stability. They are aligned perpendicular to the electric field vector E (polarization direction). For this reason they are not "seen" by the microwave radiation.
  • FIG. 3 finally shows a microwave window which has two parallel panes 7.1 and 7.2. They are inclined according to the Brewster angle. A coolant 8 flows between the two disks 7.1, 7.2.
  • the distance between the two parallel disks 7.1, 7.2 is less than their thickness.
  • the advantage in close proximity is the correspondingly high flow rate of the coolant.
  • the window according to the invention can advantageously be used wherever linearly polarized microwaves occur. In particular, it can be used as an entry window for consumers.
  • the calorimeter is an example.
  • Another application is the fusion chamber (e.g. tokamak), when a HE11 wave is irradiated.
  • the invention is also suitable for a Vlasov coupler, such as that e.g. from "An X-Band Vlasov-Type Mode Convertor", B.G. Ruth et al., 13th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, 5-9 Dec 1988, pp. 119-120.

Landscapes

  • Microwave Tubes (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Waveguide Connection Structure (AREA)
  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)

Abstract

A wide bandwidth microwave window has at least one pane which is inclined with respect to the propagation direction of the microwaves in accordance with the Brewster angle. The pane, which is transparent for microwaves, has plane-parallel, flat main surfaces. A plane formed by the propagation direction and the normal to the pane is in the same plane as the polarisation direction of the microwaves. Said window is suitable as a decoupling window for a quasi-optical gyrotron or as an inlet window of a fusion chamber or of a microwave calorimeter. <IMAGE>

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenfenster hoher Bandbreite für linear polarisierte Mikrowellen hoher Leistung, umfassend mindestens eine für Mikrowellen transparente Scheibe mit planparallelen, ebenen Hauptflächen.The invention relates to a microwave window of high bandwidth for linearly polarized microwaves of high power, comprising at least one pane which is transparent to microwaves and has plane-parallel, planar main surfaces.

Stand der TechnikState of the art

Für den Einsatz von Mikrowellen für die Fusionsforschung ist es wünschenswert, die Quelle (Sender) in der Frequenz verändern zu können, ohne eine starke Leistungsreduktion in Kauf nehmen zu müssen. Diese Frequenzänderung soll auch schnell geschehen können, um möglicherweise auf physikalische Vorgänge im Plasma reagieren zu können.When using microwaves for fusion research, it is desirable to be able to change the frequency of the source (transmitter) without having to accept a large reduction in power. This frequency change should also be able to happen quickly in order to possibly be able to react to physical processes in the plasma.

Diese Bedingungen stellen hohe Anforderungen sowohl an die Mikrowellenerzeugung als auch an das Vakuumfenster der Mikrowellenröhre.These conditions place high demands on both the microwave generation and the vacuum window of the microwave tube.

Das quasi-optische Gyrotron, wie es z.B. im Patent CH-664045 oder im Artikel "Das Gyrotron, Schlüsselkomponente für Hochleistungs-Mikrowellensender", H.G. Mathews, Minh Quang Tran, Brown Boveri Review 6-1987, pp. 303-307, beschrieben ist, hat bereits gezeigt, dass es über einen relativ weiten Bereich in der Frequenz abgestimmt werden kann.The quasi-optical gyrotron, as described, for example, in patent CH-664045 or in the article "The gyrotron, key component for High power microwave transmitter ", HG Mathews, Minh Quang Tran, Brown Boveri Review 6-1987, pp. 303-307, has already shown that it can be tuned in frequency over a relatively wide range.

Für das Mikrowellenfenster wird gefordert, dass es für die erwünschte Frequenz nicht reflektiert. Ausserdem sollte es auch für benachbarte Frequenzen reflexionsarm sein, um unerwünschte Oszillationen vermeiden zu können.The microwave window is required not to reflect for the desired frequency. In addition, it should also be low-reflection for neighboring frequencies in order to avoid unwanted oscillations.

