RU2061273C1

RU2061273C1 - Microwave power input/output device for helical slow-wave structure

Info

Publication number: RU2061273C1
Application number: RU93040410A
Authority: RU
Inventors: Д.Д. Милютин; А.А. Лицов
Original assignee: Внедренческое научно-производственное предприятие "Ивэнто"
Priority date: 1993-08-10
Filing date: 1993-08-10
Publication date: 1996-05-27

Abstract

FIELD: electronic devices; traveling-wave tubes. SUBSTANCE: microwave power input-output device for helical slow-wave structure is, essentially, microwave transmission line with vacuum-tight coaxial bushing. Microwave transmission line is connected through shielded conductor to slow-wave structure cylinder and through current-carrying conductor passed through hole in cylinder, to last turn of helix. Microwave transmission line is shielded microstrip line whose insulating substrate is placed between last turn of helix and cylinder hole edge closest to helix. EFFECT: enlarged functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумным электронным приборам, а именно к устройствам ввода-вывода СВЧ-мощности для спиральной замедляющей системы и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении ламп бегущей волны. The invention relates to vacuum electronic devices, and in particular to microwave power input / output devices for a spiral decelerating system and can be used in the electronics industry in the manufacture of traveling wave lamps.

Известны устройства ввода-вывода СВЧ-мощности для спиральной замедляющей системы, представляющие собой перпендикулярную к оси спирали СВЧ-линию передачи с расположенной внутри вакуумно-плотной коаксиальной цилиндрической втулкой из диэлектрика, коаксиальная линия передачи соединена экранным проводником с баллоном замедляющей системы, токонесущим проводником через отверстие в баллоне с последним витком спирали. Microwave power input / output devices for a spiral moderator system are known, which are a microwave transmission line perpendicular to the axis of the spiral with a vacuum-tight coaxial cylindrical dielectric sleeve inside, the coaxial transmission line is connected by a screen conductor to a cylinder of the moderator system, a current-carrying conductor through an opening in the cylinder with the last coil.

К недостаткам таких устройств можно отнести сравнительно узкий диапазон рабочих частот и плохой отвод тепла от спирали. Первой причиной ограничения диапазона рабочих частот является скачкообразное заполнение коаксиальной лини диэлектриком из-за цилиндрической формы втулки, что вносит существенную частотно-зависимую неоднородность для распространения СВЧ-волны. Второй причиной ограничения диапазона рабочих частот является несовпадение структуры электрического поля вблизи последнего витка спирали, распределенного несимметрично, и структуры поля в коаксиальной линии, распределенного симметрично. Плохой отвод тепла от спирали обусловлен тем, что вакуумно-плотная втулка, являющаяся основным элементом отвода тепла от спирали к экранному проводнику, расположена на достаточно большом расстоянии от спирали, за пределами магнитной фокусирующей системы. The disadvantages of such devices include a relatively narrow range of operating frequencies and poor heat removal from the spiral. The first reason for limiting the operating frequency range is the jump-like filling of the coaxial line with a dielectric due to the cylindrical shape of the sleeve, which introduces a significant frequency-dependent inhomogeneity for the propagation of the microwave wave. The second reason for limiting the operating frequency range is the mismatch of the electric field structure near the last turn of the spiral, distributed asymmetrically, and the field structure in the coaxial line, distributed symmetrically. Poor heat removal from the spiral is due to the fact that the vacuum-tight sleeve, which is the main element of heat removal from the spiral to the screen conductor, is located at a sufficiently large distance from the spiral, outside the magnetic focusing system.

Известно также устройство ввода-вывода СВЧ-мощности, в котором относительное улучшение отвода тепла от спирали достигается введением между центральным и внешним проводниками коаксиальной линии двух теплопроводящих вставок. A microwave power input / output device is also known, in which a relative improvement in heat removal from the spiral is achieved by introducing two heat-conducting inserts between the central and external conductors of the coaxial line.

