УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВОДА HF-МОЩНОСТИ В ВОЛНОВОД Российский патент 2016 года по МПК H01P5/08 

Настоящее изобретение относится к устройству для ввода высокочастотной (HF) мощности в волновод по пункту 1 формулы изобретения и волноводному устройству по пункту 9 формулы изобретения.

Высокочастотные объемные резонаторы (высокочастотные резонаторы) применяются, например, в ускорителях частиц для ускорения электрически заряженных частицы. Для того чтобы в таком HF-резонаторе возбуждать высокочастотные электромагнитные колебания, в HF-резонатор должна подаваться HF-мощность. Известно, что HF-мощность генерируется, например, посредством тетрода или клистрона в первом местоположении и подается в расположенный во втором местоположении HF-резонатор с помощью волновода. Волновод может связываться, например, через отверстие или индуктивную связь с HF-резонатором. При этом различные места перехода должны быть точно согласованы друг с другом. Тем не менее, каждая точка перехода связана с неизбежными потерями мощности.

Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного устройства для ввода HF-мощности в волновод. Эта задача решается устройством с признаками пункта 1 формулы изобретения. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного волноводного устройства. Эта задача решается волноводным устройством с признаками пункта 9 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Соответствующее изобретению устройство для ввода HF-мощности в волновод содержит двухтактный выходной каскад с входом и выходом, узел фильтрации, который соединен с выходом двухтактного выходного каскада, индуктивную петлю, которая соединена с узлом фильтрации. Предпочтительным образом это устройство соединяет двухтактный выходной каскад для генерации HF-мощности с индуктивной петлей для ввода HF-мощности в волновод. Таким образом, устройство позволяет генерировать HF-мощность непосредственно на месте ввода HF-мощности, за счет чего сложность системы в целом уменьшается. Устройство по своей сути предпочтительно является модульным. При использовании множества таких устройств, возможно масштабирование генерируемой HF-мощности без каких-либо проблем. В результате, предпочтительным образом можно достичь очень высоких HF-мощностей. Достижимая через распараллеливание масштабируемость также предпочтительным образом обеспечивает непосредственное повышение надежности. Путем интеграции узла фильтрации в устройство предпочтительным образом обеспечивается высокая эффективность работы устройства.

В одном варианте осуществления устройства узел фильтрации включает в себя первый фильтр подавления гармоник и второй фильтр подавления гармоник. Предпочтительно фильтры подавления гармоник узла фильтрации могут иметь различные характеристики фильтрации для различных гармоник фиксированной частоты.

В одном варианте осуществления устройства первый фильтр подавления гармоник предоставляет на основном колебании установленной частоты установленный конечный импеданс. Предпочтительным образом узел фильтрации обуславливает тогда неискаженный ввод основного колебания в волновод.

В одном варианте осуществления устройства первый фильтр подавления гармоник по отношению к третьей гармонике установленной частоты действует как открытый конец линии. Предпочтительным образом это обеспечивает быстрое переключение двухтактного оконечного каскада с высокой крутизной фронта, за счет чего предпочтительным образом могут минимизироваться потери переключения.

В одном варианте осуществления устройства второй фильтр подавления гармоник по отношению к второй гармонике установленной частоты действует как короткозамкнутый конец линии. Предпочтительным образом за счет этого достигается то, что в двухтактном выходном каскаде при переключении прикладываются по возможности малые напряжения и протекают по возможности малые токи, благодаря чему могут быть минимизированы потери переключения.

В одном варианте осуществления устройства узел фильтрации обуславливает в отношении третьей гармоники установленной частоты коэффициент отражения, равный по меньшей мере 0,8. Предпочтительным образом узел фильтрации действует в отношении третьей гармоники установленной частоты приблизительно как открытый конец линии.

В одном варианте осуществления устройства узел фильтрации обуславливает в отношении второй гармоники установленной частоты коэффициент отражения меньше, чем -0,8. Предпочтительно узел фильтрации действует в отношении второй гармоники установленной частоты примерно как короткозамкнутый конец линии.

В одном варианте осуществления устройства оно включает в себя плату связи. При этом индуктивная петля расположена на плате связи. Кроме того, плата связи предназначена, чтобы размещаться в отверстии стенки волновода. Предпочтительным образом индуктивная петля может тогда так размещаться внутри волновода, что посредством индуктивной петли в волноводе может возбуждаться электромагнитная колебательная мода. При этом плата связи предпочтительно обеспечивает простую механическую связь устройства с волноводом.

Соответствующее изобретению волноводное устройство содержит волновод и устройство вышеуказанного типа. Предпочтительным образом в этом волноводном устройстве посредством упомянутого устройства генерируется HF-мощность, которая непосредственно вводится в волновод. Тем самым волноводное устройство выполняется компактно и имеет лишь незначительную сложность.

