RU2207655C1 - Баночное окно ввода и/или вывода энергии свч - Google Patents

Баночное окно ввода и/или вывода энергии свч Download PDF

Info

Publication number
RU2207655C1
RU2207655C1 RU2002109194A RU2002109194A RU2207655C1 RU 2207655 C1 RU2207655 C1 RU 2207655C1 RU 2002109194 A RU2002109194 A RU 2002109194A RU 2002109194 A RU2002109194 A RU 2002109194A RU 2207655 C1 RU2207655 C1 RU 2207655C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
window
rectangular waveguides
segments
circular waveguide
segment
Prior art date
Application number
RU2002109194A
Other languages
English (en)
Inventor
В.С. Галкин
А.Н. Королев
Ю.А. Кутепов
В.М. Лямзин
Б.В. Прокофьев
К.Г. Симонов
Original Assignee
Галкин Валентин Сергеевич
Королев Александр Николаевич
Кутепов Юрий Александрович
Лямзин Вадим Михайлович
Прокофьев Борис Владимирович
Симонов Карл Георгиевич
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 Галкин Валентин Сергеевич, Королев Александр Николаевич, Кутепов Юрий Александрович, Лямзин Вадим Михайлович, Прокофьев Борис Владимирович, Симонов Карл Георгиевич filed Critical Галкин Валентин Сергеевич
Priority to RU2002109194A priority Critical patent/RU2207655C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2207655C1 publication Critical patent/RU2207655C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике. Техническим результатом является обеспечение пропускания больших уровней импульсных и непрерывных СВЧ мощностей. Баночное окно выполнено в виде круглого волновода с поперечной диэлектрической перегородкой и соосно подсоединенных к его торцам прямоугольных волноводов и обеспечивает передачу СВЧ мощности на волне Е11 при заданных соотношениях размеров баночного окна. Предлагается выполнение баночного окна с диафрагмами, установленными на стыках круглого и прямоугольных волноводов. Предлагается баночное окно с дополнительными прямоугольными волноводами, соосно подсоединенными к торцам основных прямоугольных волноводов и выполненными с меньшим поперечным сечением. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к баночным окнам ввода и/или вывода энергии СВЧ электровакуумных приборов и ввода энергии СВЧ в ускоряющие структуры ускорителей. В частности, оно может быть использовано при создании мощных и сверхмощных клистронов и мощных современных линейных СВЧ-ускорителей.
Уровень техники
Известно баночное окно ввода/вывода энергии СВЧ электровакуумных приборов [1] . В этом окне между двумя отрезками прямоугольных волноводов расположен круглый волновод, в котором установлена диэлектрическая перегородка в виде диска, отделяющего вакуумное пространство СВЧ прибора от внешнего пространства, заполненного воздухом (обычно при высоком давлении) или другой газовой средой. При этом оси прямоугольных волноводов расположены параллельно продольной оси круглого волновода и разнесены во взаимно противоположных направлениях относительно нее. Основная волна Н10 в прямоугольном волноводе на стыке его с круглым волноводом преобразуется в волну E01, которая затем на стыке круглого волновода с другим отрезком прямоугольного волновода преобразуется в волну Н10.
Хотя такое баночное окно позволяет осуществить передачу высоких импульсных мощностей, однако расположение входного и выходного прямоугольных волноводов со смещением относительно центра промежуточного (круглого) волновода вызывает трудности при компановке СВЧ прибора в аппаратуре.
Наиболее близким по конструктивным особенностям и технической сущности является баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, рассмотренное в [2]. В этом окне также между прямоугольными волноводами расположен круглый волновод, в котором установлена диэлектрическая перегородка в виде диска. Но в отличие от [1] в [2] круглый и прямоугольные волноводы расположены соосно.
В баночном окне [2] передача СВЧ мощности осуществляется на основной волне круглого волновода Н11. При максимальной полосе согласования толщина диэлектрической перегородки Lε, составляет Lε = (0,02-0,03)⌀ (где ⌀ - диаметр круглого волновода), а расстояние L от поверхности перегородки до ближайшего торца круглого волновода -L≤0,08⌀.
Такое баночное окно имеет существенные недостатки.
Нагрев окна за счет диэлектрических потерь происходит в центральной части диэлектрической перегородки (диска), где компонента электрического СВЧ поля, направленная вдоль поверхности диэлектрической перегородки, имеет максимальную величину. Маленькая толщина диэлектрической перегородки существенно затрудняет передачу тепла от ее центра к стенкам круглого волновода. Это ограничивает величину передаваемой через окно непрерывной мощности СВЧ.
Структура электрического поля волны Н11 в круглом волноводе существенно снижает электрическую прочность из-за возможности возникновения пробоя по поверхности диэлектрической перегородки. Это также ограничивает величину импульсной мощности, передаваемой через окно.
Незначительная величина расстояния L от поверхности диэлектрической перегородки до ближайшего торца круглого волновода существенно снижает термостойкость баночного окна.
Таким образом, рассматриваемое баночное окно ввода и/или вывода энергии [2] имеет низкую термостойкость и ограниченный уровень передаваемых через него импульсных и непрерывных мощностей СВЧ.
Сущность изобретения
Актуальной задачей в настоящее время является создание окон ввода и/или вывода энергии, обеспечивающих пропускание значительных уровней импульсных и непрерывных СВЧ мощностей, а также конструктивно удобных и технологичных в изготовлении. Это важно как для создания мощных электровакуумных приборов СВЧ, так и для создания мощных линейных СВЧ-ускорителей. Указанная задача решается с помощью данного изобретения.
Предлагается баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого, равноудаленно от его торцов расположена диэлектрическая перегородка, выполненная в виде диска и вакуумно-плотно соединенная со стенками отрезка круглого волновода, к которому с противоположных его торцов соосно присоединены первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, при этом размеры отрезка круглого волновода и диэлектрической перегородки в виде диска, обеспечивающие передачу СВЧ мощности через баночное окно на волне Е11, определены из соотношений
Figure 00000002