К недостаткам такого устройства можно отнести сравнительно узкий диапазон рабочих частот и некоторое ухудшение КСВН. The disadvantages of such a device include a relatively narrow range of operating frequencies and some deterioration of VSWR.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по решению задачи расширения диапазона рабочих частот является устройство ввода-вывода СВЧ-мощности, отличающееся от известных устройств тем, что вакуумно-плотная коаксиальная втулка выполнена в виде конуса. Использование конусообразной диэлектрической втулки обеспечивает более плавное заполнение коаксиальной линии диэлектриком, что позволяет получить относительное увеличение широкополосности устройства. Недостатком такой конструкции является недостаточно широкая полоса рабочих частот и плохой теплоотвод. Closest to the proposed device for solving the problem of expanding the operating frequency range is a microwave power input / output device, which differs from the known devices in that the vacuum-tight coaxial sleeve is made in the form of a cone. The use of a cone-shaped dielectric sleeve provides a smoother filling of the coaxial line with a dielectric, which allows a relative increase in the broadband of the device. The disadvantage of this design is not wide enough operating frequency band and poor heat sink.

Первая причина, ограничивающая диапазон рабочих частот, вытекает из требования на габариты всего вакуумного изделия. При существующих требованиях невозможно реализовать необходимую для плавного широкополосного перехода длину ввода-вывода в несколько длин волн. Реализация такого перехода затруднена также вследствие необходимости изготовления достаточно длинной диэлектрической конусообразной втулки. Вторая причина ограничения диапазона рабочих частот связана с несовпадением структур электромагнитных полей в коаксиальной линии и вблизи последнего витка спирали. The first reason, limiting the range of operating frequencies, follows from the requirements for the dimensions of the entire vacuum product. Given the existing requirements, it is impossible to realize the necessary for a smooth broadband transition input-output length of several wavelengths. The implementation of this transition is also difficult due to the need to manufacture a sufficiently long dielectric cone-shaped sleeve. The second reason for limiting the operating frequency range is related to the mismatch of the structures of electromagnetic fields in the coaxial line and near the last turn of the spiral.

Изобретение направлено на решение задачи расширения диапазона рабочих частот при улучшении условий теплоотвода от спирали. The invention is aimed at solving the problem of expanding the operating frequency range while improving the conditions of heat removal from the spiral.

Поставленная задача решается тем, что предложено устройство ввода-вывода СВЧ-мощности для спиральной замедляющей системы, представляющее собой СВЧ-линию передачи с вакуумно-плотной коаксиальной твулкой, СВЧ-линия передачи соединена экранным проводником с баллоном замедляющей системы, токонесущим проводником через отверстие в баллоне с последним витком с пирали. Новым в предложенном устройстве является то, что СВЧ-линия выполнена в виде экранированной микрополосковой линии, диэлектрическая подложка которой расположена между последним витком спирали и ближним к спирали краем отверстия в баллоне. Значительным преимуществом заявленного устройства ввода-вывода СВЧ-мощности перед известными, широко используемыми в вакуумных СВЧ-изделиях, является возможность эффективной трансформации высших типов колебаний электромагнитного поля, возбуждаемого последним витком спирали в баллоне, в электромагнитное поле микрополосковой линии. При этом авторами была обнаружена возможность эффективной трансформации электромагнитного поля в очень широком диапазоне рабочих частот. В известных устройствах ввода-вывода СВЧ-мощности эффекты, связанные с высшими типами колебаний, как правило, не учитывались, и устройства конструировались таким образом, чтобы обеспечить только равенство волновых сопротивлений спирали и коаксиальной линии. В заявленной конструкции вследствие специально выбранного положения диэлектрической подложки, а именно между последним витком спирали и ближним к спирали краем отверстия в баллоне, созданы условия для максимальной трансформации поля высших типов колебаний вблизи последнего витка спирали в поле микрополосковой линии. В результате авторам удалось разработать конструкцию устройства ввода-вывода СВЧ-мощности для спиральной замедляющей системы, работающего в сверхширокополосном диапазоне рабочих частот. The problem is solved in that a microwave power input / output device for a spiral deceleration system is proposed, which is a microwave transmission line with a vacuum-tight coaxial sleeve, a microwave transmission line is connected by a screen conductor to a cylinder of the slow-down system, a current-carrying conductor through an opening in the cylinder with the last turn with piranha. New in the proposed device is that the microwave line is made in the form of a shielded microstrip line, the dielectric substrate of which is located between the last turn of the spiral and the edge of the opening closest to the spiral in the cylinder. A significant advantage of the claimed microwave power input / output device over the well-known widely used in vacuum microwave products is the ability to effectively transform the higher types of electromagnetic field oscillations, excited by the last coil in the balloon, into the electromagnetic field of a microstrip line. At the same time, the authors discovered the possibility of effective transformation of the electromagnetic field in a very wide range of operating frequencies. In known microwave power input / output devices, effects associated with higher types of oscillations were generally not taken into account, and the devices were designed in such a way as to ensure only the equal wave impedances of the spiral and the coaxial line. In the claimed design, due to the specially selected position of the dielectric substrate, namely between the last coil of the spiral and the edge of the cylinder closest to the spiral, conditions are created for maximum transformation of the field of higher types of vibrations near the last coil of the spiral in the field of a microstrip line. As a result, the authors were able to develop the design of the microwave power input / output device for a spiral decelerating system operating in an ultra-wideband operating frequency range.

