ВЧ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2016 года по МПК H05H7/02 

Настоящее изобретение относится к высокочастотному (ВЧ) генератору согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, а также к ускорителю частиц с ВЧ генератором согласно пункту 10 формулы изобретения.

Известно формирование ВЧ мощности с помощью тетродов, клистронов или других устройств. Кроме того, известно направление ВЧ мощности с помощью волноводов, например, полых проводников. Известные решения предусматривают, что ВЧ мощность генерируется в первом месте и затем с помощью волновода транспортируется во второе место, где ВЧ мощность, например, с помощью демпфирующего звена или индуктивного элемента связи вводится в ВЧ резонатор. Однако в таком устройстве в местах ввода неизбежно возникают потери мощности. Кроме того, такие устройства характеризуются большой занимаемой площадью.

Кроме того, известно, что ВЧ резонаторы снабжаются встроенными приводными устройствами, чтобы возбуждать ВЧ электромагнитные колебания в резонаторе. Такой ВЧ резонатор описан, например, в ЕР 0606870 А1.

Задачей настоящего изобретения является создать устройство, при котором генерация ВЧ мощности и направление сгенерированной ВЧ мощности обеспечиваются одним и тем же устройством. Эта задача решается ВЧ генератором с признаками пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, задачей настоящего изобретения является создать ускоритель частиц с подобным ВЧ генератором. Эта задача решается ускорителем частиц с признаками пункта 10 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Соответствующий изобретению ВЧ генератор содержит множество твердотельных переключателей, множество рупорных волноводов и цилиндрический полый проводник. При этом продольные оси рупорных волноводов и полого проводника ориентированы соответственно в z-направлении. Каждый из рупорных волноводов имеет первый продольный конец и второй продольный конец. Полый проводник имеет третий продольный конец. В каждом из рупорных волноводов размещенная в x-y-плоскости первая площадь поперечного сечения у первого продольного конца меньше, чем размещенная в х-y-плоскости вторая площадь поперечного сечения у второго продольного конца. Второй продольный конец каждого рупорного волновода размещен у третьего продольного конца полого проводника. Кроме того, соответствующий твердотельный переключатель размещен у первого продольного конца каждого рупорного волновода, чтобы возбуждать электромагнитное колебание в соответствующем рупорном волноводе. Предпочтительным образом в этом ВЧ генераторе ВЧ мощность непосредственно возбуждается в рупорных волноводах и через них направляется в полый проводник, который транспортирует ее к потребителю. За счет этого снижаются сложность и затраты на изготовление ВЧ генератора. Другое преимущество заключается в применении твердотельных переключателей, которые по сравнению с обычными устройствами для выработки ВЧ мощности предоставляют повышенную гибкость и при этом могут быть выполнены более компактными и экономичными. Предпочтительным является также то, что рупорные волноводы осуществляют преобразование импеданса между низким импедансом твердотельных переключателей и высоким импедансом полого проводника.

Предпочтительным образом по меньшей мере один из твердотельных переключателей размещен в x-z-плоскости. Предпочтительным образом твердотельный переключатель может тогда прикладывать высокочастотное электромагнитное напряжение между двумя противолежащими стенками рупорного волновода, соответствующего твердотельному переключателю.

Целесообразно, что по меньшей мере один из твердотельных переключателей имеет первый выходной вывод и второй выходной вывод, причем первый выходной вывод размещен на верхней стороне твердотельного переключателя, а второй выходной вывод размещен на нижней стороне твердотельного переключателя, и причем первый выходной вывод электропроводно соединен с первой стенкой рупорного волновода, а второй выходной вывод электропроводно соединен со второй стенкой рупорного волновода, противолежащей первой стенке этого рупорного волновода. Предпочтительным образом твердотельный переключатель может тогда выполняться как двусторонний модуль и обеспечивает возможность простой интеграции с рупорным волноводом, соответствующим данному твердотельному переключателю.

Предпочтительным образом полый проводник имеет прямоугольное поперечное сечение. Предпочтительным образом полый проводник с прямоугольным поперечным сечением обеспечивает возможность возбуждения подходящих мод колебаний, например ТЕ10-моды колебаний.

Особенно предпочтительно, что по меньшей мере один из рупорных волноводов также имеет прямоугольное поперечное сечение.

В одной форме выполнения ВЧ генератора по меньшей мере один из рупорных волноводов расширяется между своим первым продольным концом и своим вторым продольным концом в y-направлении.

В другом выполнении ВЧ генератора по меньшей мере один из рупорных волноводов расширяется между своим первым продольным концом и своим вторым продольным концом в х-направлении.

Особенно предпочтительным образом полый проводник и рупорные волноводы выполнены как целое. Предпочтительным образом за счет этого минимизируются потери на переходах между рупорными волноводами и полым проводником.

