МОЩНАЯ КОАКСИАЛЬНАЯ НАГРУЗКА СВЧ Российский патент 1997 года по МПК H01P1/26 

Изобретение относится к ВЧ-технике, а точнее к устройствам для поглощения ВЧ мощности, и может использоваться в качестве оконечной нагрузки коаксиальных трактов.

Известны коаксиальные нагрузки СВЧ, содержащие короткозамкнутый с одной и разомкнутый с другой стороны отрезок коаксиальной линии, состоящий из цилиндрического тонкопленочного поглотителя, заключенного в коаксиальный с ним трансформирующий наружный проводник, внутренний диаметр d₂ которого для обеспечения широкополосного согласования нагрузки выполнен изменяющимся по экспоненциальному закону (1)

где d₁ диаметр поглотителя;
Z₀ 120 Ом волновое сопротивление свободного пространства;
R сопротивление поглотителя;
L длина поглотителя;
x координата поперечного сечения, отсчитываемая от короткозамкнутого конца коаксиального отрезка.

Отвод тепла от поглотителя в таких нагрузках производится за счет естественной или вынужденной (обдув) конвекции воздуха.

Нагрузки с воздушным охлаждением имеют недостаточно высокий уровень поглощаемой мощности.

Известны нагрузки на высокий уровень мощности, в которых тонкопленочный поглотитель заключен в цилиндрическую диэлектрическую трубу с зазором для протока охлаждающей жидкости между поглотителем и внутренней поверхностью трубы, а трансформирующий наружный проводник имеет ступенчатую форму [2, 3]
Недостатками нагрузок со ступенчатыми трансформаторами являются токовые перегрузки в поглотителе в местах ступенчатого изменения диаметра внешнего проводника при поглощении большой импульсной ВЧ мощности; недостаточно высокий уровень согласования в широкой полосе частот (КСВ 1,1 1,15); ограничение рабочей полосы частот длиной поглотителя: согласование с КСВ ≅ 1,1 нагрузка с двухступенчатым трансформатором [2] обеспечивает в диапазоне длин волн L ≅ 0,46 λ, а с трехступенчатым [3] в диапазоне L ≅ 0,87 - 0,92 λ; неравномерное распределение тока по длине поглотителя.

Известна коаксиальная нагрузка на высокий уровень мощности, выбранная в качестве прототипа [4] содержащая короткозамкнутый с одной стороны и разомкнутый с другой отрезок коаксиальной линии, состоящий из цилиндрического тонкопленочного поглотителя, заключенного в коаксиальную с ним цилиндрическую диэлектрическую трубу с зазором для протока охлаждающей жидкости между поглотителем и внутренней поверхностью трубы, и наружного трансформирующего проводника с плавно изменяющимся по длине внутренним диаметром, который определяется в любом сечении нагрузки согласно выражению:

где D₀ исходный диаметр наружного проводника, приблизительно равный наружному диаметру диэлектрической трубы;
К, С безразмерные коэффициенты, постоянные для каждого типа резистора, точные значения которых определяются путем численного моделирования на ЭВМ итерационным двумерным поиском, например для резистора УВI-50-51 Ом К 0,86, С 1,76.

Конструкция прототипа с плавным трансформатором обеспечивает отсутствие токовых перегрузок при поглощении импульсной ВЧ мощности, лучшее согласование в нижней части частотного диапазона (КСВ ≅ 1,05) по сравнению со ступенчатыми трансформаторами.

Недостатком прототипа является недостаточно хорошее согласование в верхней части частотного диапазона (например, для нагрузки на резисторе УВI-50-51 Ом КСВ ≅ 1,1 в диапазоне частот от 0 до 200 250 МГц, а на частоте 400 МГц КСВ 1,4 ), что ограничивает возможную длину поглотителя и, соответственно, мощность широкополосной нагрузки.

Задача, решаемая настоящим изобретением, улучшение основных рабочих характеристик коаксиальной нагрузки на основе тонкопленочного поглотителя: расширение полосы частот согласования при минимальном заданном уровне КСВ, увеличение уровня поглощаемой мощности.