Aus dem Bericht "Entwicklung der technologischen Grundlagen eines hochbelastbaren Auskoppelfensters für ein 200 kW Langpulsgyrotron bei 140 GHz", Rudolf Bachmor, ITG-Fachbericht Vakuumelektronik und Displays der ITG-Fachtagung vom 8. bis 10. Mai 1989, ist beispielsweise ein kühlbares Doppelscheibenfenster bekannt. Dieses Doppelfenster besteht aus zwei Keramikscheiben, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen stehen und z.B. von einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Es bildet also ein Fabry-Perot Resonator, dessen Frequenz bekanntlich vom Abstand der Scheiben abhängt. Die Dicke der Scheibe wird üblicherweise so gewählt, dass das Fenster insgesamt für die Hauptfrequenz reflexionsfrei arbeitet. Für jede andere gewünschte Frequenz wird der Scheibenabstand auf optimale Transmission eingestellt.For example, a coolable double-pane window is known from the report "Development of the Technological Basis of a Heavy-Duty Coupling Window for a 200 kW Long-Pulse Gyrotron at 140 GHz", Rudolf Bachmor, ITG Technical Report Vacuum Electronics and Displays of the ITG Conference from May 8-10, 1989. This double window consists of two ceramic panes that are perpendicular to the direction of propagation of the microwaves and e.g. be cooled by a coolant. It forms a Fabry-Perot resonator, the frequency of which depends on the distance between the panes. The thickness of the pane is usually chosen so that the window works for the main frequency without reflection. For every other desired frequency, the disc distance is set to optimal transmission.

Dieses Prinzip funktioniert für praktisch jeden Mode im Hohlleiter, im eingeschränkten Mass sogar für Modengemische. Der Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass die Frequenzanpassung mechanisch und daher langsam erfolgt.This principle works for practically every fashion in the waveguide, to a limited extent even for fashion mixtures. The disadvantage of this solution, however, is that the frequency adjustment takes place mechanically and therefore slowly.

Ein breitbandiges Fenster ist das sog. Mottenaugenfenster. Die das Fenster bildende Keramikscheibe steht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen. Die Oberfläche der Keramik ist jedoch mit Pyramiden versehen, die eine Impedanzanpassung erzeugen. Die Höhe dieser Pyramiden entspricht mindestens einem Viertel der Wellenlänge der erwünschten Mittenfrequenz. Auf diese Weise ist es gelungen, ein Fenster mit relativ grosser Bandbreite zu bauen.A broadband window is the so-called moth eye window. The ceramic disc forming the window is perpendicular to the direction of propagation of the microwaves. However, the surface of the ceramic is provided with pyramids that create an impedance matching. The height of these pyramids corresponds to at least a quarter of the wavelength of the desired center frequency. In this way it was possible to build a window with a relatively large bandwidth.

Dieses Prinzip funktioniert ebenfalls modenunabhängig. Allerdings ist der Aufwand zur Herstellung solcher Fenster sehr gross. Unbekannt ist ferner das Verhalten der Keramik-Spitzen bei sehr hohen Feldstärken, wo im allgemeinen mit Ueberschlägen zu rechnen ist.This principle also works regardless of the mode. However, the effort to manufacture such windows is very large. What is also unknown is the behavior of the ceramic tips at very high field strengths, where arcing is generally to be expected.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Mikrowellenfenster der eingangs genannten Art anzugeben, welches gute Durchlasseigenschaften über einen grossen Frequenzbereich hinweg aufweist und die beim Stand der Technik vorhandenen Probleme vermeidet.The object of the invention is therefore to provide a microwave window of the type mentioned at the outset which has good transmission properties over a large frequency range and avoids the problems existing in the prior art.