В другом выполнении ВЧ генератора полый проводник имеет четвертый продольный конец, который связан с ВЧ резонатором. Предпочтительным образом ВЧ мощность, генерируемая ВЧ генератором, может тогда вводиться в ВЧ резонатор и там соответственно применяться.

Соответствующий изобретению ускоритель частиц имеет ВЧ генератор вышеуказанного типа. Предпочтительным образом выработанная ВЧ генератором ВЧ мощность применяется тогда для ускорения заряженных частиц.

Изобретение поясняется более подробно с помощью приложенных чертежей, на которых показано следующее:

фиг. 1 - представление в сечении ВЧ генератора;

фиг. 2 - вид в плане ВЧ генератора.

На фиг. 1 показано сечение ВЧ генератора 100 согласно форме выполнения изобретения. ВЧ генератор 100 служит для выработки ВЧ электромагнитных волн с высокой мощностью. Выработанная ВЧ генератором 100 ВЧ мощность может использоваться, например, в ускорителе частиц для ускорения заряженных частиц.

На фиг. 1 показано сечение ВЧ генератора в y-z-плоскости, z-направление соответствует продольному направлению ВЧ генератора 100, а также направлению потока 110 энергии, в котором направляется выработанная ВЧ генератором 100 ВЧ мощность.

На фиг. 2 показан вид в плане ВЧ генератора 100. На фиг. 2 также представлена линия I-I сечения, по которой выполнено сечение ВЧ генератора 100 в представлении на фиг. 1.

ВЧ генератор 100 содержит первый твердотельный переключатель 210, второй твердотельный переключатель 220 и третий твердотельный переключатель 230. Кроме того, ВЧ генератор 100 содержит первый рупорный волновод 310, второй рупорный волновод 320 и третий рупорный волновод 330. Кроме того, ВЧ генератор 100 содержит полый проводник 400. ВЧ генератор содержит, таким образом, как средства для генерации ВЧ мощности, так и средства для направления выработанной ВЧ мощности. За счет этого ВЧ генератор 100 по сравнению с обычными ВЧ генераторами имеет меньшую сложность и может быть изготовлен более экономичным способом.

Число твердотельных переключателей 210, 220, 230 соответствует числу рупорных волноводов 310, 320, 330 ВЧ генератора 100. Может также предусматриваться менее трех твердотельных переключателей 210, 220, 230 и рупорных волноводов 310, 320, 330 или более трех твердотельных переключателей 210, 220, 230 и рупорных волноводов 310, 320, 330.

Твердотельные переключатели 210, 220, 230 размещены в х-направлении друг за другом. Рупорные волноводы 310, 320, 330 также размещены в х-направлении друг за другом. Каждый твердотельный переключатель 210, 220, 230 и рупорный волновод 310, 320, 330 размещены в z-направлении друг за другом. Полый проводник 400 размещен в z-направлении за рупорными волноводами 310, 320, 330.

Первый твердотельный переключатель 210 содержит печатную плату 213, которая размещена в х-z-плоскости. Печатная плата 213 имеет ориентированную в положительном y-направлении верхнюю сторону 214 и ориентированную в отрицательном y-направлении нижнюю сторону 215.

На печатной плате 213 первого твердотельного переключателя 210 размещены один или более транзисторов 216, которые выполнены с возможностью переключения ВЧ мощности. Один или более транзисторов 216 предпочтительно являются полупроводниковыми транзисторами, например SiC-JFET (полевой транзистор с p-n-переходом). Транзисторы 216 могут размещаться на верхней стороне 214, нижней стороне 215 или как на верхней стороне 214, так и на нижней стороне 215 печатной платы 213 первого твердотельного переключателя 210.

Кроме того, первый твердотельный переключатель 210 имеет первый выходной вывод 211, который размещен на верхней стороне 214 печатной платы 213. Кроме того, первый твердотельный переключатель 210 имеет второй выходной вывод 212, который размещен на нижней стороне 215 печатной платы 213. Между выходными выводами 211, 212 первый твердотельный переключатель 210 может прикладывать высокочастотное электрическое напряжение, которое переключается посредством одного или более транзисторов 216.

Кроме того, первый твердотельный переключатель 210 имеет не представленный на чертежах источник питающего напряжения, посредством которого первый твердотельный переключатель 210 снабжается электрической мощностью.

Первый рупорный волновод 310 выполнен как металлический полый проводник, поперечное сечение которого в z-направлении увеличивается между первым продольным концом 311 первого рупорного волновода 310 и вторым продольным концом 312 первого рупорного волновода 310. Между первым продольным концом 311 и вторым продольным концом 312 первый рупорный волновод 310 имеет среднюю позицию 313. Между первым продольным концом 311 и средней позицией 313 проходит первый участок 314 первого рупорного волновода 310. Между средней позицией 313 и вторым продольным концом 312 первого рупорного волновода 310 проходит второй участок 315 первого рупорного волновода 310.

