RU2579748C2

RU2579748C2 - Coaxial waveguide with microwave transmitter

Info

Publication number: RU2579748C2
Application number: RU2012101306/07A
Authority: RU
Inventors: Оливер ХАЙД; Тимоти ХЬЮЗ
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2016-04-10
Also published as: RU2012101306A; WO2012045520A1

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to a coaxial cable with a centre conductor and a sleeve-like conductor surrounding the centre conductor, wherein the sleeve-like conductor has a slit, and a HF transmitter is provided for inputting HF power into the slit.

EFFECT: enabling combination of functions of generating radio-frequency energy and transmitting radio-frequency energy to a consumer in one device.

7 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к коаксиальному волноводу с высокочастотным (ВЧ) передатчиком по пункту 1 формулы изобретения.The invention relates to a coaxial waveguide with a high frequency (HF) transmitter according to claim 1.

В уровне техники известны коаксиальные волноводы, которые связаны с ВЧ передатчиком, чтобы вводить ВЧ мощность в коаксиальный волновод и направлять ее далее.In the prior art, coaxial waveguides are known which are coupled to an RF transmitter in order to introduce RF power into a coaxial waveguide and to direct it further.

Задачей изобретения является обеспечить возможность улучшенного ввода ВЧ передатчика в коаксиальный волновод.The objective of the invention is to provide the possibility of improved input of the RF transmitter into the coaxial waveguide.

Эта задача решается коаксиальным волноводом согласно пункту 1 формулы изобретения.This problem is solved by a coaxial waveguide according to paragraph 1 of the claims.

Другие предпочтительные формы выполнения изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.Other preferred embodiments of the invention are presented in the dependent claims.

Преимущество описываемого коаксиального волновода состоит в том, что гильзообразный проводник коаксиального волновода имеет щель и что ВЧ передатчик предусмотрен для ввода ВЧ мощности в щель.An advantage of the described coaxial waveguide is that the sleeve-like conductor of the coaxial waveguide has a slot and that an RF transmitter is provided for inputting RF power into the slot.

В другой форме выполнения щель имеет две противоположно расположенные боковые кромки, и ВЧ передатчик подсоединен к боковым кромкам для ввода ВЧ мощности. Таким способом обеспечивается возможность безопасного и надежного ввода ВЧ мощности в коаксиальный волновод.In another embodiment, the slot has two opposing lateral edges, and the RF transmitter is connected to the lateral edges to input the RF power. In this way, it is possible to safely and reliably input RF power into a coaxial waveguide.

В другой форме выполнения ВЧ передатчик покрыт экранирующим корпусом. За счет этого обеспечивается надежное экранирование ВЧ передатчика.In another embodiment, the RF transmitter is covered by a shielding housing. This ensures reliable shielding of the RF transmitter.

В другой форме выполнения предусмотрено несколько ВЧ передатчиков, которые связаны с щелью для ввода ВЧ мощности. Таким способом возможно большую ВЧ мощность вводить в волновод распределенным образом по периметру волновода.In another embodiment, several RF transmitters are provided that are coupled to a slot for inputting RF power. In this way, it is possible to introduce a large RF power into the waveguide in a distributed manner around the perimeter of the waveguide.

В другой форме выполнения щель продолжается по всему периметру волновода, причем щель расположена предпочтительно перпендикулярно продольному направлению волновода. Таким способом можно вводить ВЧ мощность распределенным образом по периметру гильзообразного проводника, например, через несколько ВЧ передатчиков. Тем самым достигается равномерный ввод с помощью нескольких ВЧ передатчиков.In another embodiment, the slot extends around the entire perimeter of the waveguide, the slot being preferably perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide. In this way, RF power can be introduced in a distributed manner along the perimeter of the sleeve-like conductor, for example, through several RF transmitters. This ensures uniform input using several RF transmitters.

