RU2802497C1 - Баночное окно вывода энергии свч - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к вакуумно-плотным баночным окнам в выводах энергии СВЧ, и может быть использовано при создании мощных и сверхмощных клистронов. Технический результат - снижение габаритных размеров устройства, повышение технологичности устройства вывода СВЧ энергии, возможность функционирования устройства на двух модах, обеспечивающего высокий уровень передаваемой мощности в S-диапазоне частот, расширение рабочей полосы частот. Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ для передачи СВЧ-мощности содержит отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумно-плотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода, а также первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, расположенные соосно с отрезком круглого волновода и присоединенные к нему с противоположных торцов. Окно дополнительно содержит согласующие элементы на входе и выходе баночного окна, выполненные в виде усеченных конусов, в сочетании с согласующими настроечными элементами в виде индуктивных диафрагм, расположенными во входном и выходном прямоугольных волноводах. 3 ил.

Description

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к вакуумно-плотным баночным окнам в выводах энергии СВЧ, и может быть использовано при создании мощных и сверхмощных клистронов.

Одним из типов выводов энергии электровакуумных приборов СВЧ являются вакуумно-плотные окна баночного типа, представляющие собой отрезки круглого волновода с поперечной диэлектрической перегородкой с соосно подсоединенными к их торцам стандартными прямоугольными волноводами.

Прямоугольные волноводы в баночном выводе энергии работают обычно на самом своем низкочастотном типе волны TE₁₀, имеющем плоскость симметрии в виде магнитной стенки, расположенной перпендикулярно центру широкой стенки волновода, поэтому в соединенном с ними отрезке круглого волновода могут возбуждаться только типы волн, с таким же типом симметрии. Наиболее часто в баночных выводах энергии мощных приборов СВЧ используют типы волн TE₁₁, TM₁₁ круглого волновода или их комбинацию, удовлетворяющие указанному выше условию.

Основным недостатком баночных окон, использующих для передачи СВЧ энергии только один тип волн TE₁₁ или TM₁₁ круглого волновода, является наличие значительной тангенциальной составляющей электрического поля на поверхности керамического диска в месте его соединения с круглым волноводом. Как правило, это соединение осуществляется пайкой, что приводит к значительному снижению пробивной напряженности электрического поля в области спая из-за технологических особенностей.

Для решения указанной проблемы предложено использовать для передачи СВЧ энергии в баночном окне комбинацию из двух распространяющихся типов волн TE₁₁ и TM₁₁ полого круглого волновода, что при подобранных определенным образом размерах вывода должно приводить к значительному снижению (вплоть до 0 В/м) тангенциальной составляющей электрического поля на краю керамического диска, т.е. в области спая и, соответственно, к значительному увеличению максимальной передаваемой мощности [См. подробнее S.Yu. Kazakov. A new traveling-wave mixed-mode RF window with a low electric field in ceramic-metal brazing area //KEK preprint 98-120, (1998), pp. 1-4]. Однако это потребовало значительного увеличения диаметра керамического диска и круглого волновода и включения с каждой его стороны дополнительных отрезков круглого волновода меньшего диаметра.

На основе рассмотренного выше принципа предложена компактная конструкция баночного окна вывода энергии СВЧ, использующего комбинацию из распространяющейся волны типа TE₁₁ и затухающего типа TM₁₁ в полом круглом волноводе, что позволило исключить дополнительные круглые секции и практически вдвое уменьшить диаметр круглого волновода и керамического диска [См. подробнее B.V. Prokofiev, M.A. Martynenko. A Simple Pillbox-Type Mixed-Mode Window for High Power Microwave Devices// in 2017 Eighteenth International Vacuum Electronics Conference (IVEC), (2017). pp. 1-2]. Однако требуется контролировать рабочую частоту СВЧ прибора, т.к. паразитная резонансная частота полого круглого волновода с керамическим диском на типе TM₁₁ находится достаточно близко к центральной частоте полосы пропускания, и при случайном повышении рабочей частоты до нее возможно разрушение керамического диска из-за высокочастотного пробоя или перегрева.

Предложенное техническое решение направлено на устранение недостатков, имеющихся у аналогов и прототипа. Техническим результатом является обеспечение небольших габаритных размеров устройства, повышение технологичности устройства вывода СВЧ энергии, возможность подстройки под требуемые электродинамические характеристики, функционирование устройства на двух модах, обеспечивающее высокий уровень передаваемой мощности в S - диапазоне частот, расширение рабочей полосы частот.