Первый участок 314 первого рупорного волновода 310 имеет ориентированную в положительном y-направлении первую стенку 511 и ориентированную в отрицательном y-направлении вторую стенку 512. Первая стенка 511 и вторая стенка 512 ориентированы параллельно друг другу. В средней позиции 313 первого рупорного волновода 310 первая стенка 511 переходит в третью стенку 513 второго участка 315. Кроме того, вторая стенка 512 в средней позиции 313 первого рупорного волновода 310 переходит в четвертую стенку 514 второго участка 315. Третья стенка 513 и четвертая стенка 514 второго участка 315 первого рупорного волновода 310 ориентированы друг к другу не параллельно, а замыкают вертикальный угол раскрыва 517, который может составлять, например, 90є.

Из фиг. 2 видно, что первый рупорный волновод 310, кроме того, имеет пятую стенку 515, которая ориентирована перпендикулярно первой стенке 511, второй стенке 512, третьей стенке 513 и четвертой стенке 514 и соединяет первую стенку 511 со второй стенкой 512 первого участка 314 и третью стенку 513 с четвертой стенкой 514 второго участка 315. Кроме того, первый рупорный волновод 310 имеет шестую стенку 516, которая также ориентирована перпендикулярно первой стенке 511, второй стенке 512, третьей стенке 513 и четвертой стенке 514 и соединяет первую стенку 511 со второй стенкой 512 первого участка 314 и третью стенку 513 с четвертой стенкой 514 второго участка 315. Пятая стенка 515 и шестая стека 516 первого рупорного волновода 310 замыкают горизонтальный угол раскрыва 518, который открыт в положительном z-направлении. Все стенки 511, 512, 513, 514, 515, 516 первого рупорного волновода 310 состоят из электропроводного материала, предпочтительно из металла.

Первый выходной вывод 211 первого твердотельного переключателя 210 на первом продольном конце 311 первого рупорного волновода 310 электропроводно соединен с первой стенкой 511 первого рупорного волновода 310. Второй выходной вывод 212 первого твердотельного переключателя 210 на первом продольном конце 311 первого рупорного волновода 310 электропроводно соединен со второй стенкой 512 первого участка 314 первого рупорного волновода 310. Тем самым первый твердотельный переключатель 210 имеет возможность прикладывать посредством своих выходных выводов 211, 212 ВЧ электрическое напряжение между первой стенкой 511 и второй стенкой 512 первого участка 314 первого рупорного волновода 310, благодаря чему в первом рупорном волноводе 310 возбуждается электромагнитное колебание. Первый рупорный волновод 310 направляет эту возбужденную посредством первого твердотельного переключателя 210 ВЧ мощность в полый проводник 400.

Первый рупорный волновод 310 служит, таким образом, как преобразователь импедансов, который выполняет преобразование импедансов между низким импедансом первого твердотельного переключателя 210 и высоким импедансом полого проводника 400.

Второй твердотельный переключатель 220 и третий твердотельный переключатель 230 соответствуют по своей структуре первому твердотельному переключателю 210. Второй рупорный волновод 320 и третий рупорный волновод 330 соответствуют по своей структуре первому рупорному волноводу 310. Второй твердотельный переключатель 220 связан со вторым рупорным волноводом 320. Третий твердотельный переключатель 230 связан с третьим рупорным волноводом 330.

Полый проводник 400 имеет третий продольный конец 410 и четвертый продольный конец 420. Полый проводник 400 выполнен цилиндрическим и имеет прямоугольное поперечное сечение. Прямоугольное поперечное сечение полого проводника 400 выбрано таким образом, что сумма поперечных сечений рупорных волноводов 310, 320, 330 на их вторых продольных концах 312 соответствует площади поперечного сечения полого проводника 400 на его третьем продольном конце 410. Полый проводник 400 на своем третьем продольном конце 410 соединен со вторыми продольными концами 312 рупорных волноводов 310, 320, 330. Также полый проводник 400 имеет стенки из электропроводного материала, предпочтительно из металла.

Первые участки 314 рупорных волноводов 310, 320, 330 могут в альтернативной форме выполнения ВЧ генератора 100 отсутствовать. Кроме того, рупорные волноводы 310, 320, 330 в альтернативных формах выполнения могут быть выполнены таким образом, что они расширяются только либо в x-направлении либо в y-направлении, то есть вертикальный угол раскрыва 517 или горизонтальный угол раскрыва 518 имеют значение 0.

