СПОСОБ ОТБРАКОВКИ ОПОРНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПАКЕТА ПРИБОРА СВЧ Российский патент 1997 года по МПК H01J23/30 

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к способу изготовления внутриламповых локальных поглотителей энергии сверхвысоких частот (СВЧ) на опорных диэлектрических стержнях с заданным распределением вносимых потерь по длине высокочастотного пакета СВЧ-прибора, выполненным с высокой точностью.

В связи с решением задачи оптимизации параметров приборов СВЧ возросло значение локального поглотителя как элемента управления выходными параметрами и характеристиками приборов СВЧ. Поэтому большой интерес вызывает изготовление локальных поглотителей с минимальными допусками на разброс функциональных параметров, в том числе профиля распределения вносимых потерь по длине высокочастотного пакета, что способствует изготовлению приборов СВЧ с идентичными выходными параметрами и характеристиками (см. Поздняков Л.В. Милютин Д.Д. Поглотители энергии в электровакуумных СВЧ-приборах. ч.6, Теория допусков: Обзоры по электронной технике. Сер.1, Электроника СВЧ. М. ЦНИИ "Электроника", 1984, вып. 1 (999), с.55).

Существуют следующие способы отработки наименьших допусков на разброс функциональных параметров пленочных локальных поглотителей:
1. Посредством отбраковки пленочных локальных поглотителей по величине поверхностного сопротивления пленки на постоянном токе, являющимся косвенным методом контроля, не обеспечивающим в силу этого нужной точности функциональных параметров.

2. Посредством отбраковки пленочных локальных поглотителей по величине вносимого ослабления в волноводе или резонаторе, также являющимся косвенным методом контроля, не обеспечивающим нужной точности функциональных параметров (см. Поздняков Л.В. Селихова Т.Ю. Поглотители энергии в электровакуумных СВЧ приборах. ч. 2. Методика расчета и измерения: Обзоры по электронной технике. Сер.1, Электроника СВЧ. -М. ЦНИИ "Электроника", 1978, вып.3 (518), с. 72).

Известен способ отбраковки опорных диэлектрических стержней для высокочастотного пакета прибора СВЧ (прототип)-пат. РФ N 1329486, кл. H 01 J 23/30, приоритет от 19.11.85 г. зарегистрированный 8.04.93г. в котором производится отбраковка локальных пленочных поглотителей на опорных диэлектрических стержнях по одному функциональному параметру коэффициенту вносимого в замедляющую систему интегрального затухания. К числу его достоинств относится то, что он является прямым неразрушающим методом отбраковки, позволяющим применить его до сборки прибора СВЧ.

Прототип, однако, не обеспечивает возможности отработки минимальных допусков на разбросы других важных функциональных параметров пленочных локальных поглотителей. Из-под контроля и отбраковки выпадают профиль распределения потерь по длине стержней, длина участка поглотителя, вносящего в высокочастотный пакет заметные потери, местоположение поглотителя в высокочастотном пакете. От точности выполнения вышеназванных функциональных параметров зависит идентичность выходных параметров и характеристик приборов СВЧ. Например, для получения минимального коэффициента амплитудно-фазового преобразования в ЛБВ с замедляющими системами спирального типа патентовались специальные типы профилей распределения вносимых потерь по длине высокочастотного пакета, требующего выполнение с высокой точностью. Ограниченность прототипа препятствует дальнейшему усовершенствованию выходных параметров и характеристик приборов СВЧ, в частности спиральных ЛБВ-наиболее массового типа усилителей СВЧ.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение идентичности параметров приборов СВЧ.

