БАНОЧНОЕ ОКНО ВВОДА И/ИЛИ ВЫВОДА ЭНЕРГИИ СВЧ Российский патент 2003 года по МПК H01J23/36 H01P1/08 

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к баночным окнам ввода и/или вывода энергии СВЧ электровакуумных приборов и ввода энергии СВЧ в ускоряющие структуры ускорителей. В частности, оно может быть использовано при создании мощных и сверхмощных клистронов и мощных современных линейных СВЧ-ускорителей.

Уровень техники
Известно баночное окно ввода/вывода энергии СВЧ электровакуумных приборов [1] . В этом окне между двумя отрезками прямоугольных волноводов расположен круглый волновод, в котором установлена диэлектрическая перегородка в виде диска, отделяющего вакуумное пространство СВЧ прибора от внешнего пространства, заполненного воздухом (обычно при высоком давлении) или другой газовой средой. При этом оси прямоугольных волноводов расположены параллельно продольной оси круглого волновода и разнесены во взаимно противоположных направлениях относительно нее. Основная волна Н₁₀ в прямоугольном волноводе на стыке его с круглым волноводом преобразуется в волну E₀₁, которая затем на стыке круглого волновода с другим отрезком прямоугольного волновода преобразуется в волну Н₁₀.

Хотя такое баночное окно позволяет осуществить передачу высоких импульсных мощностей, однако расположение входного и выходного прямоугольных волноводов со смещением относительно центра промежуточного (круглого) волновода вызывает трудности при компановке СВЧ прибора в аппаратуре.

Наиболее близким по конструктивным особенностям и технической сущности является баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, рассмотренное в [2]. В этом окне также между прямоугольными волноводами расположен круглый волновод, в котором установлена диэлектрическая перегородка в виде диска. Но в отличие от [1] в [2] круглый и прямоугольные волноводы расположены соосно.

В баночном окне [2] передача СВЧ мощности осуществляется на основной волне круглого волновода Н₁₁. При максимальной полосе согласования толщина диэлектрической перегородки L_ε, составляет L_ε = (0,02-0,03)⊘ (где ⊘ - диаметр круглого волновода), а расстояние L от поверхности перегородки до ближайшего торца круглого волновода -L≤0,08⊘.

Такое баночное окно имеет существенные недостатки.

Нагрев окна за счет диэлектрических потерь происходит в центральной части диэлектрической перегородки (диска), где компонента электрического СВЧ поля, направленная вдоль поверхности диэлектрической перегородки, имеет максимальную величину. Маленькая толщина диэлектрической перегородки существенно затрудняет передачу тепла от ее центра к стенкам круглого волновода. Это ограничивает величину передаваемой через окно непрерывной мощности СВЧ.

Структура электрического поля волны Н₁₁ в круглом волноводе существенно снижает электрическую прочность из-за возможности возникновения пробоя по поверхности диэлектрической перегородки. Это также ограничивает величину импульсной мощности, передаваемой через окно.

Незначительная величина расстояния L от поверхности диэлектрической перегородки до ближайшего торца круглого волновода существенно снижает термостойкость баночного окна.

Таким образом, рассматриваемое баночное окно ввода и/или вывода энергии [2] имеет низкую термостойкость и ограниченный уровень передаваемых через него импульсных и непрерывных мощностей СВЧ.

Сущность изобретения
Актуальной задачей в настоящее время является создание окон ввода и/или вывода энергии, обеспечивающих пропускание значительных уровней импульсных и непрерывных СВЧ мощностей, а также конструктивно удобных и технологичных в изготовлении. Это важно как для создания мощных электровакуумных приборов СВЧ, так и для создания мощных линейных СВЧ-ускорителей. Указанная задача решается с помощью данного изобретения.

Предлагается баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого, равноудаленно от его торцов расположена диэлектрическая перегородка, выполненная в виде диска и вакуумно-плотно соединенная со стенками отрезка круглого волновода, к которому с противоположных его торцов соосно присоединены первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, при этом размеры отрезка круглого волновода и диэлектрической перегородки в виде диска, обеспечивающие передачу СВЧ мощности через баночное окно на волне Е₁₁, определены из соотношений

L/⊘=0,15÷0,21;
L_ε/⊘ = 0,09-0,14,
где ⊘- диаметр круглого волновода,
λ_o - длина волны, соответствующая центральной точке полосы согласования,
L - расстояние от поверхности диэлектрической перегородки в виде диска до ближайшего торца отрезка круглого волновода,
L_ε - толщина диэлектрической перегородки в виде диска,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической перегородки.