На четвертом продольном конце 420 полый проводник 400 ВЧ генератора может быть связан с не показанным ВЧ резонатором. Подходящие структуры связи известны из уровня техники. ВЧ резонатор может, например, быть ВЧ резонатором ускорителя частиц. В этом случае выработанная ВЧ генератором 100 ВЧ мощность может использоваться в ускорителе частиц для ускорения электрически заряженных частиц.

Изобретение относится к области ВЧ техники. ВЧ генератор содержит множество твердотельных переключателей, множество рупорных волноводов и цилиндрический полый проводник. Продольные оси рупорных волноводов и полого проводника ориентированы соответственно в z-направлении. Каждый из рупорных волноводов имеет первый продольный конец и второй продольный конец. Полый проводник имеет третий продольный конец. В каждом из рупорных волноводов размещенная в x-y-плоскости первая площадь поперечного сечения у первого продольного конца меньше, чем размещенная в x-y-плоскости вторая площадь поперечного сечения у второго продольного конца. Второй продольный конец каждого рупорного волновода размещен у третьего продольного конца полого проводника. Соответствующий твердотельный переключатель размещен у первого продольного конца каждого рупорного волновода, чтобы возбуждать электромагнитное колебание в соответствующем рупорном волноводе. Технический результат - снижение потерь мощности и занимаемой площади путем совмещения функций генерирования ВЧ мощности и направления ее одним и тем же устройством. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ВЧ генератор (100), содержащий
множество твердотельных переключателей (210, 220, 230), отличающийся тем, что ВЧ генератор содержит множество рупорных волноводов (310, 320, 330) и цилиндрический полый проводник (400), продольные оси которых ориентированы соответственно в z-направлении,
причем каждый из рупорных волноводов (310, 320, 330) имеет первый продольный конец (311) и второй продольный конец (312),
причем полый проводник (400) имеет третий продольный конец (410),
причем в каждом из рупорных волноводов (310, 320, 330) размещенная в x-y-плоскости первая площадь поперечного сечения у первого продольного конца (311) меньше, чем размещенная в x-y-плоскости вторая площадь поперечного сечения у второго продольного конца (312),
причем второй продольный конец (312) каждого рупорного волновода (310, 320, 330) размещен у третьего продольного конца (410) полого проводника (400),
причем соответствующий твердотельный переключатель (210, 220, 230) размещен у первого продольного конца (311) каждого рупорного волновода (310, 320, 330), чтобы возбуждать электромагнитное колебание в соответствующем рупорном волноводе (310, 320, 330).

2. ВЧ генератор (100) по п. 1, причем по меньшей мере один из твердотельных переключателей (210, 220, 230) размещен в x-z- плоскости.

3. ВЧ генератор (100) по п. 2,
причем по меньшей мере один из твердотельных переключателей (210, 220, 230) имеет первый выходной вывод (211) и второй выходной вывод (212),
причем первый выходной вывод (211) размещен на верхней стороне (214) твердотельного переключателя (210, 220, 230), а второй выходной вывод (212) - на нижней стороне (215) твердотельного переключателя (210, 220, 230),
причем первый выходной вывод (211) электропроводно соединен с первой стенкой (511) рупорного волновода (310, 320, 330), а второй выходной вывод (212) электропроводно соединен со второй стенкой (512) рупорного волновода, противолежащей первой стенке (511) этого рупорного волновода (310, 320, 330).

4. ВЧ генератор (100) по п. 1, причем полый проводник (400) имеет прямоугольное поперечное сечение.

5. ВЧ генератор (100) по п. 1, причем по меньшей мере один из рупорных волноводов (310, 320, 330) имеет прямоугольное поперечное сечение.

6. ВЧ генератор (100) по п. 4, причем по меньшей мере один из рупорных волноводов (310, 320, 330) имеет прямоугольное поперечное сечение.

7. ВЧ генератор (100) по любому из пп. 1-6, причем по меньшей мере один из рупорных волноводов (310, 320, 330) расширяется между своим первым продольным концом (311) и своим вторым продольным концом (312) в x-направлении и/или в y-направлении.

8. ВЧ генератор (100) по любому из пп. 1-6, причем полый проводник (400) и рупорные волноводы (310, 320, 330) выполнены как целое.

9. ВЧ генератор (100) по п. 7, причем полый проводник (400) и рупорные волноводы (310, 320, 330) выполнены как целое.

10. ВЧ генератор (100) по любому из пп. 1-6 или 9, причем полый проводник (400) имеет четвертый продольный конец (420), который связан с ВЧ резонатором.

11. ВЧ генератор (100) по п. 7, причем полый проводник (400) имеет четвертый продольный конец (420), который связан с ВЧ резонатором.

12. ВЧ генератор (100) по п. 8, причем полый проводник (400) имеет четвертый продольный конец (420), который связан с ВЧ резонатором.

13. Ускоритель частиц с ВЧ генератором (100) согласно любому из предыдущих пунктов.