RU2777656C1

RU2777656C1 - Waveguide energy output of a microwave device

Info

Publication number: RU2777656C1
Application number: RU2021139883A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Васильевич Галдецкий; Евгения Александровна Богомолова; Анна Леонидовна Курапова
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-08-08

Abstract

FIELD: microwave devices design.

SUBSTANCE: invention relates to the field of design of microwave devices, in particular to the design of energy outputs of microwave devices. The waveguide energy output of the microwave device contains a transforming segment of an irregular waveguide, in which a quarter-wave loop is located. On the side of the microwave device, the segment of the irregular waveguide includes a segment of the coaxial line connected to the central part of the end wall of the waveguide. The inner conductor of the coaxial line is connected to the free end of the loop, made in the form of a crescent-shaped metal jumper and short-circuited with one of the wide walls of the waveguide at a distance L from the free end, while 0.3a≤L≤0.5a, where a is the width of the waveguide with side of the microwave device. The free end of the loop can be permanently connected to the inner conductor of the coaxial line.

EFFECT: reduction of the voltage standing wave ratio (VSWR) to values less than 1.7 in the operating frequency band of 7.5% and 1.5 in the band of 5.5% while ensuring the transmission of microwave energy of a high power level, simplifying the design of the waveguide energy output and increasing it reliability.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области конструирования СВЧ приборов, в частности, к конструированию выводов энергии СВЧ приборов.The invention relates to the field of design of microwave devices, in particular, to the design of energy outputs of microwave devices.

Известна конструкция вывода энергии приборов СВЧ, содержащая в своей вакуумной части волноводный трансформатор ступенчатого или плавного типа и фильтр для подавления побочных колебаний, совмещенный с одной из ступенек трансформатора. [Авторское свидетельство №321874, МПК H01J 23/32]. В такой конструкции «вафельную» структуру фильтра совмещают с одной из ступенек трансформатора, что позволяет обеспечить высокую электрическую прочность при небольших поперечных размерах вывода энергии.A well-known design for the output of energy from microwave devices, containing in its vacuum part a waveguide transformer of a stepped or smooth type and a filter for suppressing side oscillations, combined with one of the steps of the transformer. [Copyright No. 321874, IPC H01J 23/32]. In this design, the "wafer" structure of the filter is combined with one of the steps of the transformer, which makes it possible to provide high electrical strength with small transverse dimensions of the energy output.

Недостатком этой конструкции является сложность ее технологии изготовления. К тому же, применение данного вывода энергии в СВЧ приборах ограничено по уровню выходной мощности из-за возможности электрического пробоя в «вафельной» структуре фильтра.The disadvantage of this design is the complexity of its manufacturing technology. In addition, the use of this energy output in microwave devices is limited in terms of output power due to the possibility of electrical breakdown in the “wafer” filter structure.

Известна конструкция устройства ввода-вывода СВЧ-мощности, представляющая собой перпендикулярно к оси замедляющей системы (ЗС) прибора, СВЧ-линию передачи, выполненную в виде экранированной микрополосковой линии, диэлектрическая подложка которой расположена между последним проводником ЗС и ближайшим к проводнику краем отверстия в баллоне [Патент RU №2061273, H01J 23/36, 23/46, 1993]. Данное устройство ввода-вывода СВЧ-мощности позволяет получить минимальный КСВН не более 1,35 в полосе частот от 8 до 18 ГГц, обеспечивая хороший теплоотвод от проводника ЗС.A well-known design of the input-output device for microwave power, which is perpendicular to the axis of the slow-wave system (SL) of the device, a microwave transmission line made in the form of a shielded microstrip line, the dielectric substrate of which is located between the last conductor of the SL and the edge of the hole in the cylinder closest to the conductor [Patent RU No. 2061273, H01J 23/36, 23/46, 1993]. This microwave power input-output device allows you to obtain a minimum VSWR of not more than 1.35 in the frequency band from 8 to 18 GHz, providing good heat dissipation from the ES conductor.

Недостатком описанной конструкции является ее использование только в СВЧ приборах с ЗС типа «спираль». Также стоит отметить, что свойства материала диэлектрической подложки должны быть равномерными по всей площади, для получения хорошего согласования (КСВН не более 1.35) в полосе частот от 8 до 18 ГГц. Это приводит к использованию дорогих импортных материалов, что затрудняет реализацию данной конструкции устройства согласования в промышленных масштабах.The disadvantage of the described design is its use only in microwave devices with AP type "spiral". It is also worth noting that the properties of the material of the dielectric substrate must be uniform over the entire area in order to obtain good matching (VSWR no more than 1.35) in the frequency band from 8 to 18 GHz. This leads to the use of expensive imported materials, which makes it difficult to implement this design of the matching device on an industrial scale.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является волноводный вывод энергии СВЧ прибора (прототип) [Авторское свидетельство СССР №321874, H01J 23/32, 1970]. Конструкция вывода энергии содержит трансформирующий отрезок, в котором размещены резонансные диафрагмы, выполняющие роль полосно-пропускающего фильтра. Этим обеспечивается согласование на рабочей частоте и подавление паразитных колебаний вне полосы пропускания.The closest technical solution to the proposed invention is a waveguide energy output of a microwave device (prototype) [USSR Author's certificate No. 321874, H01J 23/32, 1970]. The energy output design contains a transforming section, in which resonant diaphragms are placed, which act as a bandpass filter. This provides matching at the operating frequency and suppression of spurious oscillations outside the passband.