Erfindungsgemäss besteht die Lösung darin, dass die Scheibe gegenüber einer Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen geneigt ist und zwar so, dass der Winkel zwischen Ausbreitungsrichtung und Scheibennormalen dem Brewster-Winkel αB entspricht und eine durch Ausbreitungsrichtung und Scheibennormale gebildete Ebene komplanar zur Polarisationsrichtung der Mikrowellen ist.According to the invention, the solution is that the disk is inclined with respect to a direction of propagation of the microwaves, and in such a way that the angle between the direction of propagation and the disk normal corresponds to the Brewster angle α B and a plane formed by the direction of propagation and the disk normal is coplanar with the direction of polarization of the microwaves.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die lineare Polarisation der Mikrowellen, die oft schon durch die Erzeugung grundsätzlich bedingt ist (wie z.B. beim quasi-optischen Gyrotron) ausgenützt wird, um mit dem bekannten Brewster-Prinzip optimal zusammenzuwirken. Es ist natürlich durchaus denkbar, die Mikrowellen erst nach ihrer Erzeugung zwangsweise linear zu polarisieren. Der Vorteil der Erfindung kommt aber vorallem dann zum Tragen, wenn die eintreffenden Wellen "natürlicherweise" linear polarisiert sind, wenn also schon die im Strahlengang vorhergehende Komponente resp. die Mikrowellenröhre von selbst die Polarisation mit sich bringt.The essence of the invention is that the linear polarization of the microwaves, which is often already fundamentally dependent on the generation (such as, for example, in the case of the quasi-optical gyrotron), is used to optimally interact with the known Brewster principle. It is of course quite conceivable that the microwaves will only be polarized linearly after they have been generated. However, the advantage of the invention is particularly evident when the incoming waves are "naturally" linearly polarized, that is, if they are already previous component in the beam path or the microwave tube automatically brings about polarization.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Frequenzabhängigkeit der Transmission des Fensters vom Prinzip her nicht besteht. Höchstens eine Frequenzabhängigkeit der Brechungsindizes der Medien kann sich auf die Bandbreite auswirken. Diese ist aber im interessierenden Frequenzbereich vernachlässigbar klein.An essential advantage of the invention is that there is in principle no frequency dependence of the transmission of the window. A maximum of one frequency dependence of the media's refractive indices can affect the bandwidth. However, this is negligibly small in the frequency range of interest.

Der Brewster-Winkel αB = arctan n₂/n₁ liegt bei den interessierenden Materialien typischerweise zwischen gut 50° und gut 75°. Saphir mit einem Brechungsindex von n₂ = 3.4 verlangt (gegenüber Vakuum) einen Neigungswinkel von etwa 74°. Bei Teflon mit n₂ = 1.45 ist αB = 55°. Keramiken bewegen sich im wesentlichen in diesem Bereich.The Brewster angle α B = arctan n₂ / n₁ is typically between a good 50 ° and a good 75 ° for the materials of interest. Sapphire with a refractive index of n₂ = 3.4 requires (compared to vacuum) an angle of inclination of approximately 74 °. For Teflon with n₂ = 1.45, α B = 55 °. Ceramics essentially move in this area.

Vorzugsweise umfasst das Mikrowellenfenster zwei parallele Scheiben, die von einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Diese Ausführungsform ist vorallem für hohe Leistungen geeignet.The microwave window preferably comprises two parallel panes which are cooled by a cooling liquid. This embodiment is particularly suitable for high performance.

Gemäss einer besonders einfachen Ausführungsform weist das Fenster genau eine Scheibe auf. Damit liegt eine für niedere und mittlere Leistungen geeignete Variante vor, die weniger aufwendig und kostengünstiger ist.According to a particularly simple embodiment, the window has exactly one pane. This means that there is a variant that is suitable for low and medium capacities and that is less complex and less expensive.

Falls eine Kühlung auch beim Einscheibenfenster gewünscht wird, dann werden vorzugsweise Kühlrippen vorgesehen, die senkrecht zur Polarisationsrichtung ausgerichtet sind (siehe Schweizer Patentanmeldung CH-2314/89-2).If cooling is also desired for the single-pane window, cooling fins are preferably provided which are oriented perpendicular to the direction of polarization (see Swiss patent application CH-2314 / 89-2).