Для решения поставленной задачи в коаксиальной нагрузке СВЧ на высокий уровень мощности, содержащей короткозамкнутый с одной стороны и разомкнутый с другой отрезок коаксиальной линии, состоящий из цилиндрического поглотителя, заключенного в коаксиальную с ним цилиндрическую трубу с зазором для протока охлаждающей жидкости между поверхностью поглотителя и внутренней поверхностью трубы, и наружного трансформирующего проводника с плавно сужающимся поперечным сечением по направлению от разомкнутого к короткозамкнутому отрезку, этот проводник на участке нагрузки между разомкнутым концом коаксиального отрезка и сечением, в котором внутренний диаметр наружного проводника равен внешнему диаметру диэлектрической трубы, имеет внутренний диаметр d₄, изменяющийся в соответствии с выражением

где x координата поперечного сечения, отсчитываемая от короткозамкнутого конца отрезка;
d₁ диаметр поглотителя;
d₂ внутренний диаметр диэлектрической трубы;
d₃ внешний диаметр диэлектрической трубы;
ε₁ относительная диэлектрическая проницаемость охлаждающей жидкости;
ε₂ относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической трубы;
ε₃ относительная диэлектрическая проницаемость среды между диэлектрической трубой и наружным проводником;
L длина поглотителя;
R сопротивление поглотителя;
Z₀ 120 Ом волновое сопротивление свободного пространства.

В поперечном сечении, отстоящем от короткозамкнутого конца отрезка на расстоянии L₁, определяемом соотношением

наружный трансформирующий проводник, форма которого выполнена в соответствии с формулой (3), имеет внутренний диаметр, равный внешнему диаметру диэлектрической трубы.

Диэлектрическая цилиндрическая труба может иметь постоянную толщину по всей ее длине, а наружный проводник на оконечном участке между короткозамкнутым концом коаксиального отрезка и поперечным сечением, отстоящим от него на расстоянии, равном L₁, может иметь постоянный внутренний диаметр, равный внешнему диаметру диэлектрической трубы. Такой вариант конструкции нагрузки хорошо сочетается с промышленно выпускаемыми типами водоохлаждаемых резисторов и имеет лучшие характеристики согласования в широкой полосе частот по сравнению с прототипом и другими аналогами.

Толщина диэлектрической трубы на оконечном участке может быть выполнена уменьшающейся по направлению к короткозамкнутому концу коаксиального отрезка. Этот вариант имеет улучшенные по сравнению с предыдущим характеристики согласования в широкой полосе частот и более равномерное распределение тока в поглотителе, обеспечивающее увеличение предельной величины поглощаемой ВЧ мощности в нагрузке. Толщина диэлектрической трубы может уменьшаться плавно или ступенями, а форма наружного проводника на оконечном участке зависит от конкретных конструктивных решений.

Например, наружный проводник может иметь внутренний диаметр, увеличивающийся по его длине в соответствии с соотношением

на участке от короткозамкнутого конца коаксиального отрезка до сечения, отстоящего от него на расстоянии L₂, определяемом по формуле

а на участке между этим сечением и сечением, отстоящим от короткозамкнутого конца отрезка на расстоянии L₁, он может иметь постоянный внутренний диаметр, равный внешнему диаметру диэлектрической трубы, при этом в любом поперечном сечении коаксиального отрезка с координатой x, большей L₂ и меньшей L₁, труба может иметь внутренний диаметр, определяемый в соответствии с выражением

Нагрузка с размерами, определяемыми по формулам (3)-(7), обеспечивает независимое от частоты согласование и равномерное распределение тока в поглотителе.