Недостатком такого технического решения является невозможность обеспечения КСВН менее 2 в полосе пропускания более 3% из-за наличия короткозамкнутых шлейфов, подключенных к окнам резонансных диафрагм. А также применение данного вывода энергии в малогабаритных СВЧ-приборах затруднительно, поскольку технология сборки данной конструкции существенно сложная.The disadvantage of this technical solution is the impossibility of providing VSWR less than 2 in the bandwidth of more than 3% due to the presence of short-circuited loops connected to the windows of resonant diaphragms. And also the use of this energy output in small-sized microwave devices is difficult, since the assembly technology of this design is significantly complicated.

Техническим результатом является снижение КСВН до значений менее 1,7 в рабочей полосе частот 7,5% и 1,5 в полосе 5,5% при обеспечении возможности передачи СВЧ энергии высокого уровня мощности, упрощение конструкции волноводного вывода энергии и повышение надежности.The technical result is to reduce the VSWR to values less than 1.7 in the operating frequency band of 7.5% and 1.5 in the band of 5.5%, while providing the possibility of transmitting microwave energy of a high power level, simplifying the design of the waveguide energy output and increasing reliability.

Технический результат достигается тем, что волноводный вывод СВЧ прибора содержит трансформирующий отрезок нерегулярного волновода, в котором расположен четвертьволновой шлейф. Со стороны СВЧ прибора отрезок нерегулярного волновода включает отрезок коаксиальной линии, подключенный к центральной части торцевой стенки волновода, при этом внутренний проводник коаксиальной линии соединен со свободным концом шлейфа, выполненного в виде металлической перемычки серповидной формы и короткозамкнутого с одной из широких стенок волновода на расстоянии L от свободного конца, при этом 0,3а≤ L≤0,5а, где а - ширина волновода со стороны СВЧ прибора.The technical result is achieved by the fact that the waveguide output of the microwave device contains a transforming segment of an irregular waveguide, in which a quarter-wave loop is located. On the side of the microwave device, a segment of an irregular waveguide includes a segment of a coaxial line connected to the central part of the end wall of the waveguide, while the inner conductor of the coaxial line is connected to the free end of the loop, made in the form of a crescent-shaped metal jumper and short-circuited with one of the wide walls of the waveguide at a distance L from the free end, while 0.3a≤ L≤0.5a, where a is the width of the waveguide from the side of the microwave device.

Шлейф может быть соединен с внутренним проводником коаксиальной линии неразъемно.The loop can be permanently connected to the inner conductor of the coaxial line.

Предлагаемая совокупность признаков решения позволяет осуществить постепенную трансформацию TEM-волны в волну H₁₀ прямоугольного волновода за счет более плавного изменения волнового сопротивления внутри отрезка нерегулярного волновода с применением коаксиальной линии описанного вывода энергии, и тем самым снизить уровень отраженной мощности до значений КВСН менее 1,7 в рабочей полосе частот 7,5% и 1,5 в полосе 5,5%. Кроме того, в качестве элемента связи выполнен шлейф серповидной формы, отсутствие ребер обеспечивает увеличенную электрическую прочность конструкции по сравнению с прототипом и повышает надежность прибора. Минимальный уровень КСВН при условии 0,3а≤L≤0,5а.The proposed set of solution features makes it possible to gradually transform a TEM wave into an H ₁₀ wave of a rectangular waveguide due to a smoother change in the wave impedance inside a segment of an irregular waveguide using a coaxial line of the described energy output, and thereby reduce the level of reflected power to VSW values of less than 1.7 in the operating frequency band of 7.5% and 1.5 in the band of 5.5%. In addition, a crescent-shaped cable is made as a connection element, the absence of ribs provides increased electrical strength of the structure compared to the prototype and increases the reliability of the device. The minimum level of VSWR provided 0.3a≤L≤0.5a.

Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

На фиг.1 представлена конструкция волноводного вывода СВЧ прибора и ее поперечное сечение А-А, где:Figure 1 shows the design of the waveguide output of the microwave device and its cross section A-A, where:

- трансформирующий отрезок нерегулярного волновода 1,- transforming segment of irregular waveguide 1,

- четвертьволновой шлейф 2,- quarter-wave loop 2,

- отрезок коаксиальной линии 3,- piece of coaxial line 3,

- торцевая стенка волновода 4,- end wall of the waveguide 4,

- свободный конец шлейфа 5,- free end of the loop 5,

- широкая стенка волновода 6.- wide wall of the waveguide 6.