На фиг. 1 и 2 показана схема предлагаемого устройства ввода-вывода СВЧ-мощности соответственно в параллельной и перпендикулярной к оси спирали плоскостях. In FIG. 1 and 2 show a diagram of the proposed device input-output microwave power, respectively, in parallel and perpendicular to the axis of the spiral planes.

Устройство ввода-вывода СВЧ-мощности представляет собой соединенный с баллоном 1 экранный проводник в виде металлического корпуса 2 прямоугольной формы, в противоположных боковых торцах которого расположены два отверстия: одно для паяного соединения с баллоном 1, другое для соединения с выходным коаксиальным разъемом 3. Внутри корпуса 2 расположена вакуумно-плотная коаксиальная втулка 4, микрополосковая линия на подложках 5, экранный проводник 6 микрополосковой линии расположен на дне металлического корпуса 2, а токонесущий проводник 7 соединен с токонесущим проводником 8 втулки 4. Вакуумно-плотной частью ввода-вывода является внутренняя часть корпуса 2, заключенная между втулкой 4 и баллоном 1. Край отверстия в баллоне 1, наиболее близкий к последнему витку 9 спирали, обозначен на фиг.1 позицией 10, а наиболее удаленный от спирали позицией 11. The microwave power input / output device is a screen conductor connected to the cylinder 1 in the form of a rectangular metal body 2, in the opposite lateral ends of which there are two holes: one for soldered connection to the cylinder 1, the other for connection to the output coaxial connector 3. Inside case 2 is a vacuum-tight coaxial sleeve 4, a microstrip line on the substrates 5, the screen conductor 6 of the microstrip line is located at the bottom of the metal case 2, and the current-carrying conductor 7 with dinene with a current-carrying conductor 8 of the sleeve 4. The vacuum-tight part of the input-output is the inner part of the housing 2, enclosed between the sleeve 4 and the cylinder 1. The edge of the hole in the cylinder 1, closest to the last turn 9 of the spiral, is indicated in FIG. 1 by 10 , and the most distant from the spiral at 11.

В качестве материала подложки 5 микрополосковой линии возможно использование поликора, нитрида бора, брокерита, характеризующихся высоким коэффициентом теплопроводности. В качестве диэлектрика вакуумно-плотной втулки 4 возможно использование боросиликатного стекла. As the substrate material 5 of the microstrip line, it is possible to use polycor, boron nitride, broker, characterized by a high coefficient of thermal conductivity. As the dielectric of the vacuum-tight sleeve 4, it is possible to use borosilicate glass.

Устройство работает следующим образом. СВЧ-ток волны, распространяющийся вдоль спирали, переходит на токонесущий проводник микрополосковой линии и возбуждает в ней бегущую волну, поступающую на внешний коаксиальный разъем. При этом увеличение эффективности передачи волны, бегущей из спирали в микрополосковую линию, а следовательно, и увеличение диапазона рабочих частот происходит при расположении подложки микрополосковой линии, как показано на фиг.1 и 2. Увеличение эффективности передачи СВЧ-мощности может быть объяснено следующим образом. СВЧ-ток, протекая по последнему витку спирали, возбуждает электромагнитное поле вблизи витка, которое существенно отличается от поля вдоль спирали. Это отличие связано с различными граничными условиями для электромагнитного поля в центральной области спирали и вокруг последнего витка. В результате этого в области последнего витка спирали возбуждаются высшие типы колебаний электромагнитного поля, наличие которых приводит к существенной концентрации электрической компоненты

