ОКНО ВЫВОДА ЭНЕРГИИ СВЧ И КВЧ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 2005 года по МПК H01P1/08 H01J23/36 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к волноводным узлам устройств СВЧ- и КВЧ-диапазонов.

Известна конструкция окна вывода энергии магнетрона в виде плоской диэлектрической диафрагмы, расположенной перпендикулярно направлению распространения энергии волновода. Диэлектрическая диафрагма с помощью двух металлических мембран закреплена между отрезками волновода (1).

Недостатком данной конструкции являются низкие электрические характеристики и низкая технологичность.

Наиболее близким техническим решением является конструкция окна вывода энергии СВЧ и КВЧ электронных приборов в полом прямоугольном металлическом волноводе, содержащая металлическую мембрану с отверстием в области канала волновода, закрепленную в специальном пазе на выходе металлического волновода, диэлектрическую пластину, перекрывающую канал волновода и расположенную в пазе, выполненном по краю волновода и вакуумноплотно соединенную с металлической мембраной по краям отверстия металлической мембраны. Диэлектрическая пластина имеет на периферийной области металлизацию, задающую форму и размеры, и образующую индуктивную диафрагму (2).

Недостатками данной конструкции являются низкие электрические характеристики и низкая технологичность изготовления.

Техническим результатом изобретения является расширение рабочей полосы частот, уменьшение потерь мощности и повышение технологичности.

Технический результат достигается тем, что в известной конструкции окно вывода энергии СВЧ и КВЧ электронных приборов в полом прямоугольном металлическом волноводе, содержащее металлическую мембрану с отверстием в области волноводного канала, диэлектрическую пластину, расположенную перпендикулярно волноводу и соединенную вакуумноплотно с металлической мембраной, металлическая мембрана выполнена из пластичного металла толщиной 0,003 мм≤W≤0,04a, где «а» - размер широкой стенки прямоугольного волновода, отверстие в металлической мембране выполнено прямоугольным с размерами «с» и «d» вдоль широкой и узкой стенок прямоугольного волновода, которые определяются из следующих соотношений, где

C=(0,2λ₀+(S-0,4)*a/3)/S

0,65b≤d<b-0,2 мм,

где λ₀ - длина волны в свободном пространстве, соответствующая минимальному значению коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН);

b - размер узкой стенки прямоугольного волновода, при этом S=0,083ε+21,6t/a+46,8((b-d)/a)³-0,581,

где ε - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической пластины,

t - толщина диэлектрической пластины, причем

b/a≤0,5; a≤λ₀≤1,6a;

0,014a≤t≤0,0070a и 2,2≤ε≤10, а полоса рабочих длин волн λ₂-λ₁ при уровне КСВН≤к определяется из следующих соотношений:

λ₁=2a/3, λ₂=2a при S_k≥S

при где

при этом металлический волновод выполнен из двух частей, имеющих фланцы в месте соединения, между которыми вакуумноплотно зажата металлическая мембрана.

Диэлектрическая пластина может быть соединена вакуумноплотно с мембраной непосредственно.

Диэлектрическая пластина может быть соединена с мембраной через слой металлизации, расположенный на диэлектрической пластине.

Выполнение металлической мембраны из пластичного металла позволит провести температурную компенсацию механических напряжений и тем самым обеспечить возможность надежного вакуумноплотного соединения, повысить технологичность конструкции и предохранить конструкцию от разрушения.

Выполнение металлической мембраны толщиной, указанной в формуле изобретения, и отверстия в металлической мембране прямоугольным с размерами, выбираемыми из указанных выше соотношений, позволит оптимизировать соотношение размеров окна вывода энергии и волновода в рабочем диапазоне длин волн и тем самым позволит расширить рабочую полосу частот и уменьшить потери мощности.

Выполнение металлического волновода из двух частей, имеющих фланцы, между которыми вакуумноплотно зажата металлическая мембрана, упростит крепление окна вывода энергии в волноводе за счет исключения механической обработки фланцев и волновода и тем самым повысит технологичность конструкции.

Ограничение толщины металлической мембраны менее 0,003 мм обусловлено механической прочностью, а более 0,04а - увеличением потерь мощности энергии за счет рассогласования тракта СВЧ.

Ограничение размеров стенок волновода соотношением b/а≤0,5 обеспечит требование к распространению основного типа волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе.

Ограничение, вводимое соотношением a≤λ₀≤1,6a, обусловлено требованиями распространения в прямоугольном волноводе основного типа волны Н₁₀ с минимальными потерями в одномодовом режиме, позволит, во-первых, согласовать в широкой полосе частот емкостную реактивность, вносимую диэлектрической пластиной толщиной больше, чем 0,07а, а во-вторых, обеспечить необходимую и достаточную механическую прочность.