L/⌀=0,15÷0,21;
Lε/⌀ = 0,09-0,14,
где ⌀- диаметр круглого волновода,
λo - длина волны, соответствующая центральной точке полосы согласования,
L - расстояние от поверхности диэлектрической перегородки в виде диска до ближайшего торца отрезка круглого волновода,
Lε - толщина диэлектрической перегородки в виде диска,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической перегородки.
Предлагается баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ согласно изобретению, в котором в каждом из отрезков прямоугольных волноводов установлена диафрагма с окном связи, причем одна из плоских поверхностей диафрагмы совпадает с торцевой плоскостью отрезка круглого волновода.
Предлагается баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ согласно изобретению, в котором к первому и второму отрезкам прямоугольных волноводов с вакуумной и невакуумной сторон баночного окна соосно присоединены соответственно третий и четвертый отрезки прямоугольных волноводов, причем размеры поперечных сечений первого и второго отрезков прямоугольных волноводов превышают размеры поперечных сечений третьего и четвертого отрезков прямоугольных волноводов, а длина первого и второго отрезков прямоугольных волноводов составляет
Figure 00000003

где
Figure 00000004

длина волны в первом и втором прямоугольных волноводах, а - размер широкой стенки первого и второго прямоугольных волноводов.
Сравнительный анализ приведенных соотношений размеров баночного окна, полученных в результате расчетов и экспериментальных исследований и обеспечивающих передачу через него СВЧ мощности на волне Е11, показывает, что в предлагаемой конструкции толщина диэлектрической перегородки в виде диска и длина круглого волновода в несколько раз больше, чем в конструкции, предложенной в прототипе [2].
Это позволяет:
Существенно повысить надежность спая диэлектрической перегородки в виде диска с металлической стенкой круглого волновода и, следовательно, увеличить термостойкость баночного окна.
Существенно повысить электрическую прочность баночного окна, так как при передаче через него СВЧ мощности на волне Е11 электрическое поле направлено перпендикулярно диэлектрической перегородке и вероятность возникновения пробоев через толщину перегородки ничтожна. Это приводит к возможности передачи через баночное окно больших величин импульсной мощности.
Существенно увеличить уровень непрерывной мощности, поскольку наибольший нагрев баночного окна происходит не в центре диэлектрического диска, а вблизи его периферии, что облегчает отвод тепла.
Размещение в первом и втором отрезках прямоугольных волноводов диафрагм с окнами связи позволяет существенно расширить полосу согласования баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ.
Выполнение первого и второго отрезков прямоугольных волноводов с увеличенными размерами поперечного сечения позволяет повысить электрическую прочность баночного окна. Для обеспечения согласования такого баночного окна на заданной частоте эти отрезки прямоугольных волноводов выполнены длиной
Figure 00000005