Предлагается баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ согласно изобретению, в котором в каждом из отрезков прямоугольных волноводов установлена диафрагма с окном связи, причем одна из плоских поверхностей диафрагмы совпадает с торцевой плоскостью отрезка круглого волновода.

Предлагается баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ согласно изобретению, в котором к первому и второму отрезкам прямоугольных волноводов с вакуумной и невакуумной сторон баночного окна соосно присоединены соответственно третий и четвертый отрезки прямоугольных волноводов, причем размеры поперечных сечений первого и второго отрезков прямоугольных волноводов превышают размеры поперечных сечений третьего и четвертого отрезков прямоугольных волноводов, а длина первого и второго отрезков прямоугольных волноводов составляет

где

длина волны в первом и втором прямоугольных волноводах, а - размер широкой стенки первого и второго прямоугольных волноводов.

Сравнительный анализ приведенных соотношений размеров баночного окна, полученных в результате расчетов и экспериментальных исследований и обеспечивающих передачу через него СВЧ мощности на волне Е₁₁, показывает, что в предлагаемой конструкции толщина диэлектрической перегородки в виде диска и длина круглого волновода в несколько раз больше, чем в конструкции, предложенной в прототипе [2].

Это позволяет:
Существенно повысить надежность спая диэлектрической перегородки в виде диска с металлической стенкой круглого волновода и, следовательно, увеличить термостойкость баночного окна.

Существенно повысить электрическую прочность баночного окна, так как при передаче через него СВЧ мощности на волне Е₁₁ электрическое поле направлено перпендикулярно диэлектрической перегородке и вероятность возникновения пробоев через толщину перегородки ничтожна. Это приводит к возможности передачи через баночное окно больших величин импульсной мощности.

Существенно увеличить уровень непрерывной мощности, поскольку наибольший нагрев баночного окна происходит не в центре диэлектрического диска, а вблизи его периферии, что облегчает отвод тепла.

Размещение в первом и втором отрезках прямоугольных волноводов диафрагм с окнами связи позволяет существенно расширить полосу согласования баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ.

Выполнение первого и второго отрезков прямоугольных волноводов с увеличенными размерами поперечного сечения позволяет повысить электрическую прочность баночного окна. Для обеспечения согласования такого баночного окна на заданной частоте эти отрезки прямоугольных волноводов выполнены длиной

где λ_go - длина волны в первом и втором прямоугольных волноводах, и к ним соосно присоединены третий и четвертый отрезки прямоугольных волноводов меньшего поперечного сечения.

Перечень чертежей
Фиг. 1 - баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ согласно изобретению.

Фиг. 2 - картина распределения силовых линий электрического поля в баночном окне ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенном на фиг. 1.

Фиг. 3 - характеристика согласования баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенного на фиг. 1.

Фиг.4 - баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, снабженное диафрагмами.

Фиг. 5 - характеристика согласования баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенного на фиг.4.

Фиг.6 - баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, снабженное дополнительными отрезками прямоугольных волноводов.

Фиг. 7 - характеристика согласования баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, изображенного на фиг.6.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, показанное на фиг.1, содержит отрезок круглого волновода 1, в средней части которого установлена поперечная диэлектрическая перегородка в виде диска 2, вакуумно-плотно соединенная со стенками отрезка круглого волновода 1 и отрезки прямоугольных волноводов 3, 4, соосно присоединенные к отрезку круглого волновода 1 с противоположных его торцов. Отрезок круглого волновода 1 снабжен торцевыми стенками 5, 6, расположенными в плоскостях стыка его с отрезками прямоугольных волноводов 3, 4 с их внешней стороны. При этом отрезок прямоугольного волновода 3 соединен с вакуумной областью СВЧ прибора или ускорителя, а отрезок прямоугольного волновода 4 соединен с областью, находящейся под избыточным давлением газовой среды.

Особенностью предлагаемого изобретения является то, что передача СВЧ мощности через баночное окно при его работе происходит на волне Е₁₁.