Технический результат достигается тем, что баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ для передачи СВЧ-мощности, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумноплотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода, а также первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, расположенные соосно с отрезком круглого волновода и присоединенные к нему с противоположных торцов, дополнительно содержит согласующие элементы на входе и выходе баночного окна, выполненные в виде усеченных конусов, в сочетании с согласующими настроечными элементами в виде индуктивных диафрагм, расположенными во входном и выходном прямоугольных волноводах, причем, большие основания усеченных конусов располагаются в местах стыков с отрезком круглого волновода и равны радиусу отрезка круглого волновода, а радиусы меньших оснований усеченных конусов располагаются в местах стыков с прямоугольными волноводами и равны половине высоты прямоугольных волноводов; нормированные размеры прямоугольных волноводов определяются как:

и ,

где - длина волны в центре рабочего диапазона баночного окна,

, - ширина и высота прямоугольных волноводов;

нормированные размеры отрезка круглого волновода и диэлектрического диска, обеспечивающих передачу СВЧ мощности через баночное окно на волнах типов ТЕ₁₁ и ТМ ₁₁, определяются соотношениями:

,

где - радиус круглого волновода;

,

где - длина отрезка круглого волновода перед диэлектрическим диском;

,

где - толщина диэлектрического диска, - относительная диэлектрическая проницаемость диска;

нормированная высота усеченных конусов определяется соотношением:

,

положение и нормированные размеры согласующих настроечных индуктивных диафрагм определяются следующими соотношениями:

,

где - расстояние от согласующих настроечных индуктивных диафрагм до круглого волновода;

,

где - толщина согласующих настроечных индуктивных диафрагм;

,

где - ширина согласующих настроечных индуктивных диафрагм.

Сущность технического решения состоит в следующем. Дополнительное введение согласующих элементов в виде усеченных конусов на входе и выходе баночного окна позволяет расширить рабочую полосу частот за счет снижения отражений. Индуктивные согласующие элементы в виде индуктивных диафрагм не только позволяют практически полностью убрать отражения в рабочей полосе частот, но и дают возможность осуществлять настройку устройства в процессе изготовления. Указанные пределы изменения нормированных размеров элементов устройства обеспечивают передачу СВЧ мощности через баночное окно на волнах типов ТЕ₁₁ и ТМ₁₁ при минимальных диэлектрических потерях в керамическом диске. Выход за указанные пределы приводит к нарушению работы устройства и повышению вероятности высокочастотных пробоев.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид баночного окна вывода энергии СВЧ, а) - вид сбоку, б) - вид сверху, в) - вид спереди, где:

1 - отрезок круглого волновода;

2 - поперечная диэлектрическая перегородка в виде диска;

3, 4 - входной/выходной отрезки прямоугольных волноводов;

5, 6 - согласующие элементы в виде усеченных конусов;

7, 8 - согласующие настроечные элементы в виде индуктивных диафрагм.

На фиг. 2. представлена зависимость КСВН входа баночного окна вывода энергии СВЧ в широкой (а) и рабочей (б) полосах частот, на фиг. 3. - частотные зависимости в рабочей полосе мощности диэлектрических потерь в керамическом диске (а) и максимальной напряженности электрического поля (б) баночного окна вывода энергии СВЧ.

Устройство работает следующим образом. Баночное окно вывода энергии СВЧ содержит отрезок круглого волновода 1, в средней части которого установлена поперечная диэлектрическая перегородка в виде диска 2, вакуумноплотно соединенная со стенками отрезка круглого волновода 1 и отрезки прямоугольных волноводов 3, 4 соосно присоединенные к отрезку круглого волновода 1 с противоположных его концов через согласующие элементы в виде усеченных конусов 5, 6. Входная мощность поступает во входной прямоугольный волновод 3 и распространяется в нем в виде волны типа TE₁₀, а на стыке. его с круглым волноводом 1 в области дополнительного согласующего элемента 5 преобразуется в распространяющийся тип TE₁₁ и затухающий тип TM₁₁ круглого волновода 1, которые проходят через диэлектрическую перегородку 2. Далее в области дополнительного согласующего элемента 6 на стыке круглого волновода 1 с выходным отрезком прямоугольного волновода 4 происходит обратное преобразование в волну типа TE₁₀ выходного прямоугольного волновода 4. Расположенный во входном прямоугольном волноводе 3 согласующий настроечный элемент в виде индуктивной диафрагмы 7, компенсирует отраженные волны от остальных элементов устройства, находящихся за ним. Расположенный в выходном прямоугольном волноводе 4 согласующий настроечный элемент в виде индуктивной диафрагмы 8, компенсирует отраженные волны от остальных элементов устройства, находящихся перед ним. При наличии технологических отклонений элементов устройства в процессе изготовления положение и размер согласующих настроечных элементов 7, 8 могут быть изменены для обеспечения требуемых электродинамических характеристик.