В другой форме выполнения предусмотрено несколько щелей, распределенных по периметру гильзообразного проводника, причем для каждой щели предусмотрен по меньшей мере один ВЧ передатчик, который связан с соответствующей щелью, чтобы вводить ВЧ мощность в волновод. Кроме того, ВЧ передатчики либо по отдельности, либо совместно снабжены экраном, например, в форме защитного кожуха. Выполнение нескольких щелей обеспечивает возможность определенного и предпочтительного ввода ВЧ мощности распределенным образом по периметру волновода.In another embodiment, several slots are provided distributed around the perimeter of the sleeve-like conductor, with at least one RF transmitter for each slot, which is connected to the corresponding slot to introduce RF power into the waveguide. In addition, the RF transmitters are either individually or jointly provided with a screen, for example, in the form of a protective casing. The implementation of several slots provides the possibility of a specific and preferred input RF power in a distributed manner around the perimeter of the waveguide.

В другой форме выполнения волновод подключен к ВЧ резонатору и направляет введенную передатчиком ВЧ мощность в ВЧ резонатор.In another embodiment, the waveguide is connected to the RF cavity and directs the RF power introduced by the transmitter to the RF cavity.

Изобретение обеспечивает возможность комбинации функций генерации радиочастотной (РЧ) энергии и передачи РЧ энергии к потребителю, как, например, в ВЧ резонатор в общем устройстве, то есть РЧ источник и устройство РЧ транспортировки интегрированы в один прибор. Тем самым можно существенно снизить сложность и затраты на подобное устройство. Дополнительно предоставляется возможность существующие установки или ускорители с ВЧ резонаторами дополнительно оснащать предложенным устройством.The invention provides the possibility of combining the functions of generating radio frequency (RF) energy and transmitting RF energy to a consumer, such as, for example, in an RF resonator in a common device, that is, an RF source and an RF transportation device are integrated into one device. Thus, the complexity and costs of such a device can be significantly reduced. In addition, it is possible to existing equipment or accelerators with RF resonators in addition to equip the proposed device.

Изобретение далее описывается более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:The invention is further described in more detail with reference to the drawings, which show the following:

Фиг.1 - схематичное представление волновода с устройством ввода,Figure 1 - schematic representation of a waveguide with an input device,

Фиг.2 - поперечное сечение волновода,Figure 2 is a cross section of a waveguide,

Фиг.3 - продольное сечение устройства ввода,Figure 3 is a longitudinal section of an input device,

Фиг.4 - схематичное представление волновода, который подключен к ВЧ резонатору,Figure 4 is a schematic representation of a waveguide that is connected to an RF resonator,

Фиг.5 - другая форма выполнения волновода,5 is another form of execution of the waveguide,

Фиг.6 - схематичное поперечное сечение перпендикулярно продольной оси волновода по фиг.5,6 is a schematic cross-section perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide in figure 5,

Фиг.7 - продольное сечение вдоль продольной оси коаксиального волновода через экранирующий корпус,7 is a longitudinal section along the longitudinal axis of the coaxial waveguide through the shielding housing,

Фиг.8 - поперечное сечение устройства ввода, иFig. 8 is a cross-sectional view of an input device, and

Фиг.9 - схематичное представление протекания паразитного тока в устройстве ввода.Fig.9 is a schematic representation of the flow of stray current in the input device.

На фиг.1 показан схематичный вид сбоку фрагмента коаксиального волновода 11. Вокруг внешнего периметра волновода 11 размещено устройство 13 ввода для ввода ВЧ мощности в волновод 11. Фиг.2 показывает схематичное представление поперечного сечения волновода 11 с устройством 13 ввода. Волновод 11 имеет центральный внутренний проводник 1, который окружен гильзообразным внешним проводником 2. Между центральным проводником 1 и гильзообразным проводником 2 может находиться заполнение 3 из изоляционного материала.Figure 1 shows a schematic side view of a fragment of a coaxial waveguide 11. Around the outer perimeter of the waveguide 11 is an input device 13 for inputting RF power into the waveguide 11. Figure 2 shows a schematic cross-sectional view of the waveguide 11 with the input device 13. The waveguide 11 has a central inner conductor 1, which is surrounded by a sleeve-like outer conductor 2. Between the center conductor 1 and the sleeve-like conductor 2 there can be a filling 3 of insulating material.