Die Scheibe kann ellipsenförmig oder kreisrund sein. Grundsätzlich ist die Schnittfigur zwischen einem Zylinder (Wellenleiter) und einer zur Zylinderachse geneigten Ebene (Scheibenebene) eine Ellipse. Aus konstruktiven Ueberlegungen kann es aber durchaus auch wünschenswert sein, ein kreisrundes Fenster einzusetzen. Für eine optimale Transmission müsste dann der Radius der runden Scheibe der grossen Halbachse der Schnittfigur entsprechen. Im quasi-optischen Fall, d.h. wenn die Mikrowellen nicht vom Wellenleiter geführt sind, sondern sich nahezu unter Freiraumbedingungen ausbreiten, mag aber auch ein geringerer Radius (vorzugsweise grösser als die kleine Halbachse) genügen.The disc can be elliptical or circular. Basically, the sectional figure between a cylinder (waveguide) and a plane inclined to the cylinder axis (disk plane) is an ellipse. From a design point of view, it may also be desirable to use a circular window. Then for optimal transmission the radius of the round disc of the large semi-axis corresponds to the sectional figure. In the quasi-optical case, ie when the microwaves are not guided by the waveguide, but spread almost under open space conditions, a smaller radius (preferably larger than the small semiaxis) may also suffice.

Das erfindungsgemässe Mikrowellenfenster eignet sich besonders gut als Austrittsfenster eines quasi-optischen Gyrotrons. Dieses produziert nämlich vom Prinzip her bereits linear polarisierte Mikrowellen im Millimeter- und Submillimeterbereich.The microwave window according to the invention is particularly well suited as an exit window of a quasi-optical gyrotron. In principle, this produces linearly polarized microwaves in the millimeter and submillimeter range.

Weitere Anwendungen ergeben sich im Zusammenhang mit dem Verbraucher. Im Bereich der Fusionsforschung sind Fusionskammern (z.B. Tokamak) und Mikrowellenkalorimeter typische Verbraucher.Further applications arise in connection with the consumer. In the field of fusion research, fusion chambers (e.g. tokamak) and microwave calorimeters are typical consumers.

Ein weitere Anwendungsbeispiel ist das Fenster nach einem Vlasov-Konverter. Dieser wandelt einen geführten Mode in eine linear polarisierte Gauss'sche Welle um.Another application example is the window after a Vlasov converter. This converts a guided mode into a linearly polarized Gaussian wave.

Aus der Gesamtheit der abhängigen Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen.Further advantageous embodiments result from the totality of the dependent claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

  • Fig. 1 eine Darstellung der Scheibe und der Brewster'schen Geometrie;
  • Fig. 2 ein Einscheibenfenster mit Kühlrippen; und
  • Fig. 3 ein Doppelscheibenfenster.
The invention is to be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and in connection with the drawings. Show it:
  • 1 shows a representation of the disk and the Brewster geometry;
  • 2 shows a single-pane window with cooling fins; and
  • Fig. 3 shows a double pane window.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenfassend aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.The reference symbols used in the drawings and their meaning are summarized in the list of designations. In principle, the same parts are provided with the same reference symbols in the figures.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemässes Fenster, wie es z.B. in einem quasi-optischen Gyrotron zum Einstz kommt. Bei einem solchen Gyrotron wird in einem quasi-optischen Resonator, welcher im wesentlichen durch zwei einander gegenüberliegende Spiegel gebildet ist, ein elektromagnetisches Wechselfeld angeregt. In Fig. 1 ist der eine der beiden Spiegel 1 und die Gefässwand 2 des Gyrotrons gezeigt. Die übrigen Teile des Gyrotrons sind aus dem eingangs zitierten Stand der Technik hinlänglich bekannt. Eine detailierte Beschreibung erübrig sich an dieser Stelle.Fig. 1 shows a window according to the invention, e.g. is used in a quasi-optical gyrotron. In such a gyrotron, an alternating electromagnetic field is excited in a quasi-optical resonator, which is essentially formed by two mirrors lying opposite one another. 1 shows one of the two mirrors 1 and the vessel wall 2 of the gyrotron. The remaining parts of the gyrotron are well known from the prior art cited at the beginning. A detailed description is not necessary at this point.

Die aus dem Resonator ausgekoppelten Mikrowellen sind linear polarisiert. Sie laufen entlang einer Ausbreitungsrichtung 3 auf das Mikrowellenfenster zu, welches das evakuierte Röhrengefäss des Gyrotrons gegen aussen (z.B. Wellenleiter 5) abschliesst.The microwaves coupled out of the resonator are linearly polarized. They run along a direction of propagation 3 towards the microwave window, which closes the evacuated tube vessel of the gyrotron from the outside (e.g. waveguide 5).