На фиг. 2 представлена частотная зависимость КСВН предлагаемого волноводного вывода СВЧ прибора (ЛБВ) со спиральной ЗС (а) и с планарной ЗС «меандр» на подвешенной подложке (б) в рабочей полосе.In FIG. Figure 2 shows the frequency dependence of the VSWR of the proposed waveguide output of a microwave device (TWT) with a spiral AP (a) and with a planar AP "meander" on a suspended substrate (b) in the working band.

Пример 1Example 1

Волноводный вывод СВЧ прибора заявленной конструкции был реализован в приборе с ЗС типа «скрещенная лестница» с выходной мощностью более 20 кВт с полосой рабочих частот 5%.The waveguide output of the microwave device of the claimed design was implemented in a device with a "crossed ladder" type AP with an output power of more than 20 kW with an operating frequency band of 5%.

Трансформирующий отрезок нерегулярного волновода 1 с сечениями 23×10 мм, 22×8,4 мм, 21×8 мм, 18,2×8 мм и 15×5 мм. Внутри трансформирующего отрезка 1 расположен четвертьволновой шлейф 2, выполненный из меди толщиной 5 мм и закрепленный на широкой стенке волновода 6 на расстоянии L=7,5 мм от свободного конца 5. В поперечном сечении шлейф 2 имеет серповидную форму. Со стороны СВЧ прибора ширина волновода 1 а=15 мм. Отрезок коаксиальной линии 3, подключенный к центральной части торцевой стенки волновода 4, имеет сечение внутреннего медного проводника 5×1 мм. Свободный конец шлейфа 5 соединен с внутренним проводником коаксиальной линии 3 пайкой.Transforming section of irregular waveguide 1 with sections 23×10 mm, 22×8.4 mm, 21×8 mm, 18.2×8 mm and 15×5 mm. Inside the transforming segment 1 there is a quarter-wave loop 2 made of copper 5 mm thick and fixed on the wide wall of the waveguide 6 at a distance L=7.5 mm from the free end 5. In cross section, the loop 2 has a crescent shape. From the side of the microwave device, the width of the waveguide is 1 a = 15 mm. The section of the coaxial line 3 connected to the central part of the end wall of the waveguide 4 has a cross section of the inner copper conductor 5×1 mm. The free end of the loop 5 is connected to the inner conductor of the coaxial line 3 by soldering.

Волноводный вывод СВЧ прибора обеспечивает КСВН менее 1,5 в рабочей полосе частот 5,5%.The waveguide output of the microwave device provides VSWR less than 1.5 in the operating frequency band of 5.5%.

Предлагаемый волноводный вывод СВЧ прибора работает следующим образом:The proposed waveguide output of the microwave device operates as follows:

Основная TEM-волна коаксиальной линии 3 возбуждает в волноводе 1 со стороны СВЧ прибора аналогичную волну TEM-типа, которая распространяется вдоль шлейфа 2 и трансформируется в основную волну H₁₀ прямоугольного волновода на выходе прибора. Шлейф 2, выполненный в виде металлической перемычки, выполняет роль трансформатора типов волн. Тем самым обеспечивается минимальный уровень отраженной мощности от стыка двух линий передачи: коаксиальной линии 3 и волновода 1.The main TEM wave of the coaxial line 3 excites in the waveguide 1 from the side of the microwave device a similar TEM-type wave, which propagates along the stub 2 and transforms into the main wave H _{10 of} the rectangular waveguide at the output of the device. Loop 2, made in the form of a metal jumper, acts as a wave type transformer. This ensures the minimum level of reflected power from the junction of two transmission lines: coaxial line 3 and waveguide 1.

Таким образом, заявлена простая конструкция волноводного вывода СВЧ прибора, которая обеспечивает передачу СВЧ энергии высокого уровня мощности с минимальным КСВН в широкой полосе частот по сравнению с прототипом. Конструкция вывода имеет повышенную надежность.Thus, a simple design of the waveguide output of a microwave device is claimed, which ensures the transmission of microwave energy of a high power level with a minimum VSWR in a wide frequency band compared to the prototype. The output design has increased reliability.

Claims

1. Waveguide energy output of a microwave device, containing a transforming segment of an irregular waveguide, in which a quarter-wave loop is located, characterized in that on the side of the microwave device, a segment of an irregular waveguide includes a segment of a coaxial line connected to the central part of the end wall of the waveguide, while the inner conductor of the coaxial line connected to the free end of the loop, made in the form of a crescent-shaped metal jumper and short-circuited with one of the wide walls of the waveguide at a distance L from the free end, while 0.3a≤ L≤0.5a, where a is the width of the waveguide from the side of the microwave device.

2. Waveguide output of energy according to claim 1, characterized in that the free end of the loop is connected to the inner conductor of the coaxial line inseparably.