На фиг.3 показано продольное сечение части гильзообразного проводника 2 волновода 11 и устройство 13 ввода. Гильзообразный проводник 2 разделен на первый участок 21 и второй участок 23, которые отделены друг от друга щелью 4. Если не предусматривается заполнение 3, то щель 4 может быть закрыта уплотнением 27. Гильзообразный проводник 2 имеет внутреннюю сторону 19, которая обращена к внутреннему проводнику 1. Кроме того, гильзообразный проводник 2 имеет обращенную наружу внешнюю сторону 17. На внешней стороне 17 находится устройство 13 ввода для ВЧ мощности. Устройство 13 ввода содержит в показанном примере выполнения множество ВЧ передатчиков 6, которые имеют твердотельные транзисторы 29, которые находятся в непосредственном контакте с щелеобразным фланцем 25, который образован первым участком 21 и вторым участком 23 проводящей стенки. Твердотельные транзисторы 29 через подводящие проводники 31 соединены с не показанным здесь источником постоянного тока. При активировании твердотельные транзисторы 29 индуцируют в гильзообразном проводнике 2 ВЧ токи, которые распространяются вдоль волновода 11 между центральным проводником 1 и гильзообразным проводником 2. Желательным является распространение вдоль внутренней стороны гильзообразного проводника 2 и внешней стороны центрального проводника 1. Дополнительно твердотельные транзисторы 29 и место ввода у фланца 25 посредством проводящего, предпочтительно металлического защитного кожуха 35, например из меди, защищены от электромагнитного излучения извне. Защитный кожух 35 представляет собой изоляционную полость. Вокруг щели 4 распределенным образом могут быть размещены несколько ВЧ передатчиков 6 с несколькими твердотельными транзисторами 29, чтобы вводить ВЧ мощность в волновод 11.Figure 3 shows a longitudinal section of part of the sleeve-like conductor 2 of the waveguide 11 and the input device 13. The sleeve-like conductor 2 is divided into a first portion 21 and a second portion 23, which are separated from each other by a slot 4. If filling 3 is not provided, then the slot 4 can be closed by a seal 27. The sleeve-like conductor 2 has an inner side 19 that faces the inner conductor 1 In addition, the sleeve-like conductor 2 has an outwardly facing outward side 17. On the outside of the 17 is an input device 13 for RF power. The input device 13 comprises, in the illustrated embodiment, a plurality of RF transmitters 6 which have solid state transistors 29 which are in direct contact with the slit-like flange 25, which is formed by the first portion 21 and the second portion 23 of the conductive wall. Solid state transistors 29 are connected via lead wires 31 to a direct current source not shown here. When activated, solid state transistors 29 induce in the sleeve-like conductor 2 RF currents that propagate along the waveguide 11 between the center conductor 1 and the sleeve-like conductor 2. It is desirable to propagate along the inside of the sleeve-like conductor 2 and the outer side of the central conductor 1. Additionally, solid state transistors 29 and the input point at the flange 25 by means of a conductive, preferably metal protective casing 35, for example of copper, are protected from electromagnetic radiation from outside. The protective casing 35 is an insulating cavity. Around the slot 4, several RF transmitters 6 with several solid state transistors 29 can be distributed in a distributed manner to introduce RF power into the waveguide 11.

Фиг.4 показывает в схематичном представлении волновод 11 с устройством 13 ввода и ВЧ резонатор 5, который подключен к волноводу 11. ВЧ резонатор 5 через волновод 11 снабжается ВЧ мощностью. Коаксиальный волновод 11 с помощью обычных средств, например соответствующего окна, связан с резонатором 5.Figure 4 shows in a schematic representation a waveguide 11 with an input device 13 and an RF resonator 5 that is connected to a waveguide 11. The RF resonator 5 is supplied with RF power through the waveguide 11. Coaxial waveguide 11 using conventional means, for example the corresponding window, is connected to the resonator 5.