Ограничение диэлектрической проницаемости материала пластины 2,2≤ε≤10 обеспечит возможность согласования в широкой полосе частот емкостной реактивности, которую вносит диэлектрическая пластина с диэлектрической проницаемостью более 10.

А минимальное значение ε=2,2 ограничено технической реализуемостью диэлектрических материалов, пригодных для герметизации.

На чертеже представлена предлагаемая конструкция окна вывода энергии СВЧ и КВЧ электронных приборов, где:

- полый прямоугольный металлический волновод 1;

- металлическая мембрана 2;

- отверстие в металлической мембране 3;

- волноводный канал 4;

- диэлектрическая пластина 5;

- вакуумноплотное соединение 6;

- фланцы частей металлического волновода 7;

- металлизационное покрытие на диэлектрической пластине 8.

Пример 1. Окно вывода энергии СВЧ и КВЧ электронных приборов в полом прямоугольном волноводе 1, который выполнен из латуни и состоит из двух частей. Окно вывода содержит металлическую мембрану 2, например, из золотой фольги толщиной 9 мкм.

В мембране выполнено отверстие 3 в области волноводного канала 4. Диэлектрическая пластина 5 выполнена из кварца, имеющего диэлектрическую проницаемость, равную 3,82. Диэлектрическая пластина 5 перекрывает канал волновода 4, находится внутри него и спаяна припоем ПОИН-50 с металлической мембраной 2 через металлизационное покрытие 8, нанесенное на перефирийную часть диэлектрической пластины и состоящее из Cr (100 Ом/мм²) - Cu (3 мкм), напыленной, Ni (0,5 мкм) и Au (3 мкм) гальванически осажденных, причем металлизационное покрытие не перекрывает окно в металлической мембране. Соединение (спай) 6 выполнено вакуумноплотным.

Отверстие 3 в металлической мембране 2 выполнено прямоугольным с размерами, удовлетворяющими соотношениям:

C=(0,2λ₀+(S-0,4)a/3)/S; 0,65в≤d≤в-0,2 мм;

выбираем λ₀=9,575 мм; а=7,2 мм; в=3,4 мм; d=2,6 мм; ε_кварца=3,82; t=0,2 мм;

выбираем предельный уровень КСВН К=1,5(3), а полосу рабочих длин волн λ₂-λ₁ определяют из соотношений, указанных в формуле.

соблюдается (0,2>0,037), поэтому рассчитаем

зная полосу рабочих длин волн λ₂-λ₁, можно определить рабочую полосу частот f₁-f₂ и относительную рабочую полосу частот с центральной частотой

где

а V₀ - скорость света в свободном пространстве, равная 2,99792·10⁸ м/сек.

значит, полоса рабочих частот составляет 51,28% от центральной частоты f₀.

Металлический волновод 1 из латуни выполнен из двух частей, имеющих фланцы 7, между которыми вакуумноплотно зажата металлическая мембрана 3 из золота.

Пример 2. Окно вывода энергии СВЧ и КВЧ электронных приборов выполнено аналогично примеру 1, но d равно 0,65в; λ₀=а; t=0,014а; ε=2,2; w=0,003 мм.

так как

с центральной частотой

где

V₀ - скорость света в свободном пространстве, равная 2,99792·10⁸ м/сек.

Таким образом, рабочая полоса частот составляет 100% от центральной частоты f₀, т.е. перекрывает диапазон частот от критической частоты волны Н₁₀ (20,82 ГГц) до критической частоты Н₃₀ прямоугольного волновода.

Пример 3. Окно вывода энергии электронных СВЧ- и КВЧ-приборов выполнено, как в примерах 1 и 2, но d равно в-0,21; λ₀=16a; t=0,033a; ε=10; w=0,04a.

Поскольку выполняется, то

значит, полоса рабочих частот для данного случая составляет 23,745% от центральной частоты f₀.

Толщина золотой мембраны W=0,04а=0,04·7,2=0,288 мм

Рассчитаем

где

Пример 4. Окно вывода энергии электронных СВЧ- и КВЧ-приборов выполнено, как в примере 1, 2, но d равно b-0,21; λ₀=1,6а; t=0,07а; ε=10; w=0,04a

выбираем предельный уровень КСВН К=1,5 (3)

т.к.

Зная полосу рабочих длин волн λ₂-λ₁, можно определить рабочую полосу частот f₁-f₂ и относительную рабочую полосу частот

значит, полоса рабочих частот для данного случая составляет 1,08808% от центральной частоты (f₀)

W=0,04a=0,04·7,2=0,288 мм

Пример 5. Окно вывода энергии СВЧ и КВЧ электронных приборов выполнено, как в примере 1, но металлическая мембрана 2 выполнена из меди, нанесенной вакуумным напылением, толщиной 9 мкм, имеющая защитное покрытие из никеля толщиной 0,6-0,8 мкм и золота толщиной 3 мкм, гальванически осажденных, в местах, свободных от контакта с диэлектрической пластиной.