В одном варианте осуществления волноводное устройство содержит два устройства описанного выше типа. Предпочтительным образом в этом волноводном устройстве HF-мощности, сгенерированные двумя устройствами, суммируются, за счет чего в целом более высокая HF-мощность может быть введена в волновод. За счет предоставления двух устройств для ввода HF-мощности также снижается вероятность одновременного отказа обоих устройств для ввода HF-мощности волноводного устройства.

В одном варианте осуществления волноводного устройства волновод представляет собой коаксиальный волновод. Предпочтительным образом, упомянутое устройство тогда может быть расположено в выемке внешнего проводника коаксиального волновода.

В другом варианте осуществления волноводного устройства волновод представляет собой полый волновод. Предпочтительным образом устройство для ввода HF-мощности может быть расположено в месте волновода, чтобы возбуждать желательную колебательную моду в полом волноводе.

В одном варианте осуществления волноводного устройства волновод соединен с HF-резонатором. Предпочтительным образом сгенерированная устройством и введенная в волновод HF-мощность может тогда подаваться через волновод в HF-резонатор.

Вышеописанные свойства, признаки и преимущества настоящего изобретения и способ их достижения станут более ясными и четкими для понимания в связи с нижеследующим описанием иллюстративных вариантов осуществления, которые поясняются со ссылками на чертежи. При этом на чертежах в схематичном представлении показано следующее:

Фиг. 1 - волноводное устройство с устройством для ввода HF-мощности и коаксиальным волноводом;

Фиг. 2 - волноводное устройство с полым волноводом;

Фиг. 3 - волноводное устройство с несколькими устройствами для ввода HF-мощности;

Фиг. 4 - другое волноводное устройство с несколькими устройствами для ввода HF-мощности,

Фиг. 5 - волноводное устройство с резонатором.

На Фиг. 1 в очень схематичном представлении показано волноводное устройство 10. Волноводное устройство включает в себя коаксиальный волновод 100 и устройство 200 для ввода HF-мощности в коаксиальный волновод 100. Волноводное устройство 10 может, например, использоваться для генерации HF-мощности и ввода ее в HF-резонатор. HF-резонатор, в свою очередь, может служить, например, для ускорения заряженных частиц в ускорителе частиц.

Фиг. 1 показывает только короткий продольный участок коаксиального волновода 100. Коаксиальный волновод 100 имеет внешний проводник 101, который расположен коаксиально с внутренним проводником 102 и охватывает его концентрически. Внешний проводник 101 и внутренний проводник 102 соответственно выполнены из электропроводного материала. Например, внешний проводник 101 и внутренний проводник 102 могут содержать медь. Внешний проводник предпочтительно имеет форму полого цилиндра с круговым поперечным сечением. Внутренний проводник 102 предпочтительно имеет форму круглого цилиндра. Между внешним проводником 101 и внутренним проводником 102 находится диэлектрик 103. Внешний проводник 101 коаксиального волновода 100 имеет отверстие 104.

Устройство 200 для ввода HF-мощности содержит двухтактный выходной каскад 210, узел 240 фильтрации и индуктивную петлю 270. Все компоненты представлены на чертеже только для примера и схематично. Двухтактный выходной каскад 210 служит для генерации HF-мощности. Узел 240 фильтрации вызывает преобразование импеданса. Индуктивная петля 270 служит для ввода сгенерированной HF-мощности в коаксиальный волновод 100.

Двухтактный выходной каскад 210 имеет первый вход 211, второй вход 212, первый выход 213, второй выход 214 и заземляющий контакт 215. На первый вход 211 и на второй вход 212 двухтактного выходного каскада 210 может, например, подаваться синусоидальной входной сигнал, причем полярности на первом входе 211 и на втором входе 212 являются противоположными друг другу. Через первый выход 213 и второй выход 214 двухтактный выходной каскад 210 может выдавать сгенерированную HF-мощность.

В представленном схематичном примере двухтактный выходной каскад 210 включает в себя первый транзистор 220 и второй транзистор 230. Двухтактный выходной каскад 210 может, конечно, включать в себя дополнительные компоненты. Первый транзистор 220 выполнен в виде n-канального полевого транзистора c p-n-переходом и имеет контакт 221 истока, контакт 222 стока и контакт 223 затвора. Второй транзистор 230 также выполнен в виде n-канального полевого транзистора с p-n-переходом и имеет контакт 231 истока, контакт 232 стока и контакт 233 затвора. Контакт 221 истока первого транзистора 220 и контакт 231 истока второго транзистора 230 связаны с заземляющим контактом 215. Контакт 223 затвора первого транзистора 320 образует первый вход 211 двухтактного выходного каскада 210. Контакт 233 затвора второго транзистора 230 образует второй вход 212 двухтактного выходного каскада 210. Контакт 222 стока первого транзистора 220 образует первый выход 213 двухтактного выходного каскада 210. Контакт 232 стока второго транзистора 230 образует второй выход 214 двухтактного выходного каскада 210.