При активировании твердотельных транзисторов 29 ВЧ передатчиками генерируются электромагнитные переменные поля, которые распространяются вдоль гильзообразного волновода 11. Ввиду высокой частоты переменные токи возникают только в относительно тонких краевых слоях на внутренней стороне гильзообразного проводника 2 и на внешней стороне центрального проводника 1. Чтобы добиться того, чтобы максимально возможные индуцированные переменные токи распространялись вдоль внутренней стороны волновода 11, предусмотрено выполнять импеданс РЧ пути на внешней стороне 17 волновода 11 по возможности высоким. Это обеспечивается посредством специально выполненного экрана 35, а также щели 4, которая образует высокий импеданс при резонансной частоте волновода 11.When solid-state transistors are activated by 29 RF transmitters, electromagnetic variable fields are generated that propagate along the sleeve-like waveguide 11. Due to the high frequency, alternating currents occur only in relatively thin edge layers on the inside of the sleeve-like conductor 2 and on the outside of the central conductor 1. In order to ensure that the maximum possible induced alternating currents propagated along the inner side of the waveguide 11, it is provided to fulfill the RF impedance ty on the outer side 17 of the waveguide 11 as high as possible. This is achieved through a specially made screen 35, as well as a slit 4, which forms a high impedance at the resonant frequency of the waveguide 11.

Чтобы воспрепятствовать распространению ВЧ токов вдоль внешней стороны 17 гильзообразного проводника 2, экранирующий корпус 35 электрически соединен с внешней стороной 17 гильзообразного проводника 2. Как показано на фиг.3, металлический экран 35 перекрывает щель 4 электрически и, таким образом, представляет короткое замыкание между обоими участками 21, 23 стенки. Так как индуцированные переменные токи распространяются только в краевых слоях гильзообразного проводника 2, в то время как внутренняя область металлического гильзообразного проводника 2 по существу свободна от токов и полей, образованное экраном 35 короткое замыкание оказывает влияние только на распространяющийся вдоль внешней стороны 17 переменный ток. Так распространяются индуцированные на внешней стороне 17 гильзообразного проводника 2 токи вдоль внутренней стороны экрана, в то время как внешняя сторона 17 гильзообразного проводника 2 вне экрана 35 практически обесточена и не находится под напряжением. Чтобы оптимизировать ввод ВЧ токов внутрь волновода 11, экран 35 выполнен резонансным. Для этого волноводные свойства устройства 13 ввода настроены таким образом, что для распространяющихся внутри экрана переменных токов в зоне щели 4 создается по возможности высокий импеданс.To prevent the propagation of HF currents along the outer side 17 of the sleeve-like conductor 2, the shielding housing 35 is electrically connected to the outer side 17 of the sleeve-like conductor 2. As shown in FIG. 3, the metal shield 35 overlaps the slot 4 electrically and thus presents a short circuit between both sections 21, 23 of the wall. Since the induced alternating currents propagate only in the boundary layers of the sleeve-like conductor 2, while the inner region of the metal sleeve-like conductor 2 is substantially free of currents and fields, the short circuit formed by the shield 35 only affects the alternating current propagating along the outer side 17. Thus, the currents induced on the outer side 17 of the sleeve-like conductor 2 propagate along the inner side of the shield, while the outer side 17 of the sleeve-like conductor 2 outside the shield 35 is practically de-energized. To optimize the input of RF currents into the waveguide 11, the screen 35 is made resonant. For this, the waveguide properties of the input device 13 are configured in such a way that for the alternating currents propagating inside the screen in the zone of the gap 4, an impedance as high as possible is created.

Фиг.5 показывает вид сбоку другой формы выполнения горизонтального волновода 11. В этой форме выполнения вокруг внешнего периметра волновода 11 предусмотрено несколько отдельных устройств 13 ввода для ввода ВЧ мощности. Устройства 13 ввода соединены с управляющим устройством 500. Управляющее устройство 500 управляет устройствами ввода таким образом, чтобы в волноводе 11 создавалось электромагнитное поле, которое распространяется вдоль продольного направления волновода 11. Фиг.6 показывает схематичное представление поперечного сечения устройств 13 ввода и волновода 11.5 shows a side view of another embodiment of a horizontal waveguide 11. In this embodiment, several separate input devices 13 for inputting RF power are provided around the external perimeter of the waveguide 11. The input devices 13 are connected to the control device 500. The control device 500 controls the input devices so that an electromagnetic field is generated in the waveguide 11, which propagates along the longitudinal direction of the waveguide 11. FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of the input devices 13 and the waveguide 11.