где λgo - длина волны в первом и втором прямоугольных волноводах, и к ним соосно присоединены третий и четвертый отрезки прямоугольных волноводов меньшего поперечного сечения.
Перечень чертежей
Фиг. 1 - баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ согласно изобретению.
Фиг. 2 - картина распределения силовых линий электрического поля в баночном окне ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенном на фиг. 1.
Фиг. 3 - характеристика согласования баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенного на фиг. 1.
Фиг.4 - баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, снабженное диафрагмами.
Фиг. 5 - характеристика согласования баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенного на фиг.4.
Фиг.6 - баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, снабженное дополнительными отрезками прямоугольных волноводов.
Фиг. 7 - характеристика согласования баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенного на фиг.6.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, показанное на фиг.1, содержит отрезок круглого волновода 1, в средней части которого установлена поперечная диэлектрическая перегородка в виде диска 2, вакуумно-плотно соединенная со стенками отрезка круглого волновода 1 и отрезки прямоугольных волноводов 3, 4, соосно присоединенные к отрезку круглого волновода 1 с противоположных его торцов. Отрезок круглого волновода 1 снабжен торцевыми стенками 5, 6, расположенными в плоскостях стыка его с отрезками прямоугольных волноводов 3, 4 с их внешней стороны. При этом отрезок прямоугольного волновода 3 соединен с вакуумной областью СВЧ прибора или ускорителя, а отрезок прямоугольного волновода 4 соединен с областью, находящейся под избыточным давлением газовой среды.
Особенностью предлагаемого изобретения является то, что передача СВЧ мощности через баночное окно при его работе происходит на волне Е11.
На фиг. 2 приведена картина распределения силовых линий электрического поля в предлагаемом баночном окне вводе и/или вывода энергии СВЧ.
Из фиг.2 видно, что СВЧ мощность, поступившая на вход одного из прямоугольных волноводов, например волновода 3, переносится волной H10, которая преобразуется на стыке волноводов 3, 1 в волну Е11 круглого волновода 1 при заявленных в изобретении соотношениях размеров круглого волновода и диэлектрической перегородки 2. Прошедшая через диэлектрическую перегородку 2 СВЧ мощность на волне Е11 преобразуется на стыке волноводов 1, 4 в волну Н10 и передается в нагрузку.
В центральной части диэлектрического диска поперечная составляющая напряженности электрического поля равна нулю, следовательно выделение тепла в центре диска минимально. Пучности электрического поля смещены к краю диэлектрического диска, ближе к спаю его с металлом, что, в свою очередь, облегчает теплопередачу к стенкам волновода. Кроме того, из приведенных соотношений видно, что толщина диэлектрической перегородки в виде диска в несколько раз больше, чем в прототипе, что также существенно повышает эффективность теплопередачи к стенкам волновода.
Силовые линии электрического поля волны Е11 в области диэлектрической перегородки перпендикулярны ее поверхности. Благодаря этому пробои по поверхности диэлектрической перегородки практически отсутствуют. Большее по сравнению с прототипом расстояние между торцами отрезка круглого волновода и большая толщина диэлектрической перегородки делают также баночное окно более устойчивым к пробоям.
В связи с тем, что расстояние L от поверхности диэлектрической перегородки до ближайшего торца круглого волновода примерно в два раза больше по сравнению с прототипом, предлагаемое баночное окно более термоустойчиво.
Такое баночное окно является технологичным в изготовлении и обеспечивает передачу через него больших величин импульсных и непрерывных мощностей при согласовании в относительно узком интервале длин волн.
Экспериментальные исследования показали, что при диаметре круглого волновода ⌀=30,4 мм, толщине диэлектрической перегородки Lε = 3,1 мм, расстоянии L= 5,17 мм и размерах сечения а•b=23•10 мм2 прямоугольных волноводов 3, 4 баночное окно имеет полосу согласования по уровню КСВн≤1,2,
Figure 00000006

где F0=10,58 ГГц.
На фиг. 3 приведена экспериментально снятая характеристика согласования (зависимость КСВн от частоты F) такого баночного окна.
Для расширения полосы согласования баночного окна необходимо подобрать оптимальную связь между полями волны Е11 в круглом волноводе и волны Н10 в прямоугольных волноводах.
Для этого (как показано на фиг.4) в отрезках прямоугольных волноводах 3, 4 баночного окна установлены согласующие диафрагмы 7, 8 соответственно.
Окна связи 9, 10 диафрагм 7, 8 могут иметь разную форму, например прямоугольную или П-образную или Н-образную. Размеры окон связи диафрагм подбираются расчетным или экспериментальным путем. При оптимальных значениях этих размеров может быть достигнута полоса согласования 10-15% по уровню КСВн≤1,2.
Экспериментальные исследования показали, что баночное окно с размерами: ⌀= 30,4 мм; Lε = 3,1 мм; L=5,17 мм и размерами сечения а•b=23•10 мм2 прямоугольных волноводов 3, 4, снабженное двумя согласующими диафрагмами, толщиной t= 2 мм с размерами окон связи 22,7•7,35 мм2 имеет полосу согласования по уровню КСВн≤1,2,
Figure 00000007