На фиг. 2 приведена картина распределения силовых линий электрического поля в предлагаемом баночном окне вводе и/или вывода энергии СВЧ.

Из фиг.2 видно, что СВЧ мощность, поступившая на вход одного из прямоугольных волноводов, например волновода 3, переносится волной H₁₀, которая преобразуется на стыке волноводов 3, 1 в волну Е₁₁ круглого волновода 1 при заявленных в изобретении соотношениях размеров круглого волновода и диэлектрической перегородки 2. Прошедшая через диэлектрическую перегородку 2 СВЧ мощность на волне Е₁₁ преобразуется на стыке волноводов 1, 4 в волну Н₁₀ и передается в нагрузку.

В центральной части диэлектрического диска поперечная составляющая напряженности электрического поля равна нулю, следовательно выделение тепла в центре диска минимально. Пучности электрического поля смещены к краю диэлектрического диска, ближе к спаю его с металлом, что, в свою очередь, облегчает теплопередачу к стенкам волновода. Кроме того, из приведенных соотношений видно, что толщина диэлектрической перегородки в виде диска в несколько раз больше, чем в прототипе, что также существенно повышает эффективность теплопередачи к стенкам волновода.

Силовые линии электрического поля волны Е₁₁ в области диэлектрической перегородки перпендикулярны ее поверхности. Благодаря этому пробои по поверхности диэлектрической перегородки практически отсутствуют. Большее по сравнению с прототипом расстояние между торцами отрезка круглого волновода и большая толщина диэлектрической перегородки делают также баночное окно более устойчивым к пробоям.

В связи с тем, что расстояние L от поверхности диэлектрической перегородки до ближайшего торца круглого волновода примерно в два раза больше по сравнению с прототипом, предлагаемое баночное окно более термоустойчиво.

Такое баночное окно является технологичным в изготовлении и обеспечивает передачу через него больших величин импульсных и непрерывных мощностей при согласовании в относительно узком интервале длин волн.

Экспериментальные исследования показали, что при диаметре круглого волновода ⊘=30,4 мм, толщине диэлектрической перегородки L_ε = 3,1 мм, расстоянии L= 5,17 мм и размерах сечения а•b=23•10 мм² прямоугольных волноводов 3, 4 баночное окно имеет полосу согласования по уровню КСВн≤1,2,

где F₀=10,58 ГГц.

На фиг. 3 приведена экспериментально снятая характеристика согласования (зависимость КСВн от частоты F) такого баночного окна.

Для расширения полосы согласования баночного окна необходимо подобрать оптимальную связь между полями волны Е₁₁ в круглом волноводе и волны Н₁₀ в прямоугольных волноводах.

Для этого (как показано на фиг.4) в отрезках прямоугольных волноводах 3, 4 баночного окна установлены согласующие диафрагмы 7, 8 соответственно.

Окна связи 9, 10 диафрагм 7, 8 могут иметь разную форму, например прямоугольную или П-образную или Н-образную. Размеры окон связи диафрагм подбираются расчетным или экспериментальным путем. При оптимальных значениях этих размеров может быть достигнута полоса согласования 10-15% по уровню КСВн≤1,2.

Экспериментальные исследования показали, что баночное окно с размерами: ⊘= 30,4 мм; L_ε = 3,1 мм; L=5,17 мм и размерами сечения а•b=23•10 мм² прямоугольных волноводов 3, 4, снабженное двумя согласующими диафрагмами, толщиной t= 2 мм с размерами окон связи 22,7•7,35 мм² имеет полосу согласования по уровню КСВн≤1,2,

где F₀=10,58 ГГц.

Во всей указанной полосе СВЧ мощность передается через баночное окно на волне Е₁₁.

На фиг. 5 приведена экспериментально снятая характеристика согласования баночного окна с диафрагмами.

Для повышения электрической прочности баночного окна необходимо увеличить размеры поперечного сечения отрезков прямоугольных волноводов 3, 4. Для согласования на заданной частоте такое баночное окно снабжено (как показано на фиг. 6) дополнительными отрезками прямоугольных волноводов 11, 12 (например, стандартного сечения). При этом отрезки прямоугольных волноводов 3, 4 имеют большие размеры поперечного сечения, чем отрезки волноводов 11, 12 и длину

где

длина волны в прямоугольных волноводах 3 и 4, a - размер широкой стенки прямоугольного волновода 3 или 4.