На фиг. 1 показан вариант нагрузки с постоянной толщиной диэлектрической трубы; на фиг. 2 вариант нагрузки с уменьшающейся по направлению к короткозамкнутому концу толщиной диэлектрической трубы на оконечном участке; на фиг. 3 оконечный участок нагрузки в варианте с уменьшающейся толщиной диэлектрической трубы для конструкции на основе поглотителя промышленного резистора УВI-50-51 Ом; на фиг. 4 профили наружных проводников в заявляемой нагрузке и аналогах для конструкций на основе резистора УВI-50-51 Ом; на фиг. 5 волновое сопротивление слоистой коаксиальной линии в зависимости от координаты поперечного сечения для заявляемой нагрузки и прототипа; на фиг. 6 зависимость коэффициента стоячей волны от частоты для заявляемой нагрузки и аналогов; на фиг. 7 частотная зависимость КСВ заявляемой нагрузки для разных длин поглотителей; на фиг. 8 распределение тока по длине поглотителя в заявляемой нагрузке и аналогах на частоте 200 МГц; на фиг. 9 распределение тока на частоте 500 МГц; на фиг. 10 расчетная и экспериментальная частотная характеристика КСВ нагрузки для конструкции прототипа.

Коаксиальная нагрузка содержит короткозамкнутый с одной стороны ( сечение II II на фиг. 1 ) и разомкнутый с другой стороны ( сечение I I ) отрезок коаксиальной линии, состоящий из цилиндрического тонкопленочного поглотителя 1, заключенного в коаксиальную с ним цилиндрическую диэлектрическую трубу 2 с зазором 3 для протока охлаждающей жидкости между поверхностью поглотителя и внутренней поверхностью трубы, и наружного трансфомирующего проводника 4 с плавно сужающимся поперечным сечением по направлению от разомкнутого к короткозамкнутому концу отрезка. Внутренний диаметр трансформирующего проводника 4 в любом поперечном сечении участка нагрузки между разомкнутым концом коаксиального отрезка и поперечным сечением, в котором внутренний диаметр проводника 4 равен внешнему диаметру диэлектрической трубы 2 ( сечение III III на фиг. 1 ), определяется формулой (3).

Коаксиальная нагрузка работает следующим образом.

Электромагнитная волна типа ТЕМ, поступающая на вход нагрузки у разомкнутого конца коаксиального отрезка, распространяется к короткозамкнотому концу отрезка, затухая в поглощающем слое 1. Рассеиваемая мощность отводится от поглотителя 1 охлаждающей жидкостью, циркулирующей в зазоре 3 между поглотителем 1 и диэлектрической трубой 2. Широкополосное согласование и равномерное распределение тока в нагрузке достигаются при выполнении в любом ее поперечном сечении условия
Z_L(x) R_x (8)
где Z_L(x) волновое сопротивление коаксиальной линии в сечении с координатой x;
R_x сопротивление части поглотителя между короткозамкнутым концом отрезка и сечением с координатой x.

Выполнение наружного трансформирующего проводника 4 в соответствии с формулой (3) обеспечивает выполнение условия (8) на основном участке нагрузки, где внутренний диаметр проводника 4 превышает внешний диаметр диэлектрической трубы 2. Форма и размеры нагрузки, определенные по формулам (3) (7), обеспечивают выполнение условия (8) в любом ее поперечном сечении.

Поперечное сечение нагрузки представляет собой коаксиал со слоистым диэлектриком: трехслойным в начальной ее части, двухслойным и однослойным на оконечном участке. Волновое сопротивление трехслойной коаксиальной линии [5]

при равномерном по длине поглотителя поглощающем слое
.

Приравняв друг другу квадраты правых частей равенств (9), (10), получим после перегруппировки слагаемых квадратное уравнение относительно логарифма искомой величины внутреннего диаметра трансформирующего проводника, при которой выполняется условие широкополосного согласования (8)

решением которого является формула (3). Аналогично выведена формула (7) для внутреннего диаметра диэлектрической трубы в двухслойной линии и формула (5) для диаметра наружного проводника в однослойной линии.