Das Mikrowellenfenster umfasst eine für Mikrowellen transparente Scheibe 4, welche gegenüber der Ausbreitungsrichtung 3 geneigt ist. Der Winkel αB zwischen einer Scheibennormalen n und der Ausbreitungsrichtung 3 entspricht dem Brewster Winkel, d.h. es gilt αB = arctan n₂/n₁. Dabei ist n₂ der Brechungsindex des Scheibenmaterials und n₁ derjenige des die Scheibe umgebenden Mediums, im vorliegenden Fall des Vakuums, d.h. n₁ = 1.The microwave window comprises a pane 4 which is transparent to microwaves and which is inclined with respect to the direction of propagation 3. The angle α B between a disc normal n and the direction of propagation 3 corresponds to the Brewster angle, that is, α B = arctan n₂ / n₁. N₂ is the refractive index the disk material and n 1 that of the medium surrounding the disk, in the present case the vacuum, ie n 1 = 1.

Das erfindungsgemässe Mikrowellenfenster zeichnet sich auch aus durch die Tatsache, dass die verwendete Scheibe planparallele Hauptflächen aufweist. Es ist also keine Oberflächenstruktur erforderlich wie beispielsweise beim Mottenaugenfenster. Es können somit auch keine Ueberschläge auftreten.The microwave window according to the invention is also characterized by the fact that the pane used has plane-parallel main surfaces. So there is no need for a surface structure like, for example, the moth eye window. No flashovers can occur.

Die einfallenden Mikrowellen sind linear polarisiert. Der elektrische Feldvektor E steht komplanar zu einer Ebene, die durch die Scheibennormale n und die Ausbreitungsrichtung 3 aufgespannt wird.The incident microwaves are linearly polarized. The electric field vector E is coplanar with a plane spanned by the disk normal n and the direction of propagation 3.

Als Scheibenmaterial eignet sich z.B. Saphir mit einem Brechungsindex n₂ ≈ 3.4. Für den Neigungswinkel ergibt sich αB = 74°. Ebenfalls bevorzugt ist ein unter dem Handelsnamen Teflon allgemein bekanntes Material. Aufgrund des Brechungsindexes von n₂ ≈ 1.45 ergibt sich αB = 55°. Auch Keramiken sind bei der Erfindung verwendbar.Sapphire with a refractive index n₂ ≈ 3.4 is suitable as the disc material. The angle of inclination is α B = 74 °. A material which is generally known under the trade name Teflon is also preferred. Due to the refractive index of n₂ ≈ 1.45, α B = 55 °. Ceramics can also be used in the invention.

Typischerweise liegen die Winkel zwischen 50° und 75°, d.h. sie sind relativ gross. In bezug auf die Form ist es deshalb vorteilhaft, die Scheibe ellipsenförmig zu auszubilden (entsprechend der Schnittkurve zwischen im allg. runder Gefässwand 2 und Scheibenebene). Die Fläche der Scheibe ist damit nicht grösser als nötig, was sich positiv auf ihre mechanische Stabilität auswirkt.Typically the angles are between 50 ° and 75 °, i.e. they are relatively large. In terms of shape, it is therefore advantageous to design the disk in an elliptical shape (corresponding to the intersection curve between the generally round vessel wall 2 and the disk plane). The area of the disc is therefore not larger than necessary, which has a positive effect on its mechanical stability.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemässes Mikrowellenfenster mit Kühlrippen 6.1,...,6.3. Die transparente Scheibe zerfällt in mehrere Teilscheiben 4.1,..,4.4. Die Kühlrippen 6.1,...,6.3 sind z.B. Metallrohre und verleihen der Scheibe eine höhere Stabilität. Sie sind senkrecht zum elektrischen Feldvektor E (Polarisationsrichtung) ausgerichtet. Aus diesem Grund werden sie von der Mikrowellenstrahlung nicht "gesehen".Fig. 2 shows an inventive microwave window with cooling fins 6.1, ..., 6.3. The transparent pane breaks down into several sub-panes 4.1, .., 4.4. The cooling fins 6.1, ..., 6.3 are, for example, metal pipes and give the disc greater stability. They are aligned perpendicular to the electric field vector E (polarization direction). For this reason they are not "seen" by the microwave radiation.