Экспериментальные исследования показали, что баночное окно с размерами ⊘= 103 мм, L_ε = 13,1 мм, L=17,2 мм и размерами сечения а•b=90•45 мм² прямоугольных волноводов 3, 4, которые имеют длину l=42,2 мм и соединены с прямоугольными волноводами 11, 12 с размерами сечения а'•b'=72•34 мм² имеет полосу согласования по уровню КСВн≤1,2

где F₀=2,807 ГГц.

На фиг. 7 приведена экспериментально снятая характеристика согласования такого баночного окна.

Предварительные испытания баночного окна показали, что оно без каких-либо признаков пробоев выдержало импульсную мощность Р_имп= 2,6 МВт при средней мощности Р_ср=3,7 кВт.

Таким образом предлагаемые варианты баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ являются технологичными в изготовлении и обеспечивают передачу больших величин мощностей в узкой и в широкой полосе согласования. Баночное окно обладает малыми потерями мощности (не более 0,15 дБ) даже для диэлектрических перегородок из керамики 22ХС с относительно высокими диэлектрической проницаемостью ε=9,4 и тангенсом угла потерь tgδ=(6÷8)10^-4. Кроме того, изменение диэлектрической проницаемости перегородки в пределах ±3% практически не сказывается на характеристики согласования баночного окна, что обеспечивает хорошую повторяемость параметров окна при его изготовлении.

Изобретение может быть использовано при создании мощных и сверхмощных приборов СВЧ (например, клистронов), а также современных мощных СВЧ ускорителей, обеспечивая надежную передачу больших величин мощностей от СВЧ прибора к ускоряющей системе.

Источники информации
1. Патент РФ 1607638, МКИ H 01 J 23/35, 11.07.88.

2. Патент США 2958834, НКИ.333-98, 13.06.56.

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике. Техническим результатом является обеспечение пропускания больших уровней импульсных и непрерывных СВЧ мощностей. Баночное окно выполнено в виде круглого волновода с поперечной диэлектрической перегородкой и соосно подсоединенных к его торцам прямоугольных волноводов и обеспечивает передачу СВЧ мощности на волне Е₁₁ при заданных соотношениях размеров баночного окна. Предлагается выполнение баночного окна с диафрагмами, установленными на стыках круглого и прямоугольных волноводов. Предлагается баночное окно с дополнительными прямоугольными волноводами, соосно подсоединенными к торцам основных прямоугольных волноводов и выполненными с меньшим поперечным сечением. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого, равноудаленно от его торцов расположена диэлектрическая перегородка, выполненная в виде диска и вакуумноплотно соединенная со стенками отрезка круглого волновода, к которому с противоположных его торцов соосно присоединены первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, отличающееся тем, что размеры отрезка круглого волновода и диэлектрической перегородки в виде диска, обеспечивающие передачу СВЧ мощности через баночное окно на волне Е₁₁, определены из соотношений

L/⊘=0,15÷0,21;
L_ε/⊘ = 0,09÷0,14,
где ⊘ - диаметр круглого волновода;
λ_o - длина волны, соответствующая центральной точке полосы согласования;
L - расстояние от поверхности диэлектрической перегородки в виде диска до ближайшего торца отрезка круглого волновода;
L_ε - толщина диэлектрической перегородки в виде диска;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической перегородки. 2. Баночное окно по п. 1, отличающееся тем, что в каждом из отрезков прямоугольных волноводов установлена диафрагма с окном связи, причем одна из плоских поверхностей диафрагмы совпадает с торцевой плоскостью отрезка круглого волновода. 3. Баночное окно по п.1, отличающееся тем, что к первому и второму отрезкам прямоугольных волноводов с вакуумной и невакуумной сторон баночного окна соосно присоединены соответственно третий и четвертый отрезки прямоугольных волноводов, причем размеры поперечных сечений первого и второго отрезков прямоугольных волноводов превышают размеры поперечных сечений третьего и четвертого отрезков прямоугольных волноводов, а длина первого и второго отрезков прямоугольных волноводов составляет

где

длина волны в первом и втором прямоугольных волноводах,
a - размер широкой стенки первого и второго прямоугольных волноводов.