Для промышленных водоохлождаемых резисторов с постоянной толщиной диэлектрической трубы условие Z_L R_x можно выполнить только на участке от входа до сечения с координатой L₁, определяемой по формуле (4), в котором сопротивление отсекаемой от корокозамкнутого конца нагрузки части поглотителя равно волновому сопротивлению двухслойной коаксиальной линии с диаметром наружного проводника, равным наружному диаметру диэлектрической трубы. На оконечном участке нагрузки (x ≅ L₁) отсекаемая часть поглотителя становится меньше постоянного волнового сопротивления двухслойной линии, что приводит к рассогласованию нагрузки в верхнем диапазоне частот. Поэтому вариант нагрузки с постоянной толщиной диэлектрической трубы и наружным проводником с диаметром, определяемым по формуле (3) для x > L₁, не дает идеального согласования, хотя и превосходит по своим характеристикам известные аналоги и прототип.

Для выполнения условия (8) на оконечном участке нагрузки толщина диэлектрической трубы 2 должна быть выполнена уменьшающейся по ее длине по направлению к короткозамкнутому концу нагрузки, как показано на фиг. 2 и 3 (при величине диэлектрической проницаемости трубы меньшей диэлектрической проницаемости охлаждающей жидкости, что всегда имеет место на практике). Конкретная форма наружного проводника 4 и трубы 2 на оконечном участке, обеспечивающая широкополосное согласование этого участка, может быть различной, уменьшение толщины трубы 2 может быть плавным или ступенчатым.

Например, при постоянном наружном диаметре диэлектрической трубы 2 на участке двухслойной линии ее внутренний диаметр выполняется в соответствии с формулой (7), а на участке однослойной линии диаметр наружного проводника 4 изменяется по формуле (5).

На фиг. 4 показаны для сравнения профили наружных проводников заявляемой нагрузки и аналогов для резисторов УВI-50-51 Ом и C2-25, а на фиг. 5 - зависимость волнового сопротивления линии с таким профилем наружного проводника от координаты поперечного сечения. Из графиков на фиг. 5 видно, что предложенная в настоящей заявке форма наружного проводника нагрузки обеспечивает в отличие от прототипа линейную зависимость волнового сопротивления слоистой коаксиальной линии от координаты поперечного сечения, что является необходимым для выполнения условия широкополосного согласования при равномерном распределении поглощающего слоя по длине поглотителя.

Эффективность заявляемого технического решения подтверждена расчетами численной модели коаксиальной нагрузки, проведенными на ЭВМ IBM-PC. Программа расчета, написанная на языке фортран, позволяет при задании размеров нагрузки с произвольной формой наружного проводника и диэлектрического кожуха, параметров диэлектрической среды и распределения погонного сопротивления определить коэффициент стоячей волны на входе нагрузки в заданном диапазоне частот, распределение тока и напряжения по длине нагрузки на любой заданной частоте.

Методика расчета трансформации входного сопротивления отрезком длинной линии переменного поперечного сечения основана на аппроксимации этого плавного отрезка длиной L ступенчатой линией: совокупностью n коротких отрезков линий длиной Δx (n = L/Δx) с постоянными по их длине размерами поперечного сечения [4] Размеры диаметров границ сред в поперечном сечении каждого отрезка ступенчатой линии определяются в сечении плавной линии, соответствующей середине этого отрезка.

Рекуррентные формулы для трансформации полного сопротивления и тока ступенчатой линией с потерями имеют вид [6]


где комплексное сопротивление линии в сечении x x_i - начале i-го отрезка ступенчатой линии;
комплексный ток в линии в сечении x=x_i;
комплексное волновое сопротивление i-го отрезка;
комплексный коэффициент распространения в i-ом отрезке.

Начальная величина комплексного сопротивления в сечении короткозамкнутого конца отрезка длинной линии , а начальную величину комплексного тока можно задать произвольно, например и после вычисления сопротивления и тока на разомкнутом входе ступенчатой линии (входе нагрузки) произвести перенормировку амплитуд тока в единицах амплитуды тока падающей волны I_пад

здесь комплексный коэффициент отражения на входе нагрузки

где Z_Lф волновое сопротивление питающего фидера (обычно Z_Lф R).