Диэлектрическая пластина 5 выполнена из полиимида толщиной 0,108 мм с диэлектрической проницаемостью ε_полиим=5.

Металлическая мембрана из меди 2 соединена непосредственно и вакуумноплотно с диэлектрической пластиной 5 из полиимида.

выбираем предельный уровень КСВН К=1,5 (3)

;

поэтому

зная полосу рабочих длин волн λ₂-λ₁, можно определить рабочую полосу частот f₁-f₂ и относительную рабочую полосу частот

значит полоса рабочих частот для данного случая составляет 1,08808% от центральной частоты (f₀)

- 9 мкм (напыленной меди) - 0,7 мкм (гальванич. никель) - 3 мкм (гальван. золото).

Окно вывода энергии СВЧ и КВЧ электронных приборов работает следующим образом. При выводе энергии через прямоугольный волновод на пути электромагнитной волны устанавливают окно вывода энергии, при этом диэлектрическая пластина создает в волноводе неоднородность емкостного характера. Эта неоднородность сужает рабочую полосу частот такого волновода. Для компенсации неоднородности в конструкцию введена металлическая мембрана, которая, являясь реактивной резонансной неоднородностью, компенсирует емкостную неоднородность диэлектрической пластины.

При этом рабочая полоса частот пропускания волновода расширяется.

Кроме того, металлическая мембрана является несущей конструкцией диэлектрической пластины.

Предложенная конструкция окна вывода энергии электронных СВЧ- и КВЧ-приборов по сравнению с прототипом позволит расширить рабочую полосу частот и уменьшить потери мощности за счет оптимизации геометрических размеров элементов окна и волновода.

Источники информации

1. Л.Ф.Тесленко, В.А.Иванова, Н.А.Светликина, А.Д.Лебединская и др. Окна вывода энергии электронных СВЧ-приборов. Обзоры по электронной технике. Серия 1 «Электроника СВЧ». Выпуск 10 (729) ЦНИИ «Электроника». М., 1980, стр.4-5.

2. В.П.Сазонов. З.Н. Терехина, В.М.Лямзин. Конструкция окон выходных устройств СВЧ-приборов. Серия 1. «Электроника СВЧ-приборов». Выпуск 3 (8). 1972 г.,. ЦНИИ «Электроника»

3. Т.И.Изюмова, В.Т.Свиридов. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. М.: «Энергия».

Предложена конструкция окна вывода энергии СВЧ и КВЧ электронных приборов. Техническим результатом является расширение рабочей полосы частот, уменьшение потерь мощности и повышение технологичности за счет оптимизации геометрических размеров элементов окна вывода энергии и волновода. Окно вывода энергии содержит металлическую мембрану с отверстием в области волноводного канала и диэлектрическую пластину, соединенную вакуумноплотно с металлической мембраной. Приведены математические формулы для расчета размеров отверстия в металлической мембране. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Окно вывода энергии СВЧ и КВЧ электронных приборов в полом прямоугольном металлическом волноводе, содержащее металлическую мембрану с отверстием в области волноводного канала, диэлектрическую пластину, расположенную перпендикулярно волноводу и соединенную вакуумно-плотно с металлической мембраной, отличающееся тем, что металлическая мембрана выполнена из пластичного металла толщиной W, равной 0,003 мм ≤W≤0,04а, где "а" - размер широкой стенки прямоугольного волновода, отверстие в металлической мембране выполнено прямоугольным с размерами "с" и "d" вдоль широкой и узкой стенок прямоугольного волновода, которые определяются из следующих соотношений:

c=(0,2λ₀+(S-0,4)a/3)/S;

0,65b≤d<b-0,2 мм,

где λ₀ - длина волны в свободном пространстве, соответствующая минимальному значению КСВН, где КСВН - коэффициент стоячей волны напряжения;

b - размер узкой стенки прямоугольного волновода;

S - вспомогательная величина, определяемая равенством S=0,083ε+21,6t/a+46,8((b-d)/a)³-0,581, где ε - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической пластины; t - толщина диэлектрической пластины; причем b/а≤0,5; а≤λ₀≤1,6а, 0,014а≤t≤0,07а и 2,2≤ε≤10,

а полоса рабочих длин волн λ₂-λ₁ при уровне КСВН≤k, где k - некоторая заданная величина, определяется следующими нижним λ₁ и верхним λ₂ значениями длин волн: λ₁=2а/3, λ₂=2а при S_k≥S;

при где

S₀ - вспомогательная величина, определяемая равенством

S_k - вспомогательная величина, определяемая равенством

при этом металлический волновод выполнен из двух частей, имеющих фланцы в месте соединения, между которыми вакуумно-плотно зажата металлическая мембрана.