Поставленная задача решается в способе отбраковки опорных диэлектрических стержней для высокочастотного пакета прибора СВЧ, содержащего замедляющую систему и N Опорных диэлектрических стержней с пленочными локальными поглотителями на них, включающем измерение характеристик поглощения СВЧ-мощности пленочным локальным поглотителем и определение годности опорного диэлектрического стержня с помощью макета, содержащего замедляющую систему с N-1 опорными стержнями, помещенную в цилиндрическую обойму со сквозным продольным пазом, через который устанавливают один испытуемый стержень, закрепляемый прижимом ножевого типа, тем, что в пролетный канал замедляющей системы вводят штыревой коаксиальный зонд через центральное отверстие в центрирующей втулке, измеряют относительный уровень амплитуды и фазу сигнала в различных точках замедляющей системы, а о годности локального поглотителя на испытуемом стержне судят по равенству значений ослабления сигнала, длины участка вносимых потерь и сдвига фаз по длине стержня, заданным значениям параметров.

Способ отбраковки опорных диэлектрических стержней для высокочастотного пакета прибора СВЧ реализован с помощью устройства для отбраковки опорных диэлектрических стержней (фиг.1), представляющего собой разборный макет высокочастотного пакета прибора СВЧ и содержащего замедляющую систему 1, закрепленную обоймой 2 в полости, идентичной полости высокочастотного пакета, с N-1 опорными диэлектрическими стержнями 3 (где N число опорных диэлектрических стержней в высокочастотном пакете прибора СВЧ). Один конец замедляющей системы присоединен к вводу энергии 4, второй конец свободно оборван. В обойме 2 выполнен продольный сквозной паз 5 по всей длине обоймы. Через паз 5 пропущен прижим 6 ножевого типа, торцевая часть которого направлена к замедляющей системе 1. Прижим 6 выполнен с возможностью перемещения через паз 5 в вертикальном направлении. Торцевой частью прижим давит на испытуемый диэлектрический стержень 7 с пленочным локальным поглотителем 8, который прижимается рабочей поверхностью к замедляющей системе 1. Требуемое усилие механического прижатия стержня 7 обеспечивается весом прижима 6. С целью отбраковки опорных диэлектрических стержней паз 5 и торцевая часть прижима 6 должны превышать длину поглотителей 8. Для центровки испытуемого диэлектрического стержня 7 с поглотителем 8 в устройстве устанавливаются крепящие втулки 9, в пазах на внешней поверхности которых размещают концы испытуемого стержня 7 и опорных диэлектрических стержней 3. В крепящей втулке 9, расположенной со стороны, противоположной вводу 4, просверливается сквозное отверстие 10, соразмерное и соосное с отверстием пролетного канала замедляющей системы 1. Через отверстие 10 в пролетный канал вставляется штыревой коаксиальный зонд 11. В коаксиальном зонде внутренний проводник выступает в виде штыря 12 за пределы наружного цилиндрического проводника, выполняя роль приемной антенны. Цилиндрический проводник придает зонду необходимую жесткость. Жесткость зонда возрастает, если между наружным цилиндрическим проводником и внутренней жилой размещается диэлектрик из стекла, керамики или фторопласта. С целью уменьшения коэффициента отражения от зонда, находящегося внутри пролетного канала замедляющей системы, наружная поверхность цилиндрического проводника покрывается тонким слоем поглощающего материала, например, ферроэпоксида или аквадага. Противоположный от штыря конец коаксиального зонда присоединяется к стандартному разъему 13, позволяющему присоединить зонд к измерителю разности фаз и отношений уровней (фазометру) типа ВК2-33. Наружный диаметр зонда выбирается равным 0,7 0,9 от внутреннего диаметра пролетного канала замедляющей системы. Поскольку штырь 12 направлен по оси пролетного канала, в нем наводится сигнал, пропорциональный продольной компоненте электрического поля волны, распространяющейся в замедляющей системе.

Сопоставительный анализ предлагаемого способа отбраковки с прототипом показывает наличие новых операций: введение коаксиального штыревого зонда в пролетный канал замедляющей системы, контролируемое перемещение зонда по длине пролетного канала в замедляющей системе, замер относительного уровня мощности и фазы сигнала, отбираемого зондом из замедляющей системы в различных точках по длине пролетного канала, определение местоположения и длины участка вносимых потерь поглотителя, нанесенного на испытуемый стержень.