Отсюда определяются распределение амплитуды тока I в линии

и коэффициент стоячей волны на входе нагрузки

Для моделирования нагрузки был взят за основу водоохлаждаемый резистор УВI-50-51 Ом мощностью 50 кВт, под поперечные размеры которого и параметры диэлектрических слоев рассчитывались соответствующие формы наружного проводника. Тонкопленочный поглотитель в этом резисторе имеет длину L 433 мм и диаметр d₁ 95 мм, окружающая его диэлектрическая труба с диэлектрической проницаемостью ε₂ = 2,82, меньшей диэлектрической проницаемости воды ε₁ = 80, имеет внутренний диаметр d₂ 96,5 мм и внешний диаметр d₃ 115 мм. Такие же размеры имеет резистор С2-25 сопротивлением 51 Ом и мощностью 100 кВт.

Некоторые результаты расчетов представлены на фиг. 6 9.

Как видно из графиков на фиг. 6, заявляемая конструкция нагрузки обеспечивает наилучшее согласование в широкой полосе частот по сравнению с аналогами.

Из графиков на фиг. 7 следует, что конструкция нагрузки в варианте с постоянной толщиной диэлектрической трубы и постоянным диаметром наружного проводника на оконечном участке 0≅ x ≅L₁ способна обеспечить неплохой уровень согласования КСВ ≅ 1,15 и при в несколько раз большей длине поглотителя, чем в выпускаемых промышленностью резисторах; а вариант нагрузки с внутренним диаметром диэлектрической трубы, изменяющимся по закону (7), имеет практически идеальное согласование КСВ ≅ 1,02 в рабочей полосе частот независимо от длины поглотителя. Это может позволить поднять в несколько раз мощность коаксиальных нагрузок на основе тонкопленочных поглотителей.

Графики на фиг. 8, 9 показывают, что заявляемая конструкция нагрузки обеспечивает равномерное распределение тока по длине поглотителя. Это при одинаковой длине поглотителя увеличивает предельную мощность нагрузки в верхнем диапазоне частот почти в 1,5 раза по сравнению с аналогами за счет снижения удельной мощности на отдельных участках поглотителя. Равномерность распределения тока в заявляемой конструкции не зависит от рабочей частоты.

Адекватность численной модели реальной физической конструкции нагрузки была подтверждена экспериментально. Ранее в институте были изготовлены нагрузки с наружным проводником, изменяющимся по закону [2] (прототип), которые планировалось применять в качестве балластных нагрузок для ускоряющей системы (УС) ускорительно-накопительного комплекса на энергию 3000 ГэВ (УHК), строительство которого ведется в настоящее время в Протвине. На фиг. 10 показаны расчетная на вышеописанной модели и экспериментальная частотные характеристики КСВ изготовленных нагрузок. Как видно, наблюдается хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Нагрузки на основе современных промышленно-выпускаемых резисторов способны рассеять среднюю ВЧ мощность порядка 100 кВт. В современных ускорителях заряженных частиц на большую энергию и в других физических установках средняя мощность ВЧ-генераторов составляет несколько сот киловатт (например, в УС УHК к одному ускоряещему модулю подводится ВЧ мощность 800 кВт ). Заявляемая конструкция позволяет создать широкополосные коаксиальные нагрузки с длинными тонкопленочными поглотителями на среднюю поглощаемую мощность 400 500 кВт, которые будут отвечать современным требованиям. При этом обеспечивается лучшее согласование в широкой полосе частот, чем в известных конструкциях аналогов.

Как один из рабочих вариантов рассматривается возможность использования заявляемой конструкции в качестве балластной нагрузки для ускоряющей системы УHК.

Источники информации:
1. Г. Мегла. Техника дециметровых волн. М. "Советское радио", 1958, с. 307-309.

2. Е. А.Чехарин, Ю.Н.Глушкина. Диапазонные нагрузки для телевизионных и УКВ ЧМ радиостанций. "Электросвязь", 1971, N 1, с. 20-32.

3. Авторское свидетельство СССР 650457, МКИ H 01 P 1/26, Бюллетень N 3, 1979.

4. О. И. Кислый, Е.В. Мазуров и др. Расчет геометрии мощной поглощающей нагрузки для генератора метровых волн. "Вопросы атомной науки и техники", серия "Техника физического эксперимента", 1987, вып. 3(34), с. 56-57 (прототип).