Пример реализации. Баночное окно изготовлено из меди. Диэлектрическая перегородка выполнена в виде диска из керамики ВК94-1 с относительной диэлектрической проницаемостью 9.3, тангенсом угла потерь и вакуумноплотно соединена со стенками отрезка круглого волновода с помощью пайки припоем ПЗлМ35В. Пайка отрезка круглого волновода с впаянной диэлектрической перегородкой с дополнительными согласующими элементами в виде усеченных конусов осуществлена с помощью припоя ПСрМПд65-0-15В. Пайка входного/выходного прямоугольных волноводов к усеченным конусам и индуктивных диафрагм реализована с помощью припоя ПСр72.

Элементы устройства имеют следующие размеры: ширина и высота входного/выходного прямоугольных волноводов - 90x45 мм, радиус отрезка круглого волновода - 51.5 мм, длина отрезка круглого волновода перед диэлектрическим диском - 66 мм, толщина диэлектрического диска - 13.1 мм, высота усеченных конусов - 10 мм, толщина согласующих настроечных индуктивных диафрагм - 3 мм, ширина согласующих настроечных индуктивных диафрагм - 59.48 мм, расстояние от согласующих настроечных индуктивных диафрагм до отрезка круглого волновода - 35.05 мм.

Были проведены испытания устройства. Частотные зависимости КСВН входа баночного окна вывода энергии СВЧ приведены на фиг. 2. Маркер m1 указывает на рабочую частоту . Маркеры m2 и m3 определяют 1% полосу частот симметрично относительно рабочей частоты. Маркеры m4 и m5 определяют рабочую полосу частот по уровню КСВН≤1.1. Как видно из графика (фиг. 2б), КСВН входа баночного окна на рабочей частоте и на границах полосы частот (1%) имеет величину менее 1.01. Рабочая полоса частот по уровню КСВН≤1.1 составляет 3%, что больше в 3 раза относительно прототипа.

Пик КСВН на частоте (маркер m6 на фиг. 2а) соответствует паразитной резонансной частоте волны типа TM₁₁ круглого волновода с диэлектрическим диском. Располагается он на 3.9% выше рабочей частоты , что по сравнению с прототипом (1.5%) не является критичным для сверхмощных клистронов, имеющих, как правило, полосу усиливаемых частот ≤1.5%.

Для данной конструкции баночного окна значение на 3.9% выше , обеспечивает минимум диэлектрических потерь в диске и близкую к минимуму максимальную напряженность электрического поля во всем окне. При этом мощность диэлектрических потерь в керамическом диске уменьшилась в 1.8 раза по сравнению с прототипом. Частотные зависимости указанных величин в 3%-ной рабочей полосе при входной мощности 20 МВт приведены на фиг. 3.

Данная конструкция баночного окна вывода энергии СВЧ в 3%-й рабочей полосе частот позволяет пропускать мощность до 50 МВт.

Все вышесказанное подтверждает достижение заявленного технического результата.

Изобретение может быть использовано при создании мощных и сверхмощных приборов СВЧ, обеспечивая надежную передачу больших уровней мощности от прибора к нагрузке в достаточно широкой полосе частот.

Claims (21)

1. Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ для передачи СВЧ-мощности, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумно-плотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода, а также первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, расположенные соосно с отрезком круглого волновода и присоединенные к нему с противоположных торцов, отличающееся тем, что дополнительно содержит согласующие элементы на входе и выходе баночного окна, выполненные в виде усеченных конусов, в сочетании с согласующими настроечными элементами в виде индуктивных диафрагм, расположенными во входном и выходном прямоугольных волноводах, причем большие основания усеченных конусов располагаются в местах стыков с отрезком круглого волновода и равны радиусу отрезка круглого волновода, а радиусы меньших оснований усеченных конусов располагаются в местах стыков с прямоугольными волноводами и равны половине высоты прямоугольных волноводов; нормированные размеры прямоугольных волноводов определяются как:
2. и ,
3. где - длина волны в центре рабочего диапазона баночного окна,
4. , - ширина и высота прямоугольных волноводов;
5. нормированные размеры отрезка круглого волновода и диэлектрического диска, обеспечивающих передачу СВЧ мощности через баночное окно на волнах типов ТЕ₁₁ и ТМ ₁₁, определяются соотношениями:
6. ,
7. где - радиус круглого волновода;
8. ,
9. где - длина отрезка круглого волновода перед диэлектрическим диском;
10. ,
11. где - толщина диэлектрического диска,
12. - относительная диэлектрическая проницаемость диска;
13. нормированная высота усеченных конусов определяется соотношением:
14. ,
15. положение и нормированные размеры согласующих настроечных индуктивных диафрагм определяются следующими соотношениями:
16. ,
17. где - расстояние от согласующих настроечных индуктивных диафрагм до круглого волновода;
18. ,
19. где - толщина согласующих настроечных индуктивных диафрагм;
20. ,
21. где - ширина согласующих настроечных индуктивных диафрагм.