где F0=10,58 ГГц.
Во всей указанной полосе СВЧ мощность передается через баночное окно на волне Е11.
На фиг. 5 приведена экспериментально снятая характеристика согласования баночного окна с диафрагмами.
Для повышения электрической прочности баночного окна необходимо увеличить размеры поперечного сечения отрезков прямоугольных волноводов 3, 4. Для согласования на заданной частоте такое баночное окно снабжено (как показано на фиг. 6) дополнительными отрезками прямоугольных волноводов 11, 12 (например, стандартного сечения). При этом отрезки прямоугольных волноводов 3, 4 имеют большие размеры поперечного сечения, чем отрезки волноводов 11, 12 и длину
Figure 00000008

где
Figure 00000009

длина волны в прямоугольных волноводах 3 и 4, a - размер широкой стенки прямоугольного волновода 3 или 4.
Экспериментальные исследования показали, что баночное окно с размерами ⌀= 103 мм, Lε = 13,1 мм, L=17,2 мм и размерами сечения а•b=90•45 мм2 прямоугольных волноводов 3, 4, которые имеют длину l=42,2 мм и соединены с прямоугольными волноводами 11, 12 с размерами сечения а'•b'=72•34 мм2 имеет полосу согласования по уровню КСВн≤1,2
Figure 00000010

где F0=2,807 ГГц.
На фиг. 7 приведена экспериментально снятая характеристика согласования такого баночного окна.
Предварительные испытания баночного окна показали, что оно без каких-либо признаков пробоев выдержало импульсную мощность Римп= 2,6 МВт при средней мощности Рср=3,7 кВт.
Таким образом предлагаемые варианты баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ являются технологичными в изготовлении и обеспечивают передачу больших величин мощностей в узкой и в широкой полосе согласования. Баночное окно обладает малыми потерями мощности (не более 0,15 дБ) даже для диэлектрических перегородок из керамики 22ХС с относительно высокими диэлектрической проницаемостью ε=9,4 и тангенсом угла потерь tgδ=(6÷8)10-4. Кроме того, изменение диэлектрической проницаемости перегородки в пределах ±3% практически не сказывается на характеристики согласования баночного окна, что обеспечивает хорошую повторяемость параметров окна при его изготовлении.
Изобретение может быть использовано при создании мощных и сверхмощных приборов СВЧ (например, клистронов), а также современных мощных СВЧ ускорителей, обеспечивая надежную передачу больших величин мощностей от СВЧ прибора к ускоряющей системе.
Источники информации
1. Патент РФ 1607638, МКИ H 01 J 23/35, 11.07.88.
2. Патент США 2958834, НКИ.333-98, 13.06.56.

Claims (3)

1. Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого, равноудаленно от его торцов расположена диэлектрическая перегородка, выполненная в виде диска и вакуумноплотно соединенная со стенками отрезка круглого волновода, к которому с противоположных его торцов соосно присоединены первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, отличающееся тем, что размеры отрезка круглого волновода и диэлектрической перегородки в виде диска, обеспечивающие передачу СВЧ мощности через баночное окно на волне Е11, определены из соотношений
Figure 00000011

L/⌀=0,15÷0,21;
Lε/⌀ = 0,09÷0,14,
где ⌀ - диаметр круглого волновода;
λo - длина волны, соответствующая центральной точке полосы согласования;
L - расстояние от поверхности диэлектрической перегородки в виде диска до ближайшего торца отрезка круглого волновода;
Lε - толщина диэлектрической перегородки в виде диска;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической перегородки.
2. Баночное окно по п. 1, отличающееся тем, что в каждом из отрезков прямоугольных волноводов установлена диафрагма с окном связи, причем одна из плоских поверхностей диафрагмы совпадает с торцевой плоскостью отрезка круглого волновода.
3. Баночное окно по п.1, отличающееся тем, что к первому и второму отрезкам прямоугольных волноводов с вакуумной и невакуумной сторон баночного окна соосно присоединены соответственно третий и четвертый отрезки прямоугольных волноводов, причем размеры поперечных сечений первого и второго отрезков прямоугольных волноводов превышают размеры поперечных сечений третьего и четвертого отрезков прямоугольных волноводов, а длина первого и второго отрезков прямоугольных волноводов составляет
Figure 00000012