5. С. И. Орлов. Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов. М. "Советское радио", 1979, с. 222.

6. Х. Мейнке и Ф. В. Гундлах. Радиотехнический справочник, т. 1, Л. "Госэнергоиздат", 1961, с. 158-162.

Использование: изобретение относится к устройствам для поглощения ВЧ мощности и может использоваться в качестве оконечной нагрузки коаксиальных трактов. Цель: улучшение основных рабочих характеристик коаксиальной нагрузки на основе тонкопленочного поглотителя: увеличение уровня поглощаемой мощности, расширение полосы частот согласования. Сущность изобретения: нагрузка представляет собой короткозамкнутый с одной стороны и разомкнутый с другой стороны отрезок многослойной коаксиальной линии, внутренний проводник которой образован цилиндрическим тонкопленочным поглотителем. Поглотитель заключен в цилиндрическую диэлектрическую трубу с зазором для протока охлаждающей жидкости между ними. Наружный трансформирующий проводник имеет плавно уменьшающееся поперечное сечение по направлению к короткозамкнутому концу отрезка. Форма наружного проводника на участке трехслойной линии определяется соотношением

где d_i - диаметр границ сред в трехслойной коаксиальной линии (d₁<d₂<d₃<d₄); ε_i- - относительная диэлектрическая проницаемость соответствующего слоя, x - координата поперечного сечения, отсчитываемая от короткозамкнутого конца отрезка, L - длина поглотителя, R - сопротивление поглотителя, Z₀ = 120 Ом - волновое сопротивление свободного пространства. На оконечном участке нагрузки в двухслойной линии диаметр наружного проводника может быть постоянным, а толщина диэлектрической трубы может уменьшаться по направлению к короткозамкнутому концу нагрузки. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Мощная коаксиальная нагрузка СВЧ, содержащая короткозамкнутый с одной и разомкнутый с другой стороны отрезок коаксиальной линии, состоящий из цилиндрического тонкопленочного поглотителя, заключенного в коаксиальную с ним цилиндрическую диэлектрическую трубу с зазором для протока охлаждающей жидкости между поверхностью поглотителя и внутренней поверхностью трубы, и наружного трансформирующего проводника с плавно сужающимся поперечным сечением по направлению от разомкнутого к короткозамкнутому концу отрезка, отличающаяся тем, что наружный проводник на участке нагрузки между разомкнутым концом коаксиального отрезка и сечением, в котором внутренний диаметр наружного проводника равен внешнему диаметру диэлектрической трубы, имеет внутренний диаметр d₄, изменяющийся в соответствии с выражением

где x координата поперечного сечения, отсчитываемая от короткозамкнутого конца отрезка;
d₁ диаметр поглотителя;
d₂ внутренний диаметр диэлектрической трубы;
d₃ внешний диаметр диэлектрической трубы;
ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость охлаждающей жидкости;
ε₂ - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической трубы;
ε₃ - относительная диэлектрическая проницаемость среды между диэлектрической трубой и наружным проводником;
L длина поглотителя;
R сопротивление поглотителя;
Z₀ 120 Ом волновое сопротивление свободного пространства. 2. Нагрузка по п.1, отличающаяся тем, что в поперечном сечении, отстоящем от короткозамкнутого конца отрезка на расстоянии L₁, определяемом соотношением

наружный трансформирующий проводник имеет внутренний диаметр, равный внешнему диаметру диэлектрической трубы. 3. Нагрузка по п.2, отличающаяся тем, что диэлектрическая труба имеет постоянную толщину по всей ее длине и на участке между короткозамкнутым концом коаксиального отрезка и сечением, отстоящим от него на расстоянии L₁, наружный проводник имеет внутренний диаметр, равный внешнему диаметру диэлектрической трубы. 4. Нагрузка по п.2, отличающаяся тем, что диэлектрическая труба имеет толщину, уменьшающуюся по ее длине по направлению к короткозамкнутому концу коаксиального отрезка от сечения, отстоящего от него на расстоянии L₁.