Узел 240 фильтрации включает в себя первый фильтр 250 подавления гармоник и второй фильтр 260 подавления гармоник. Первый фильтр 250 подавления гармоник содержит первую часть 251 и вторую часть 252. Второй фильтр 260 подавления гармоник содержит первую часть 261 и вторую часть 262. Первая часть 251 первого фильтра 250 подавления гармоник соединена с первым выходом 213 двухтактного выходного каскада 210, заземляющим контактом 215 и первым контактом 271 индуктивной петли 270. Вторая часть 252 первого фильтра 250 подавления гармоник соединена с вторым выходом 214 двухтактного выходного каскада 210, заземляющим контактом 215 и вторым контактом 272 индуктивной петли 270. Первая часть 261 второго 260 фильтра подавления гармоник соединена с первым выходом 213 двухтактного выходного каскада 210 и заземляющим контактом 215. Вторая часть 262 второго фильтра 260 подавления гармоник соединена с вторым выходом 214 двухтактного выходного каскада 210 и заземляющим контактом 215.

Первый фильтр 250 подавления гармоник может быть выполнен из дискретных элементов или отрезков линии. Первый фильтр 250 подавления гармоник вызывает преобразование импеданса, так что первая гармоника или основное колебание установленной частоты воспринимает установленный требуемый нагрузочный импеданс, в то время как третья гармоника воспринимает открытый конец линии или по меньшей мере приближенно открытый конец линии. Отсюда для третьей гармоники получается высокий коэффициент отражения, который близок к значению 1. Предпочтительно коэффициент отражения составляет по меньшей мере 0,8.

Осуществляемое посредством первого фильтра 250 подавления гармоник 250 узла 240 фильтрации преобразование импеданса имеет следствием то, что транзисторы 220, 230 двухтактного выходного каскада могут переключаться с высокой крутизной фронтов между открытым и закрытым состоянием. Тем самым, предпочтительным образом в транзисторах 220, 230 двухтактного выходного каскада 210 потери переключения сводятся к минимуму.

Посредством второго фильтра 260 подавления гармоник узла 240 фильтрации для второй гармоники установленной частоты предоставляется приближенно короткозамкнутый конец линии. Это приводит для второй гармоники к коэффициенту отражения, который приближается к значению -1. Предпочтительно коэффициент отражения для второй гармоники меньше -0,8. Второй фильтр 260 подавления гармоник узла 240 фильтрации в результате вызывает то, что в моменты времени переключения транзисторов 220, 230 двухтактного выходного каскада 220 приложенные напряжения имеют как можно более низкие величины и в моменты времени переключения транзисторов 220, 230 двухтактного выходного каскада 210 протекают как можно более низкие токи. Также за счет этого потери на переключение в транзисторах 220, 230 двухтактного выходного каскада предпочтительным образом сведены к минимуму.

Индуктивная петля 270 расположена на плате 280 связи устройства 200 для ввода HF-мощности. Плата 280 связи размещена в отверстии внешнего проводника 101 коаксиального волновода 100 таким образом, что индуктивная петля 200 расположена в области диэлектрика 103 внутри внешнего проводника 101 коаксиального волновода 100. Посредством созданного индуктивной петлей 270 переменного магнитного поля, выработанная двухтактным выходным каскадом HF-мощность может вводиться в коаксиальный волновод 100. Коаксиальный волновод 100 может направлять эту HF-мощность в продольном направлении.

Фиг. 2 показывает в схематичном представлении волноводное устройство 20 в соответствии со вторым вариантом осуществления. В волноводном устройстве 20 вместо коаксиального волновода 100 предусмотрен полый волновод 110. На стенке полого волновода 10 размещено устройство 200 для ввода HF-мощности в соответствии с приведенным выше описанием. Устройство 200 для ввода HF- мощности служит для того, чтобы генерировать HF-мощность и вводить ее в полый волновод 110. В зависимости от положения и ориентации устройства 200 на стенке полого волновода 110 в полом волноводе 110 могут возбуждаться различные колебательные моды.

Фиг. 3 показывает схематичное представление волноводного устройства 30 в соответствии с третьим вариантом осуществления. Волноводное устройство 30 содержит коаксиальный волновод 100. В окружном направлении внешний проводник 101 коаксиального волновода 100 имеет несколько отверстий 104, у которых расположено соответствующее устройство 200 для ввода HF-мощность. Каждое из этих устройств 200 для ввода HF-мощности служит для ввода сгенерированной HF-мощности в коаксиальный волновод 100.