поля между последним витком сприpали и внутренней поверхностью баллона, расположенной (см.фиг.1) около края 10 отверстия в баллоне 1. При этом концентрация электрического поля между последним витком и внутренней поверхностью баллона, расположенной около края 11 отверстия в баллоне 1, существенно меньше. В результате этого, эффективная передача СВЧ-мощности из спирали возможна только в такую линию передачи, у которой поле распределено также несимметрично, причем поле в линии должно быть сконцентрировано между токонесущим проводником, подсоединенным к спирали, и экранным проводником, подсоединенным к краю 10 отверстия в баллоне 1. Такому требованию отвечает экранированная микрополосковая линия, подложка которой расположена между последним витком спирали и ближним к спирали краем отверстия в баллоне, так как основная часть электромагнитного поля сконцентрирована в микрополосковой линии в подложке, между токонесущим и экранным проводниками.The device operates as follows. The microwave current of the wave propagating along the spiral passes to the current-carrying conductor of the microstrip line and excites a traveling wave in it, which arrives at an external coaxial connector. In this case, an increase in the transmission efficiency of a wave traveling from a spiral into a microstrip line, and consequently, an increase in the operating frequency range, occurs when the substrate of the microstrip line is located, as shown in Figs. 1 and 2. The increase in the transmission efficiency of microwave power can be explained as follows. The microwave current flowing along the last turn of the spiral excites an electromagnetic field near the turn, which differs significantly from the field along the spiral. This difference is associated with different boundary conditions for the electromagnetic field in the central region of the spiral and around the last turn. As a result, higher types of electromagnetic field oscillations are excited in the region of the last coil of the spiral, the presence of which leads to a significant concentration of the electric component

the fields between the last turn and the inner surface of the cylinder located (see Fig. 1) near the edge 10 of the hole in the cylinder 1. Moreover, the concentration of the electric field between the last turn and the inner surface of the cylinder located near the edge 11 of the hole in the cylinder 1 is significantly less . As a result of this, efficient transfer of microwave power from the spiral is possible only in such a transmission line in which the field is also asymmetrically distributed, and the field in the line should be concentrated between the current-carrying conductor connected to the spiral and the screen conductor connected to the edge 10 of the hole in Cylinder 1. This requirement is met by a shielded microstrip line, the substrate of which is located between the last turn of the spiral and the edge of the opening closest to the spiral, since the main part of the electromagnetic field is concentrated in a microstrip line in the substrate, between the current-carrying and screen conductors.

Таким образом, использование в качестве СВЧ-линии передачи экранированной микрополосковой линии, подложка которой расположена как описывалось выше, является необходимым условием решения поставленной задачи расширения диапазона рабочих частот. Существенное улучшение теплоотвода от спирали достигается благодаря тому, что последний виток спирали имеет контакт с теплопроводящей подложкой микрополосковой линии, которая является массивным теплоотводом. Кроме того, предлагаемая конструкция имеет еще ряд преимуществ:
удобство соединения последнего витка спирали с токонесущим проводником микрополосковой линии, который в отличие от коаксиальной линии расположен на жесткой подложке;
отсутствие возможности деформации последнего витка спирали вследствие удлинения токонесущего проводника ввода-вывода при сильном нагреве;
возможность настраивания частотных характеристик устройства ввода-вывода СВЧ-мощности до теоретически достижимых значений КСВН в заданном диапазоне частот с помощью шлейфов микрополосковой линии, которые могут быть расположены в невакуумно-плотной части металлического корпуса.Thus, the use of a shielded microstrip line as the microwave transmission line, the substrate of which is located as described above, is a necessary condition for solving the problem of expanding the operating frequency range. A significant improvement in the heat sink from the spiral is achieved due to the fact that the last turn of the spiral has contact with the heat-conducting substrate of the microstrip line, which is a massive heat sink. In addition, the proposed design has a number of advantages:
the convenience of connecting the last coil of the spiral with the current-carrying conductor of the microstrip line, which, unlike the coaxial line, is located on a rigid substrate;
the inability to deform the last coil of the spiral due to the extension of the current-carrying I / O conductor with strong heating;
the ability to adjust the frequency characteristics of the microwave power input / output device to the theoretically achievable VSWR values in a given frequency range using microstrip line loops, which can be located in a non-vacuum-dense part of the metal case.

