ОКНО ВВОДА И/ИЛИ ВЫВОДА ЭНЕРГИИ СВЧ Российский патент 2007 года по МПК H01P1/08 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к выходным устройствам электронных СВЧ-приборов.

Известно окно ввода и/или вывода энергии СВЧ (далее окно вывода) так называемой охватывающей конструкции и представляющее собой диск, выполненный из керамики, расположенный внутри металлической манжеты, снаружи которой в плоскости диска расположен и закреплен несъемный металлический кольцевой бандаж, препятствующий свободному расширению металлической манжеты во время пайки окна [1].

Недостатком данного окна вывода энергии СВЧ является низкая надежность из-за существенной термомеханической зависимости геометрических размеров всех конструктивных элементов и высокие диэлектрические потери СВЧ.

Известно окно вывода энергии, представляющее собой диэлектрическую пластину, выполненную также из керамики, расположенную перпендикулярно двум отрезкам металлического волновода, на концах которых закреплены фланцы с углублениями, в которых расположена диэлектрическая пластина и закреплена с помощью кольцевых выступов [2].

Более совершенная конструкция данного окна вывода энергии СВЧ по сравнению с предыдущим аналогом позволила несколько повысить его надежность.

Однако ненадежность присуща и данной конструкции из-за:

- во-первых, сложности конструкции крепления диэлектрической пластины между отрезками металлического волновода;

- во-вторых, вероятности воздействия на диэлектрическую пластину термомеханических нагрузок со стороны массивных фланцев в области герметичного соединения ее с отрезками металлического волновода.

Кроме того, в конструкции окна вывода энергии СВЧ не предусмотрена возможность охлаждения, что предопределяет в том числе высокие диэлектрические потери СВЧ, а в случае мощных СВЧ-электронных приборов ограничивает возможность его использования.

Известно окно вывода энергии СВЧ, представляющее собой диэлектрическую пластину, выполненную из алмаза CVD (далее диэлектрическая пластина), расположенную между отрезками металлического волновода и герметично соединенную с ними по торцам с помощью металлических фланцев из сплава инконель сваркой через плоские кольца, выполненные из алюминия. При этом окно вывода энергии снабжено в области герметичного соединения с двух сторон от диэлектрической пластины плоскими компенсирующими элементами, выполненными в виде колец из молибдена, при этом они просто плотно прилегают к отрезкам металлического волновода [3].

Отвод тепла от окна вывода энергии СВЧ производят в том числе путем применения водяного наружного принудительного охлаждения.

Использование в качестве материала диэлектрической пластины из алмаза CVD позволило значительно уменьшить диэлектрические потери окна вывода энергии СВЧ, в том числе потери СВЧ-мощности по сравнению с указанными выше аналогами.

Однако использование для сварки плоских колец, выполненных из алюминия:

во-первых, ограничивает из-за низкой температуры плавления алюминия возможность проведения технологических операций при повышенных температурах, таких как отжиг, обезгаживание, а также последующие ступенчатые пайки,

во-вторых, из-за низкой коррозионной стойкости алюминия в охлаждающих средах и даже содержащих ингибиторы, предназначенные для снижения коррозии алюминия, приводит к разрушению герметичного соединения диэлектрической пластины с отрезками металлического волновода и, следовательно, выходу окна вывода энергии СВЧ из строя.

Кроме того, наличие в конструкции сплава инконель, из которого изготовлены фланцы отрезков металлического волновода и который имеет низкую теплопроводность, приводит к появлению значительных остаточных термомеханических напряжений, что в свою очередь приводит к снижению надежности окна вывода энергии СВЧ.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности путем увеличения термомеханической прочности, повышение выхода годных путем улучшения воспроизводимости, снижение потерь мощности СВЧ.