Наличие перечисленных признаков в предлагаемом способе позволяет:
во-первых, по мере прохождения зондом длины пролетного канала замедляющей системы снимать профиль потерь Ln(x) по длине замедляющей системы, подсчитываемые нарастающим итогом (накапливаемые потери), где X текущая координата вдоль пролетного канала замедляющей системы;
во-вторых, по форме профиля накапливаемых потерь определить коэффициент вносимого интегрального затухания поглотителя (основной признак прототипа), длину и местоположение поглотителя в замедляющей системе;
в-третьих, по изменению амплитуды сигнала в каждой точке замедляющей системы (по профилю накапливаемых потерь) определить величину дифференциальных потерь в каждой точке по длине замедляющей системы;
в-четвертых, по профилю дифференциальных потерь определить длину и профиль участков согласования локального поглотителя с замедляющей системой.

Отбраковка производилась на опорных диэлектрических стержнях из керамического материала ВеО длиной 160 мм, на поверхность которых наносился пленочный поглотитель с требуемой длиной 50±2 мм и требуемой величиной поглотитель вносимого в замедляющую систему затухания каждого отдельного стержня 18 + 2 дБ. Поглощающее покрытие наносилось методом вакуумного пиролиза гептана. Изготовленные стержни с поглотителями последовательно друг за другом вставлялись в устройство, показанное на фиг.1, и производились измерения профиля накапливаемых потерь для каждого стержня в отдельности. Типовая экспериментальная графическая кривая накапливаемых потерь по длине замедляющей системы (или опорного стержня) представлена на фиг.2. Перепад между уровнями накопительной кривой по оси ординат определит величину интегрального вносимого в замедляющую систему 3 затухания поглотителя (должна находиться в пределах 18 + 2 дБ). Разность расстояний между концом перепада кривой и ее началом по оси абсцисс определит длину участка поглотителя, вносящего в замедляющую систему потери по факту (должна находиться в пределах 50±22 мм.). Для более точного анализа геометрических характеристик поглотителя на фиг.3 приведен профиль распределения дифференциальных потерь поглотителя (каждое значение графика по оси ординат на фиг.3 определяет тангенс угла наклона касательной к кривой на фиг.2 в совпадающих точках по длине пролетного канала замедляющей системы). Профиль на фиг.3 показал, что со стороны вывода энергии в ЛБВ поглотитель заканчивается длинным согласующим участком плавного спадения дифференциальных потерь длиною 30 мм (участок АВ). Его длина составляет около 60% от общей длины поглотителя, что заведомо гарантирует удовлетворительное согласование поглотителя с регулярной замедляющей системой по отношению к отраженной от вывода энергии волне усиливаемого сигнала. С противоположной стороны поглотитель заканчивается относительно коротким участком плавного спадания дифференциальных потерь длиною 12 мм (участок СД). Между согласующими участками профиль имеет короткий участок длиной 8 мм (участок ВС) постоянных дифференциальных потерь величиной 0,85 дБ/мм.

В процессе отбраковки поглотителей на опорных керамических стержнях произведена статистическая обработка результатом измерений параметров, представленных в виде гистограмм для длины поглощающего участка на фиг.4 и величины коэффициента вносимого интегрального затухания на фиг.5 после операции нанесения поглощающей пленки (выборка производилась для 50 опорных стержней с поглотителями). На фиг.4 и 5 нанесены также поля допусков в виде заштрихованных областей. Среднее значение длины поглотителя составило 49,44 мм, а выход годных 71% Соответственно среднее значение коэффициента интегрального вносимого затухания составило 18,2 дБ, выход годных 43% В результате суммарный выход годных поглотителей составил 30% после операции нанесения поглощающей пленки. Однако это значение выхода не явилось окончательным. Во-вторых, забракованные стержни с заниженным измеренным значением коэффициента вносимого затухания менее 18 дБ и с заниженной измеренной длиной менее 48 мм возвращались на операцию повторного нанесения поглощающей пленки и отбраковки до тех пор, пока измеренные коэффициент вносимого затухания и длина поглотителя не оказывались в вышеуказанных пределах. Во-вторых, если измеренные коэффициенты затухания превышал 20 дБ, а длина поглотителя превышала 52 мм, то часть поглощающей пленки снималась шлифовальной шкуркой до тех пор, пока вышеназванные параметры не попадали в заданных пределы 18 20 дБ и 48 52 мм. В результате суммарный выход годных возрос до 70% что обусловило техническую выполняемость и экономическую целесообразность предлагаемого неразрушающего способа отбраковки.