Фиг.7 показывает продольное сечение устройства 13 ввода и фрагмент гильзообразного проводника 2. Устройство 13 ввода выполнено аналогично устройству 13 ввода по фиг.3. Особенностью этой формы выполнения является то, что предусмотрено несколько щелей 4, которые расположены распределенным образом вокруг периметра волновода 11. С каждой щелью 4 сопоставлено по меньшей мере одно устройство 13 ввода с по меньшей мере одним ВЧ передатчиком 6 с твердотельными транзисторами 29. Для каждого отдельного устройства 13 ввода предусмотрен экран 35. Щели 4 устройств 13 ввода предпочтительно размещены на круговой линии перпендикулярно продольной протяженности гильзообразного проводника 2. В зависимости от выбранной формы выполнения щели 4 могут иметь разную длину и/или разную ширину. Кроме того, щели 4 могут быть размещены и в другой ориентации, например со смещением в сторону от круговой линии, в частности перпендикулярно продольной протяженности волновода 11. К тому же щели 4 могут быть расположены продольной стороной параллельно продольной оси волновода 11, причем предпочтительно несколько щелей размещены параллельно друг другу. Предпочтительным образом щели размещены с одинаковым интервалом вокруг периметра гильзообразного проводника 2.Fig.7 shows a longitudinal section of the input device 13 and a fragment of the sleeve-like conductor 2. The input device 13 is made similar to the input device 13 in Fig.3. A feature of this embodiment is that several slots 4 are provided, which are distributed in a distributed manner around the perimeter of the waveguide 11. At least one input device 13 with at least one RF transmitter 6 with solid state transistors 29 is associated with each slot 4. the input device 13 is provided with a screen 35. The slots 4 of the input device 13 are preferably placed on a circular line perpendicular to the longitudinal extent of the sleeve-like conductor 2. Depending on the selected shape, The slots 4 may have different lengths and / or different widths. In addition, the slots 4 can be placed in a different orientation, for example, offset to the side from the circular line, in particular perpendicular to the longitudinal length of the waveguide 11. In addition, the slots 4 can be located with the longitudinal side parallel to the longitudinal axis of the waveguide 11, and preferably several slots placed parallel to each other. Preferably, the slots are placed at equal intervals around the perimeter of the sleeve-like conductor 2.

Фиг.8 показывает поперечное сечение по линии VI-VI на фиг.7. На фиг.8 три ВЧ передатчика 6 размещены у щели 4 в экранирующем корпусе 35.Fig.8 shows a cross section along the line VI-VI in Fig.7. In Fig. 8, three RF transmitters 6 are located at the slot 4 in the shielding housing 35.

Фиг.9 показывает в схематичном представлении принцип функционирования устройства 13 ввода с представлением паразитного тока I, который протекает по внешней стороне 17 гильзообразного проводника 2 и по внутренним сторонам экранирующего корпуса 35. За счет выбора геометрии и материала экранирующего корпуса 35 паразитный ток I может поддерживаться по возможности малым.Fig. 9 shows in a schematic representation the operating principle of an input device 13 with a representation of stray current I, which flows along the outer side 17 of the sleeve-like conductor 2 and on the inner sides of the shielding case 35. By selecting the geometry and material of the shielding case 35, the stray current I can be supported by opportunities are small.