Данный технический результат достигается тем, что в известном окне вывода энергии СВЧ в полом металлическом волноводе, представляющем собой диэлектрическую пластину из алмаза CVD, расположенную между отрезками металлического волновода соосно и перпендикулярно его каналу и герметично соединенную с ними, при этом оно снабжено компенсирующими элементами, расположенными вдоль внешней поверхности отрезков металлического волновода, металлический волновод выполнен с толщиной стенки, равной 0,5-1 мм, периметр диэлектрической пластины превышает внешний периметр металлического волновода на 3-5 мм, а компенсирующие элементы выполнены из пластичного металла толщиной, равной толщине стенки металлического волновода, с высотой Н, которую определяют по формуле:

где

δ - толщина стенки металлического волновода,

D - диаметр либо диагональ внешнего периметра металлического волновода,

а диэлектрическая пластина герметично соединена с отрезками металлического волновода посредством компенсирующих элементов, при этом одни концы компенсирующих элементов герметично соединены по периметру с отрезками металлического волновода, а другие концы - с диэлектрической пластиной, герметичное соединение диэлектрической пластины с концами компенсирующих элементов выполнено многослойным в виде металлизационного покрытия с толщиной 1-8 мкм и слоя твердого припоя, при этом паяные швы выполнены с односторонней галтелью припоя по их внешней поверхности.

Металлический волновод может быть выполнен составным из различных металлов, при этом части, прилегающие к диэлектрической пластине, выполнены из высокотеплопроводного и пластичного металла, например меди, либо платины, либо золота.

Компенсирующие элементы выполнены из пластичного металла, например меди, либо никеля, либо их сплава.

Металлизационное покрытие выполнено из композиции металлов ряда титан, железо, молибден, медь, серебро, никель

Слой припоя выполнен на основе меди с добавкой титана либо циркония, либо марганца, либо хрома.

Компенсирующие элементы могут быть выполнены в виде цилиндров, либо усеченных конусов, либо в виде гофр.

Исходная толщина слоя твердого припоя определяется видом припоя, например, либо фольги, либо проволоки.

Сущность изобретения

Предложенная иная по сравнению с прототипом совокупность признаков окна вывода энергии СВЧ, а именно выполнение металлического волновода с толщиной стенки, равной 0,5-1 мм, периметра диэлектрической пластины, превышающего внешний периметр металлического волновода на 3-5 мм, а компенсирующих элементов из пластичного металла с толщиной, равной толщине стенки металлического волновода, и с высотой Н, которую определяют по указанной формуле, и предложенное их соединение позволит:

во-первых, герметично соединить диэлектрическую пластину с отрезками металлического волновода не непосредственно, а посредством компенсирующих элементов и тем самым исключить воздействие разницы в коэффициентах термического расширения (ТКЛР) материалов диэлектрической пластины и металлического волновода, тем самым исключить деформацию металлического волновода и, следовательно, повысить:

а) его надежность,

б) воспроизводимость и, следовательно, выход годных,

во-вторых, используя площадь превышения периметра диэлектрической пластины из алмаза CVD над внешним периметром металлического волновода и одновременно внешнюю поверхность компенсирующих элементов из высокотеплопроводного металла для дополнительного внешнего охлаждения, тем самым увеличить теплоотвод и, следовательно:

а) повысить его надежность,

б) снизить потери мощности СВЧ.

Последнее в сочетании с сохраненными низкими диэлектрическими потерями диэлектрической пластины из алмаза CVD обеспечивает достаточно хорошие результаты по снижению потерь мощности СВЧ.

Выполнение герметичного соединения диэлектрической пластины с концами компенсирующих элементов многослойным в виде металлизационного покрытия из металлов указанного ряда с толщиной 1-8 мкм и слоя твердого припоя, содержащего титан, либо цирконий, либо марганец, либо хром, позволит:

во-первых, благодаря высокой химической активности его компонентов увеличить механическую прочность герметичного соединения и, следовательно, надежность окна вывода энергии СВЧ;

во-вторых, благодаря малой его толщине обеспечить незначительные остаточные напряжения, обусловленные, как было сказано выше, различием в коэффициентах термического расширения материалов герметичного соединения после пайки и тем самым повысить надежность окна вывода энергии СВЧ,

в-третьих, наличие в многослойном соединении твердого припоя указанного состава позволит:

а) существенно поднять рабочую температуру окна вывода энергии СВЧ с 450 до 750°С и, следовательно, повысить как его надежность, так и его воспроизводимость и, следовательно, выход годных;

б) исключить графитизацию диэлектрической пластины из алмаза CVD, результатом чего может быть возникновение электрического пробоя, и, следовательно, повысить надежность окна вывода энергии СВЧ и снизить потери мощности СВЧ.

Выполнение паяного шва с односторонней галтелью по наружным поверхностям компенсирующих элементов исключит возможность электрического пробоя в диэлектрической пластине - на дефектах твердого припоя и тем самым обеспечит высокую электрическую прочность и, следовательно, надежность окна вывода энергии СВЧ.