Пример реализации способа.

Ввод устройства присоединяют к генератору СВЧ, работающему в рабочем диапазоне частот ЛБВ. Вывод зонда присоединяют к измерителю уровня СВЧ мощности. Например, в качестве измерителя может быть использован фазометр ФК2-33, самописец, синхронизованный со скоростью движения зонда в пролетном канале замедляющей системы. Вносят в устройство и размещают испытуемый стержень и торцевую часть прижима. Вставленный в пролетный канал замедляющей системы зонд выдвигается с постоянной скоростью из пролетного канала таким образом, чтобы штырь зонда прошел под всей областью возможного расположения поглотителя. Одновременно на самописце записывается уровень измеряемого зондом сигнала в виде графика, показывающего зависимость этого уровня в относительных (относительно начального уровня) единицах (например, в дБ) От местоположения штыря зонда.

После проведения измерений на записанный график накладывается трафарет, в котором отмечены разрешенные разбросы (допуски) на величину суммарного затухания и геометрические размеры поглотителя на опорном стержне, в том числе и допуск на длину и местоположение поглотителя. Если записанный график укладывается в требуемых допусках трафарета, то данный поглотитель с испытуемым стержнем считают годным для высокочастотного пакета ЛБВ.

Использование: микроэлектроника. Сущность изобретения: способ реализован с помощью устройства, содержащего замедляющую систему (ЗС) и N опорных диэлектрических стержней с пленочными локальными поглотителями на них и включают измерение характеристик поглощения СВЧ-мощности пленочным локальным поглотителем и определение годности опорного диэлектрического стержня с помощью макета, содержащего ЗС с N-1 опорными стержнями, помещенную в цилиндрическую обойму со сквозным продольным пазом, через который устанавливают один испытуемый стержень, закрепляемый прижимом ножевого типа. В пролетный канал ЗС вводят штыревой коаксиальный зонд через центральное отверстие в центрирующей втулке, измеряют относительный уровень амплитуды и азу сигнала в различных точках ЗС, а о годности локального поглотителя на испытуемом стержне судят по равенству значений ослаблений сигнала, длины участка вносимых потерь и сдвига фаз по длине стержня заданным значением параметров. 5 ил.

Способ отбраковки опорных диэлектрических стержней для высокочастотного пакета СВЧ-прибора, содержащего замедляющую систему и N опорных диэлектрических стержней с пленочными локальными поглотителями на них, включающий измерение характеристик поглощения СВЧ-мощности пленочным локальным поглотителем и определение годности опорного диэлектрического стержня с помощью макета, содержащего замедляющую систему с N-1 опорными стержнями, помещенную в цилиндрическую обойму со сквозным продольным пазом, через который устанавливают один испытуемый стержень, закрепляемый прижимом ножевого типа, отличающийся тем, что в пролетный канал замедляющей системы вводят штыревой коаксиальный зонд через центральное отверстие в центрирующей втулке, измеряют относительный уровень амплитуды и фазу сигнала в различных точках замедляющей системы, а о годности локального поглотителя на испытуемом стержне судят по равенству значений ослабления сигнала, длины участка вносимых потерь и сдвига фаз по длине стержня заданным значениям параметров.