УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВОДА-ВЫВОДА СВЧ-МОЩНОСТИ ДЛЯ СПИРАЛЬНОЙ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1996 года по МПК H01J23/36 H01J23/46 

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.

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.

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.

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.

К недостаткам такого устройства можно отнести сравнительно узкий диапазон рабочих частот и некоторое ухудшение КСВН.

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.

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.

Изобретение направлено на решение задачи расширения диапазона рабочих частот при улучшении условий теплоотвода от спирали.

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.

На фиг. 1 и 2 показана схема предлагаемого устройства ввода-вывода СВЧ-мощности соответственно в параллельной и перпендикулярной к оси спирали плоскостях.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Изобретение предназначено для вакуумных электронных приборов, а именно для устройства ввода-вывода СВЧ-мощности для спиральной замедляющей системы и может быть использовано при изготовлении ЛБВ. Сущность изобретения: устройство ввода-вывода СВЧ-мощности для спиральной замедляющей системы представляет собой СВЧ-линию передачи с вакуумно-плотной коаксиальной втулкой. СВЧ-линия передачи соединена экранным проводником с баллоном замедляющей системы, токонесущим проводником через отверстие в баллоне с последним витком спирали. СВЧ-линия передачи выполнена в виде экранированной микрополосковой линии, диэлектрическая подложка которой расположена между последним витком спирали и близким к спирали краем отверстия в баллоне. 2 ил.

Устройство для ввода-вывода СВЧ-мощности для спиральной замедляющей системы, представляющее собой перпендикулярную оси спиральной замедляющей системы СВЧ-линию передачи с расположенной внутри нее вакуумно-плотной коаксиальной втулкой, соединенную экранным проводником с баллоном замедляющей системы, токонесущим проводником через отверстие в баллоне с последним витком спирали, отличающееся тем, что СВЧ-линия передачи выполнена в виде экранированной микрополосковой линии, диэлектрическая подложка которой расположена между последним витком спирали и ближним к спирали краем отверстия в баллоне.