Выполнение металлического волновода по высоте составным при условии, что металл, прилегающий к диэлектрической пластине, более высокотеплопроводный и пластичный, например медь, либо платина, либо золото, позволит обеспечить максимальное снижение остаточных напряжений, обусловленных различием в коэффициентах термического расширения материалов герметичного соединения и тем самым увеличить термомеханическую прочность и, следовательно, надежность окна вывода энергии СВЧ.

Выполнение многослойного герметичного уплотнения толщиной как менее 1 мкм, так и более 8 мкм не обеспечивает надежность герметичного соединения.

Выполнение металлического волновода с толщиной стенки как менее 0,5 мм, так и более 1 мм не обеспечивает должной надежности окна вывода энергии СВЧ, в первом случае из-за отсутствия гарантии герметичности, а во втором - из-за увеличения остаточных напряжений.

Выполнение периметра диэлектрической пластины из алмаза CVD с превышением внешнего периметра металлического волновода менее чем на 3-5 мм не желательно из-за снижения теплоотводящей поверхности, что может привести:

а) к ухудшению теплоотвода и, следовательно, снижению надежности,

б) к увеличению потерь мощности СВЧ.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже дан общий вид окна вывода энергии СВЧ (I - фрагмент соединения диэлектрической пластины с металлическим волноводом), где

- металлический волновод из двух его отрезков - 1,

- диэлектрическая пластина из алмаза CVD - 2,

- компенсирующие элементы - 3,

- многослойное герметичное соединение - 4

Пример 1

Изготовлено окно вывода энергии СВЧ, содержащее:

Металлический волновод 1 в виде полого цилиндра из двух отрезков, выполненный с толщиной стенки, равной 0,75 мм, внешним диаметром, равным 50 мм.

Диэлектрическая пластина 2 из алмаза CVD выполнена диаметром, равным 54 мм, что превышает на 4 мм внешний диаметр металлического волновода. Диэлектрическую пластину располагают между отрезками металлического волновода 1 соосно и перпендикулярно его каналу.

Компенсирующие элементы 3 выполнены из пластичного металла, например меди, и расположены на наружной поверхности обоих отрезков металлического волновода на высоте Н, равной 5,5 мм от диэлектрической пластины.

Компенсирующие элементы 3 одними своими концами соединены герметично на указанной высоте Н, равной 5,5 мм по периметру, с отрезками металлического волновода 1 пайкой твердым припоем ПСр-72 В (медь-серебро).

А другие концы компенсирующих элементов 3 герметично соединены пайкой с диэлектрической пластиной 2 посредством многослойного соединения 4, выполненного в виде металлизационного покрытия, например, из композиции металлов титан, железо, молибден, никель и твердого припоя, выполненного из титана и меди, исходной толщиной, равной 50 мкм.

При этом паяный шов выполнен с односторонней галтелью припоя только по наружному диаметру компенсирующих элементов.

Примеры 2-5

Аналогично примеру 1 были изготовлены образцы окна вывода энергии СВЧ на основе диэлектрической пластины из алмаза CVD, но при других значениях параметров, как указанных в формуле изобретения, так и выходящих за ее пределы.

Следует отметить: для данных примеров высота компенсирующих элементов рассчитана по указанной формуле для варианта, когда

где

δ - толщина стенки металлического волновода,

D - диаметр металлического волновода, величины которых указаны выше.

Вариант, в котором высота компенсирующих элементов более чем «равно» ограничена высотой отрезков металлического волновода.

Изготовленные образцы окна вывода энергии СВЧ были испытаны на термомеханическую прочность и определение выхода годных.

Данные сведены в таблицу.

Как видно из таблицы:

Образцы окна вывода энергии СВЧ на основе диэлектрической пластины из алмаза CVD, изготовленные согласно предлагаемой конструкции (примеры 1-3), имеют:

а) высокую надежность, что подтверждено выдержанным достаточным количеством термоциклов при температуре 20-650-20°С без потери механической прочности и герметичности,

б) высокий процент выхода годных.

Образцы же окон вывода энергии СВЧ, изготовленные согласно параметрам конструкции, выходящим за пределы, указанные в формуле изобретения (примеры 4-5), имеют низкую надежность и низкий процент выхода годных.