Aus der Schweizer Patentanmeldung CH-2314/89-2 sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen für Kühlrippen zu entnehmen. Zu diesem Zweck soll die genannte Patentanmeldung als in dieser Beschreibung eingeschlossen gelten.Further advantageous embodiments for cooling fins can be found in Swiss patent application CH-2314 / 89-2. For this purpose, the said patent application is to be considered as included in this description.

Fig. 3 schliesslich zeigt ein Mikrowellenfenster, welches zwei parallele Scheiben 7.1 und 7.2 aufweist. Sie sind entsprechend dem Brewsterwinkel geneigt. Zwischen den beiden Scheiben 7.1, 7.2 strömt eine Kühlflüssigkeit 8 hindurch.3 finally shows a microwave window which has two parallel panes 7.1 and 7.2. They are inclined according to the Brewster angle. A coolant 8 flows between the two disks 7.1, 7.2.

In der Praxis ist der Abstand der beiden parallelen Scheiben 7.1, 7.2 geringer als deren Dicke. Der Vorteil im geringen Abstand besteht in der entsprechend hohen Fliessgeschwindigkeit des Kühlmittels. Für das Doppelscheibenfenster gilt im übrigen das, was bereits im Zusammenhang mit dem Einscheibenfenster gesagt worden ist. Natürlich erübrigt sich in diesem Fall eine Kühlung durch Kühlrippen.In practice, the distance between the two parallel disks 7.1, 7.2 is less than their thickness. The advantage in close proximity is the correspondingly high flow rate of the coolant. What has already been said in connection with the single-pane window also applies to the double-pane window. In this case, there is of course no need for cooling by means of cooling fins.

Das erfindungsgemässe Fenster lässt sich überall dort mit Vorteil einsetzten, wo linear polarisierte Mikrowellen auftreten. Insbesondere kann es als Eintrittsfenster für Verbraucher verwendet werden. Als Beispiel sei das Kalorimeter genannt. Ein anderer Anwendungsfall ist die Fusionskammer (z.B. Tokamak), und zwar dann, wenn eine HE₁₁-Welle eingestrahlt wird. Schliesslich eignet sich die Erfindung auch für einen Vlasov-Koppler, wie er z.B. aus "An X-Band Vlasov-Type Mode Convertor", B.G. Ruth et al., 13th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, 5-9 Dec 1988, pp. 119-120, bekannt ist.The window according to the invention can advantageously be used wherever linearly polarized microwaves occur. In particular, it can be used as an entry window for consumers. The calorimeter is an example. Another application is the fusion chamber (e.g. tokamak), when a HE₁₁ wave is irradiated. Finally, the invention is also suitable for a Vlasov coupler, such as that e.g. from "An X-Band Vlasov-Type Mode Convertor", B.G. Ruth et al., 13th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, 5-9 Dec 1988, pp. 119-120.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mit der Erfindung ein echt breitbandiges Fenster geschaffen worden ist. Eine Einschränkung der Bandbreite ergibt sich höchstens durch die Frequenzabhängigkeit der Brechzahlen der Scheiben, welche aber in der Praxis vernachlässigbar klein ist. Zu beachten ist ferner, dass der Aufwand für die Herstellung relativ gering ist und die technische Realisierbarkeit sichergestellt ist, da auf die bekannte Fenstertechnologie zurückgegriffen werden kann.In summary, it can be said that a real broadband window has been created with the invention. The bandwidth is limited at most by the frequency dependence of the refractive indices of the panes, which is negligibly small in practice. It should also be noted that the manufacturing effort is relatively low and the technical feasibility is ensured, since the known window technology can be used.

BezeichnungslisteLabel list

1 - Spiegel; 2 - Gefässwand; 3 - Ausbreitungsrichtung; 4 - Scheibe; 4.1,..,4.4 - Teilscheiben; 5 - Wellenleiter; 6.1,...,6.3 - Kühlrippen; 7.1, 7.2 - Scheibe; 8 - Kühlflüssigkeit; E - elektrischer Feldvektor; n - Scheibennormale; n₁, n₂ - Brechungsindizes.1 - mirror; 2 - vessel wall; 3 - direction of propagation; 4 - disc; 4.1, .., 4.4 - indexing disks; 5 - waveguide; 6.1, ..., 6.3 - cooling fins; 7.1, 7.2 - disc; 8 - coolant; E - electric field vector; n - disc normal; n₁, n₂ - refractive indices.