За счет наличия нескольких устройств 200 может в целом генерироваться более высокая HF-мощность и вводиться в коаксиальный волновод 100. За счет наличия нескольких устройств 200 также снижается риск полного выхода из строя волноводного устройства 30. Даже в случае выхода из строя одного или нескольких устройств 200 для ввода HF-мощности с помощью других устройств 200 дополнительная HF-мощность может вводиться в коаксиальный волновод 100.

Фиг. 4 показывает схематичное представление волноводного устройства 40 в соответствии с четвертым вариантом осуществления. Волноводное устройство 40 включает в себя коаксиальный волновод 100. Вдоль продольного направления коаксиального волновода 100 внешний проводник 101 коаксиального волновода 100 имеет множество отверстий 104. У каждого из этих отверстий 104 устройства 200 расположено соответствующее устройство 200 для ввода HF-мощности. Каждое из устройств 200, в свою очередь, служит для генерации HF-мощности и ввода ее в коаксиальный волновод 100.

Также, линейное расположение множества устройств 200 позволяет вводить в коаксиальный волновод 100 более высокую общую HF-мощность, чем при наличии только одного устройства 200 для ввода HF-мощности. За счет наличия нескольких устройств 200, кроме того, вновь снижается риск полного выхода из строя волноводного устройства 40.

На Фиг. 5 показан вид в перспективе волноводного устройства 50 в соответствии с пятым вариантом осуществления. Волноводное устройство 50 включает в себя коаксиальный волновод 100, который соединен с устройством 200 для ввода HF-мощности в коаксиальный волновод 100. Кроме того, волноводное устройство 50 включает в себя HF-резонатор 120. Резонатор 120 может упоминаться как объемный резонатор. Резонатор 120 может, например, быть частью ускорителя частиц и служить для ускорения электрически заряженных частиц. Коаксиальный волновод 100 волноводного устройства 50 соединен с резонатором 120 таким образом, что HF-мощность, введенная устройством 200 в коаксиальный волновод 100, транспортируется через коаксиальный волновод 100 к резонатору 120 и вводится в резонатор 120.

Хотя изобретение проиллюстрировано и подробно описано посредством предпочтительного примера осуществления, изобретение не ограничивается раскрытым примером. Другие варианты могут быть получены специалистом без отклонения от объема настоящего изобретения.

Устройство (200) для ввода HF-мощности в волновод (100, 110) содержит двухтактный выходной каскад (210) с входом (211, 212) и выходом (213, 214), узел (240) фильтрации, который соединен с выходом (213, 214) двухтактного выходного каскада (210), индуктивную петлю (270), которая соединена с узлом (240) фильтрации. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство (200) для ввода HF-мощности в волновод (100, 110), содержащее
двухтактный выходной каскад (210) с входом (211, 212) и выходом (213, 214),
узел (240) фильтрации, который соединен с выходом (213, 214) двухтактного выходного каскада (210),
индуктивную петлю (270), которая соединена с узлом (240) фильтрации.

2. Устройство (200) по п. 1, в котором узел (240) фильтрации включает в себя первый фильтр (250) подавления гармоник и второй фильтр (260) подавления гармоник.

3. Устройство (200) по п. 2, в котором первый фильтр (250) подавления гармоник при основном колебании установленной частоты предоставляет установленный конечный импеданс.

4. Устройство (200) по п. 3, в котором первый фильтр (250) подавления гармоник по отношению к третьей гармонике установленной частоты действует как открытый конец линии.

5. Устройство (200) по п. 4, в котором второй фильтр (260) подавления гармоник действует по отношению к второй гармонике установленной частоты как короткозамкнутый конец линии.

6. Устройство (200) по п. 3, в котором узел (240) фильтрации обуславливает в отношении третьей гармоники установленной частоты коэффициент отражения по меньшей мере 0,8.

7. Устройство (200) по п. 3, в котором узел (240) фильтрации обуславливает в отношении второй гармоники установленной частоты коэффициент отражения меньше чем -0,8.

8. Устройство (200) по п. 1,
причем устройство (200) включает в себя плату (280) связи,
причем индуктивная петля расположена на плате (280) связи,
причем плата (280) связи предназначена для размещения в отверстии (104) стенки (101) волновода (100, 110).

9. Волноводное устройство (10, 20, 30, 40, 50), содержащее волновод (100, 110) и устройство (200) согласно любому из предыдущих пунктов.

10. Волноводное устройство (30, 40) по п. 9, причем волноводное устройство (30, 40) содержит два устройства (200) по любому из пп. 1-8.

11. Волноводное устройство (10, 30, 40, 50) по п. 9 или 10, в котором волновод (100) представляет собой коаксиальный волновод.

12. Волноводное устройство (20) по п. 9 или 10, в котором волновод (110) представляет собой полый волновод.

13. Волноводное устройство (50) по любому из пп. 9 или 10, в котором волновод (100) соединен с HF-резонатором (120).