где
Figure 00000013

длина волны в первом и втором прямоугольных волноводах,
a - размер широкой стенки первого и второго прямоугольных волноводов.
RU2002109194A 2002-04-10 2002-04-10 Баночное окно ввода и/или вывода энергии свч RU2207655C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002109194A RU2207655C1 (ru) 2002-04-10 2002-04-10 Баночное окно ввода и/или вывода энергии свч

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002109194A RU2207655C1 (ru) 2002-04-10 2002-04-10 Баночное окно ввода и/или вывода энергии свч

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2207655C1 true RU2207655C1 (ru) 2003-06-27

Family

ID=29211792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002109194A RU2207655C1 (ru) 2002-04-10 2002-04-10 Баночное окно ввода и/или вывода энергии свч

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2207655C1 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2451362C1 (ru) * 2011-02-02 2012-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") Баночное окно ввода и/или вывода свч-энергии
CN109273814A (zh) * 2018-11-05 2019-01-25 深圳铭杰医疗科技有限公司 基于跑道型耦合孔的波导窗及加速管
RU2705563C1 (ru) * 2019-02-26 2019-11-08 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Баночное окно ввода-вывода энергии свч
CN114512387A (zh) * 2021-12-31 2022-05-17 电子科技大学 一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路
RU2784583C1 (ru) * 2022-03-28 2022-11-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Волноводное окно баночного типа

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2451362C1 (ru) * 2011-02-02 2012-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") Баночное окно ввода и/или вывода свч-энергии
CN109273814A (zh) * 2018-11-05 2019-01-25 深圳铭杰医疗科技有限公司 基于跑道型耦合孔的波导窗及加速管
RU2705563C1 (ru) * 2019-02-26 2019-11-08 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Баночное окно ввода-вывода энергии свч
CN114512387A (zh) * 2021-12-31 2022-05-17 电子科技大学 一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路
CN114512387B (zh) * 2021-12-31 2023-08-01 电子科技大学 一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路
RU2784583C1 (ru) * 2022-03-28 2022-11-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Волноводное окно баночного типа

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yuan et al. A novel TEM-TE/sub 11/mode converter
US3205462A (en) Low-loss waveguide for propagation of h10 wave
Tribak et al. Ultra-broadband high efficiency mode converter
US5801598A (en) High-power RF load
JP7272778B2 (ja) 折り返し導波路低速波構造を用いる進行波管用の内部負荷
Chittora et al. A Novel ${\rm TM} _ {01} $ to ${\rm TE} _ {11} $ Mode Converter Designed With Radially Loaded Dielectric Slabs
US2990526A (en) Dielectric windows
RU2207655C1 (ru) Баночное окно ввода и/или вывода энергии свч
US2706278A (en) Wave-guide transitions
Shimabukuro et al. Attenuation measurement of very low loss dielectric waveguides by the cavity resonator method applicable in the millimeter/submillimeter wavelength range
US20080068110A1 (en) Symmetrized coupler converting circular waveguide TM01 mode to rectangular waveguide TE10 mode
Zuboraj et al. Half-ring helical structure for traveling wave tube amplifiers
US3339102A (en) High frequency electron discharge devices and wave permeable windows
RU2705563C1 (ru) Баночное окно ввода-вывода энергии свч
Joshi et al. Design and Analysis of Overmoded RF Window for High-Power Applications in $ X $-Band
RU2451362C1 (ru) Баночное окно ввода и/или вывода свч-энергии
Tikhov et al. Compact broadband transition from double-ridge waveguide to coaxial line
Trulsen et al. Circular waveguide mode converters at 140 GHz
Quine 3.2 Oversize Tubular Metallic Waveguides
RU2802497C1 (ru) Баночное окно вывода энергии свч
EP0343887A1 (en) Waveguide apparatus
Moeller A survey of ECH microwave technology
Otake et al. Design and high-power test of a TE11-mode X-band RF window with taper transitions
CN115312997B (zh) 一种紧凑型高功率微波tm01-te01模式转换器
CA3233602A1 (en) In-line waveguide mode converter

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160411