Claims (9)

Mikrowellenfenster hoher Bandbreite für linear polarisierte Mikrowellen hoher Leistung, umfassend mindestens eine für Mikrowellen transparente Scheibe mit planparallelen, ebenen Hauptflächen, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe gegenüber einer Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen geneigt ist und zwar so, dass der Winkel zwischen Ausbreitungsrichtung und Scheibennormalen dem Brewster-Winkel αB entspricht und eine durch Ausbreitungsrichtung und Scheibennormale gebildete Ebene komplanar zur Polarisationsrichtung der Mikrowellen ist.High-bandwidth microwave window for linearly polarized high-power microwaves, comprising at least one pane which is transparent to microwaves and has plane-parallel, planar main surfaces, characterized in that the pane is inclined with respect to a direction of propagation of the microwaves and in such a way that the angle between the direction of propagation and the pane normals corresponds to the Brewster Angle corresponds to α B and a plane formed by the direction of propagation and slice normal is coplanar with the direction of polarization of the microwaves. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen Ausbreitungsrichtung und Scheibennormalen zwischen 50° und 75° liegt.Microwave window according to claim 1, characterized in that the angle between the direction of propagation and the slice normal is between 50 ° and 75 °. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei parallele Scheiben umfasst, die von einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden.Microwave window according to claim 1, characterized in that it comprises two parallel panes which are cooled by a cooling liquid. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es genau eine Scheibe umfasst.Microwave window according to claim 1, characterized in that it comprises exactly one pane. Mikrowellenfenster nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe Kühlrippen umfasst, welche senkrecht zur Polarisationsrichtung ausgerichtet sind.Microwave window according to claim 4, characterized in that the disc comprises cooling fins which are aligned perpendicular to the direction of polarization. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Scheibe kreisförmig ist.Microwave window according to claim 1, characterized in that the at least one pane is circular. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Scheibe elliptisch ist.Microwave window according to claim 1, characterized in that the at least one pane is elliptical. Quasi-optisches Gyrotron, bei welchem Mikrowellen in einem aus zwei einander gegenüberliegenden Spiegeln gebildeten quasi-optischen Resonator angeregt werden, gekennzeichnet durch ein Mikrowellenfenster nach Anspruch 1.Quasi-optical gyrotron, in which microwaves are excited in a quasi-optical resonator formed from two opposing mirrors, characterized by a microwave window according to claim 1. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es das Eintrittsfenster eines Verbrauchers ist.Microwave window according to claim 1, characterized in that it is the entry window of a consumer.
EP19910109462 1990-06-15 1991-06-10 Microwave window Withdrawn EP0465845A3 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH201590 1990-06-15
CH2015/90 1990-06-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0465845A2 true EP0465845A2 (en) 1992-01-15
EP0465845A3 EP0465845A3 (en) 1992-06-10

Family

ID=4223911

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19910109462 Withdrawn EP0465845A3 (en) 1990-06-15 1991-06-10 Microwave window

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP0465845A3 (en)
JP (1) JPH04252601A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995013630A1 (en) * 1993-11-09 1995-05-18 General Atomics Distributed window for large diameter waveguides
WO1995032529A1 (en) * 1994-05-20 1995-11-30 The Secretary Of State For Defence Ultrawideband antenna
WO2006065669A1 (en) * 2004-12-13 2006-06-22 Intest Corporation Signal module with reduced reflections
WO2022233940A1 (en) * 2021-05-05 2022-11-10 Organic Fuel Technology A/S A broadband microwave window assembly