Таким образом, предлагаемое окно вывода энергии СВЧ на основе диэлектрической пластины из алмаза CVD позволит по сравнению с прототипом:

во-первых, благодаря увеличению термомеханической прочности значительно повысить надежность,

во-вторых, благодаря улучшению как термомеханической прочности, так и воспроизводимости повысить выход годных примерно в 2 раза,

в-третьих, благодаря улучшению теплоотвода снизить потери мощности СВЧ.

При этом сохранить низкие значения диэлектрических потерь, которые присущи диэлектрической пластине на основе алмаза CVD и в совокупности с указанным выше снижением потерь мощности СВЧ получить хорошие результаты по данному параметру.

Источники информации

1. В.К.Ерошев. Металлокерамические вакуумно-плотные конструкции. «Энергия», Москва 1970, с.160.

2. Л.Ф.Тесленко, А.В.Иванова, И.А.Светликина, А.Д.Лебединская, Л.И.Маштакова, Е.Н.Карсова, Е.В.Макарова. Обзоры по электронной технике. ЦНИИ «Электроника», 1980, с.45-46.

3. K.Takahasi Et. Al. Review of Science Instruments, v.71 (11), 2000 g. p.4139-4143.

Таблица№№ п/пПараметры окна вывода энергии СВЧРезультаты испытанийТолщина стенки металлического волновода, ммПревышение периметра диэлектрической пластины над периметром металлического волновода, ммВысота компесирующих элементов, ммГерметичное соединениеТермомеханическая прочность, кол-во термоциклов 20-650-20°СВыход годных, %Толщина металлизационного покрытия, мкмТолщина припоя, мкм10,7545,54,550189020,536,01,050188831,057,0850188940,323,60,75044751,267,51050345

Изобретение относится к электронной технике, а именно к выходным устройствам электронных СВЧ-приборов. Техническим результатом является повышение надежности, выхода годных приборов при снижении потерь мощности СВЧ. Окно ввода и/или вывода энергии СВЧ выполнено в виде диэлектрической пластины из алмаза CVD, установленной в полом металлическом волноводе с толщиной стенки, равной 0,5-1 мм. Периметр диэлектрической пластины превышает внешний периметр металлического волновода на 3-5 мм, компенсирующие элементы выполнены из пластичного металла с толщиной, равной толщине стенки металлического волновода, и высотой Н, которую определяют по формуле: где δ - толщина стенки металлического волновода, D - диаметр либо диагональ внешнего периметра металлического волновода. Соединена диэлектрическая пластина с отрезками металлического волновода посредством компенсирующих элементов, при этом одни концы компенсирующих элементов герметично соединены по периметру с отрезками металлического волновода, а другие концы - с диэлектрической пластиной. Герметичное соединение диэлектрической пластины с концами компенсирующих элементов выполнено многослойным в виде металлизационного покрытия толщиной 1-8 мкм и слоя твердого припоя, при этом паяные швы выполнены с односторонней галтелью припоя по их наружной поверхности. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Окно ввода и/или вывода энергии СВЧ-электронных приборов в полом металлическом волноводе, представляющее собой диэлектрическую пластину из алмаза CVD, расположенную между отрезками металлического волновода соосно и перпендикулярно его каналу и соединенную с ними, при этом оно снабжено компенсирующими элементами, расположенными вдоль внешней поверхности отрезков металлического волновода, отличающееся тем, что металлический волновод выполнен с толщиной стенки, равной 0,5-1 мм, периметр диэлектрической пластины превышает внешний периметр металлического волновода на 3-5 мм, а компенсирующие элементы выполнены из пластичного металла с толщиной, равной толщине стенки металлического волновода и высотой И, которую определяют по формуле

где δ - толщина стенки металлического волновода;

D - диаметр либо диагональ внешнего периметра металлического волновода,

а соединена диэлектрическая пластина с отрезками металлического волновода посредством компенсирующих элементов, при этом одни концы компенсирующих элементов герметично соединены по периметру с отрезками металлического волновода, а другие концы - с диэлектрической пластиной, герметичное соединение диэлектрической пластины с концами компенсирующих элементов выполнено многослойным в виде металлизационного покрытия толщиной 1-8 мкм и слоя твердого припоя, при этом паяные швы выполнены с односторонней галтелью припоя по их наружной поверхности.