В предложенном устройстве ВЧ генерация и ВЧ преобразование интегрированы в резонансную структуру. Преобразователь встроен в структуру, которая состоит из резонатора в качестве первой полости, второй полости, по существу замкнутой для частоты ВЧ энергии, и, например, щелеобразного соединения 4 между обеими полостями. Первая полость образована экраном 35. Вторая полость образована внутренностью гильзообразного проводника 2 волновода 11. ВЧ ток вводится в кромки 25 щели 4. Обе полости выполнены таким образом, что введенная в щель электромагнитная мощность главным образом ответвляется в волновод 11, который выполнен, например, как ВЧ резонатор. Это достигается тем, что кромки щели в гильзообразном проводнике имеют компоненту направления, перпендикулярную пристеночному току желательной резонансной моды.In the proposed device, the RF generation and RF conversion are integrated into the resonant structure. The converter is integrated in the structure, which consists of a resonator as a first cavity, a second cavity substantially closed to the RF energy frequency, and, for example, a slot-like connection 4 between both cavities. The first cavity is formed by the shield 35. The second cavity is formed by the inside of the sleeve-like conductor 2 of the waveguide 11. The RF current is introduced into the edges 25 of the slit 4. Both cavities are designed so that the electromagnetic power introduced into the slot is mainly branched into the waveguide 11, which is made, for example, as RF cavity. This is achieved by the fact that the edges of the slit in the sleeve-like conductor have a directional component perpendicular to the near-wall current of the desired resonant mode.

Импеданс экранирующего корпуса 35 для высокой частоты, выдаваемой ВЧ передатчиком, например, по меньшей мере в десять раз выше, чем импеданс волновода при резонансной частоте ВЧ передатчика. К тому же предпочтительно никакая резонансная частота второй полости не лежит вблизи рабочей частоты ВЧ резонатора и при необходимости также не находится в диапазоне ее верхних гармоник. Вторая полость образована экранирующим корпусом 35 и лежащими внутри экранирующего корпуса 35 участками гильзообразного проводника 2.The impedance of the shielding housing 35 for the high frequency provided by the RF transmitter, for example, is at least ten times higher than the impedance of the waveguide at the resonant frequency of the RF transmitter. Moreover, preferably, no resonant frequency of the second cavity lies near the operating frequency of the RF resonator and, if necessary, is also not in the range of its upper harmonics. The second cavity is formed by the shielding housing 35 and lying inside the shielding housing 35 sections of the sleeve-like conductor 2.

Кроме того, питающие кромки щели предпочтительно находятся вблизи линии узла тока резонансной моды, или питающие кромки щели по существу перпендикулярны направлению пристеночного тока соответствующей резонансной моды. Питание преобразователя может осуществляться таким образом, что окружающая полость прозрачна по отношению к генерируемому питающим током электромагнитному полю, например, через нормально проводящий металлический корпус и питание постоянного тока.In addition, the supply edges of the slit are preferably near the line of the current node of the resonant mode, or the supply edges of the slit are substantially perpendicular to the direction of the near-wall current of the corresponding resonance mode. The power supply of the converter can be carried out in such a way that the surrounding cavity is transparent with respect to the electromagnetic field generated by the supply current, for example, through a normally conducting metal casing and DC power.

Claims

1. Coaxial waveguide (11) with a central conductor (1) and with a sleeve conductor (2) that surrounds the center conductor (1), characterized in that the sleeve conductor (2) has a slot (4) and that an RF transmitter (6) is provided ) to enter the RF power into the slot (4).

2. The waveguide according to claim 1, characterized in that the slot (4) is limited by two opposite lateral edges (25) of the sleeve-like conductor (2) and that the RF transmitter (6) is connected to the lateral edges (25) to input the RF power.

3. The waveguide according to claim 1, characterized in that the RF transmitter (6) is covered with a shielding housing (35).

4. The waveguide according to claim 3, characterized in that several RF transmitters (6) are provided, that several RF transmitters (6) are connected to a slot (4) for inputting RF power.

5. The waveguide according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the slot (4) extends along the entire perimeter of the waveguide (11).

6. The waveguide according to any one of claims 1 to 3, characterized in that there are several slots (4) distributed around the perimeter of the sleeve-like conductor (2), and for each slot there is an RF transmitter (6) that is connected to the corresponding slot (4 ) to introduce RF power into the waveguide (11), and that the RF transmitters (6) are provided with a shield (35).

7. The waveguide according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the waveguide (11) is connected to the RF resonator (5).