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2637776A (en) * 1948-04-20 1953-05-05 Bell Telephone Labor Inc Sealed wave guide window
US2894228A (en) * 1953-11-02 1959-07-07 Varian Associates Radio frequency window
GB857331A (en) * 1956-08-24 1960-12-29 Vickers Electrical Co Ltd Improvements relating to electrical waveguides
US2990526A (en) * 1953-03-02 1961-06-27 Raytheon Co Dielectric windows
US3324427A (en) * 1964-05-06 1967-06-06 Varian Associates Electromagnetic wave permeable window
JPS58225702A (en) * 1982-06-24 1983-12-27 Nec Corp Airtight window for microwave

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2637776A (en) * 1948-04-20 1953-05-05 Bell Telephone Labor Inc Sealed wave guide window
US2990526A (en) * 1953-03-02 1961-06-27 Raytheon Co Dielectric windows
US2894228A (en) * 1953-11-02 1959-07-07 Varian Associates Radio frequency window
GB857331A (en) * 1956-08-24 1960-12-29 Vickers Electrical Co Ltd Improvements relating to electrical waveguides
US3324427A (en) * 1964-05-06 1967-06-06 Varian Associates Electromagnetic wave permeable window
JPS58225702A (en) * 1982-06-24 1983-12-27 Nec Corp Airtight window for microwave

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 8, no. 78 (E-237)(1515) 10. April 1984 & JP-A-58 225 702 ( NIPPON DENKI K.K. ) 27. Dezember 1983 *
S.SILVER 'Microwave antenna theory and design' 1949 , MC GRAW-HILL , NEW YORK *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995013630A1 (en) * 1993-11-09 1995-05-18 General Atomics Distributed window for large diameter waveguides
WO1995032529A1 (en) * 1994-05-20 1995-11-30 The Secretary Of State For Defence Ultrawideband antenna
GB2302449B (en) * 1994-05-20 1998-12-09 Secr Defence Ultrawideband antenna
US5889497A (en) * 1994-05-20 1999-03-30 The Secretary Of State For Defence In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland Ultrawideband transverse electromagnetic mode horn transmitter and antenna
WO2006065669A1 (en) * 2004-12-13 2006-06-22 Intest Corporation Signal module with reduced reflections
US7834718B2 (en) 2004-12-13 2010-11-16 Intest Corporation Signal module with reduced reflections
WO2022233940A1 (en) * 2021-05-05 2022-11-10 Organic Fuel Technology A/S A broadband microwave window assembly

Also Published As

Publication number Publication date
JPH04252601A (en) 1992-09-08
EP0465845A3 (en) 1992-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0305893B1 (en) High-power strip-guide laser
DE2452743C2 (en) Filter with a stripline
DE68917877T2 (en) Coupler for direct branching of the RF power from a gyrotron cavity into a basic mode waveguide.
DE2341903C2 (en) Electromagnetic wave filter
DE3650529T2 (en) Optical element
DE1297768B (en) Wanderfeldverstaerkerroehre
CH617039A5 (en)
DE68917373T2 (en) Magnetically tunable bandpass filter.
EP0973227B1 (en) Dual mode ring resonator
EP0465845A2 (en) Microwave window
DE1300181B (en) Optical resonator
DE2825432C2 (en) Quasi-optical band-stop filter
DE3111106C2 (en)
EP0403907A1 (en) Extracting window for linearly polarized microwaves
DE3587607T2 (en) COMPOSED DIELECTRIC MULTI-WIRE TRANSMISSION LINE.
US3848256A (en) Waveguide antenna
DE3937491C2 (en) Waveguide laser with microwave excitation
DE2947918C2 (en)
DE102009046463B4 (en) Coaxial slit-coupled resonator duplexer
DE2236234C3 (en) Dielectric window for microwave energy
DE3029144A1 (en) DEVICE FOR ELECTRONICALLY TUNING A PERFORMANCE MAGNET
DE2405444C3 (en) Gas-tight, wave-permeable window arrangement
DE3114598C2 (en) Arrangement for generating, amplifying or synchronizing high-frequency power, especially in the millimeter wave range
EP1172881B1 (en) Microwave filter
DE2135611B1 (en) Mode coupler for direction finding systems

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): CH DE FR GB IT LI NL

PUAL Search report despatched

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009013

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): CH DE FR GB IT LI NL

17P Request for examination filed

Effective date: 19921109

17Q First examination report despatched

Effective date: 19940802

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Withdrawal date: 19941222