Ограничение по величине рабочей мощности для заявленной конструкции до 100-150 Вт, связанное с использованием микрополосковых линий, не имеет принципиального значения, так как заявленная конструкция может быть использована в качестве ввода энергии мощных и сверхмощных приборов СВЧ. The limitation in the amount of working power for the claimed design to 100-150 W, associated with the use of microstrip lines, does not matter, since the claimed design can be used as an input of energy of high-power and ultra-high-power microwave devices.

Устройство ввода-вывода СВЧ-мощности заявленной конструкции было реализовано в приборе СВЧ с баллоном замедляющей системы, имеющем внутренний диаметр 3 мм, диаметр спирали 1 мм. Использовалась микрополосковая линия на алюмооксидной подложке толщиной 1 мм с шириной токонесущего проводника 0,7 мм. Вакуумно-плотная коаксиальная втулка имела внешний диаметр 1,9 мм, внутренний диаметр 0,2 мм и заполнялась боросиликатным стеклом. В качестве выходного коаксиального разъема использовался разъем типа СРГ50-751-ФВ. The microwave power input / output device of the claimed design was implemented in a microwave device with a slowdown system cylinder having an inner diameter of 3 mm and a spiral diameter of 1 mm. A microstrip line was used on an alumina substrate 1 mm thick with a current-carrying conductor width of 0.7 mm. The vacuum tight coaxial sleeve had an outer diameter of 1.9 mm, an inner diameter of 0.2 mm, and was filled with borosilicate glass. As an output coaxial connector, a connector of the type SRG50-751-FV was used.

В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что заявленное устройство обладает наилучшими характеристиками, которые были следующими: диапазон рабочих частот соответствовал величине от 8 до 18 ГГц при максимальном значении КСВН не более 1,35. Устройство, выбранное в качестве прототипа, имело следующие характеристики: диапазон рабочих частот от 10 до 18 ГГц при максимальном значении КСВН не более 2. Из сравнения параметров заявленного устройства и прототипа следует, что диапазон рабочих частот заявленного устройства на 25% больше, чем у прототипа, при более низком значении КСВН. Для сравнения проводилась экспериментальная проверка диапазона рабочих частот для случая, когда микрополосковая линия расположена между последним витком 9 спирали и дальним от спирали краем 11 отверстия в баллоне. При таком расположении диапазон рабочих частот не превосходит параметров прототипа. As a result of experimental studies, it was found that the claimed device has the best characteristics, which were as follows: the operating frequency range corresponded to a value from 8 to 18 GHz with a maximum value of VSWR not more than 1.35. The device selected as a prototype had the following characteristics: operating frequency range from 10 to 18 GHz with a maximum value of VSWR not more than 2. From a comparison of the parameters of the claimed device and the prototype, it follows that the operating frequency range of the claimed device is 25% more than the prototype , with a lower value of VSWR. For comparison, an experimental check was made of the operating frequency range for the case when the microstrip line is located between the last turn 9 of the spiral and the edge 11 of the opening distant from the spiral in the cylinder. With this arrangement, the range of operating frequencies does not exceed the parameters of the prototype.

Основным преимуществом заявленного устройства ввода-вывода СВЧ-мощности является широкий диапазон рабочих частот при малых значениях КСВН. При этом устройство характеризуется очень хорошим теплоотводом от спирали, простотой монтажа, устойчивостью к механическим деформациям вследствие теплового разогрева. The main advantage of the claimed microwave power input / output device is a wide range of operating frequencies at low VSWR values. Moreover, the device is characterized by a very good heat dissipation from the spiral, ease of installation, resistance to mechanical deformation due to thermal heating.

Claims

A microwave power input / output device for a spiral moderator system, which is a microwave transmission line perpendicular to the axis of the spiral moderator system with a vacuum-tight coaxial sleeve located inside it, connected by a screen conductor with a cylinder of the moderator system, a current-carrying conductor through the hole in the cylinder with the last spiral coil, characterized in that the microwave transmission line is made in the form of a shielded microstrip line, the dielectric substrate of which is located between the last coil and the edge of the opening closest to the spiral in the cylinder.