ОКНО ВЫВОДА ЭНЕРГИИ СВЧ Российский патент 2020 года по МПК H01J23/36 H01P1/08 

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к вакуумноплотным волноводным окнам вывода энергии СВЧ и может быть использовано при создании сверхмощных клистронов.

Одним из типов таких выходных устройств являются вакуумные окна баночного типа, представляющие собой отрезок круглого волновода с поперечной диэлектрической перегородкой и соосно подсоединенными к его торцам стандартными прямоугольными волноводами. Они получили широкое распространение благодаря простоте и технологичности конструкции, широкополосности, компактности, однако ограничены по максимально пропускаемой мощности (до 30-40 МВт в S-диапазоне частот).

Недостаток любых баночных окон состоит в том, что они являются неоднородностью в выходном волноводе, отражение от которой требуется компенсировать дополнительными согласующими элементами, например, штырями или диафрагмами. Все это, как правило, снижает электропрочность.

Устранить дополнительные неоднородности в выходном волноводе можно, переместив диэлектрическую вакуумплотную перегородку в область устройства связи выходного резонатора и волновода, как например, в техническом решении конструкции устройства для вывода энергии в мощном пролетном клистроне по а. с. 146364 приоритет 20.07.1961 г., принятом за прототип. Однако, подобная конструкция обладает существенными недостатками, не позволяющими использовать подобное устройство при мощностях свыше 5 МВт. Применение кольцевых пружинящих контактов при мощностях, превышающих 5 МВт, существенно снижает надежность и не обеспечивает стабильность настройки. Конструкция устройства для вывода энергии в мощном пролетном клистроне по а. с. 146364 не позволяет разместить диэлектрическую вакуумплотную перегородку, таким образом, чтобы избежать сильного поглощения СВЧ-мощности и соответственно ее перегрева.

Предложенное техническое решение направлено на устранение недостатков, имеющихся у аналогов и прототипа. Техническим результатом является устранение дополнительных неоднородностей в выходном волноводе, обеспечение надежности при мощностях, превышающих 30-40 МВт в S-диапазоне частот.

Технический результат достигается тем, что окно вывода энергии СВЧ, интегрированное с выходным резонатором сверхмощного клистрона, содержит выходной прямоугольный волновод, закороченный с одного конца и имеющий общую стенку с выходным резонатором, вакуумноплотную керамику, выполненную в виде кольца. При этом прямоугольный волновод состоит из прямого, кольцеобразного и соединительного участка, прямой и кольцеобразный участок волновода расположены перпендикулярно друг другу и имеют одинаковое сечение, а кольцеобразный участок волновода опоясывает выходной резонатор. В общей стенке волновода и резонатора в вертикальной плоскости выполнена по крайней мере одна щель связи со скругленными краями, а угол раскрыва щели составляет не более ½ λ_э, количество щелей n определяется соотношением nn=((2π-0.5λ_э)/λ_э)+1, где n - округленное вниз целое число, λ_э - электрическая длина волны в кольцевом волноводе, радиан; керамическое кольцо вблизи общей стенки волновода и резонатора располагается на минимальном расстоянии, обеспечивающем его термокомпенсированное крепление к кольцеобразному участку волновода.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фиг. 1. Общий вид окна вывода энергии СВЧ, а) - внешний вид (в разрезе), б) - вакуумная часть, где:

1 - кольцеобразный участок прямоугольного волновода, опоясывающий выходной резонатор;

2 - закорачивающая стенка кольцеобразного участка прямоугольного волновода;

3 - выходной резонатор;

4 - стенка кольцеобразного участка прямоугольного волновода, общая с выходным резонатором;

5 - соединительный участок прямоугольного волновода;

6 - щели связи;

7 - вакуумплотное керамическое кольцо;

8 - запредельный прямоугольный волновод;

9 - дальняя стенка кольцеобразного участка прямоугольного волновода.

На фиг. 2. представлено распределение электрического поля на рабочей частоте в окне вывода энергии СВЧ, где:

2 - закорачивающая стенка кольцеобразного участка прямоугольного волновода;

4 - стенка кольцеобразного участка прямоугольного волновода, общая с выходным резонатором;

6 - щели связи;

7 - вакуумплотное керамическое кольцо;

10 - линия контроля электрического поля в кольцеобразном участке прямоугольного волновода.

На фиг. 3. показана зависимость комплексной амплитуды в центре опоясывающего прямоугольного волновода от азимутальной координаты на рабочей частоте в окне вывода энергии СВЧ, а на фиг. 4. - частотная зависимость мощности на выходе окна вывода энергии СВЧ.

Окно вывода энергии функционирует следующим образом. Прямоугольный волновод (1) (фиг. 1), работающий на моде ТЕ₁₀ и закороченный с одного конца (2), опоясывает выходной резонатор (3) и имеет с ним общую стенку (4). Для изменения направления потока СВЧ энергии в заданное место используется соединительный участок волновода (5).

В общей стенке (4) выполнены индуктивные щели связи (6), представляющие собой отрезки прямоугольного волновода, работающие на моде ТЕ₀₁, являющейся не распространяющейся на рабочей частоте вывода энергии СВЧ.

Выполненная в виде кольца вакуумноплотная керамика (7), располагается в области с минимальным электрическим полем - в волноводе вблизи его узкой стенки или в выходном резонаторе вблизи его внешней стенки. В первом случае часть кольца проходит через запредельный участок волновода (8).

Таким образом, предложенная конструкция представляет собой объединение в одном устройстве трансформатора типа волны и вакуумплотного окна. Это позволяет исключить дополнительные неоднородности в выходном тракте сверхмощного клистрона.

Расположение вакуумноплотной керамики в области минимального электрического поля существенно уменьшает вероятность СВЧ пробоя и понижает приводящие к перегреву диэлектрические потери в окне вывода энергии СВЧ.

Настройка электрической длины волны λ_э в кольцеобразном участке волновода осуществляется положением его дальней стенки (9) (фиг. 1), а настройка величины связи резонатора и волновода для обеспечения заданной нагруженной добротности - изменением угла раскрыва щели и количества щелей.

Моделирование распределения электромагнитных полей в окне вывода энергии СВЧ осуществлялось методом конечных элементов с помощью современных специализированных программ.

В результате моделирования и оптимизации конструкции для случая функционирования сверхмощного клистрона в S-диапазоне на общей стенке (4) удалось разместить три щели связи (6) (фиг. 2).

При этом, для обеспечения суммирования мощности, поступающей из каждой щели и формирования на выходе кольцеобразного участка прямоугольного волновода (1) (фиг. 1) бегущей волны, угловое расстояние между центрами щелей связи (фиг. 2) было установлено в одну электрическую длину волны λ_э в нем, а закорачивающая стенка (2) отнесена на угол λ_э/4 от центра щели (6).

Зависимость комплексной амплитуды по центру кольцеобразного участка прямоугольного волновода (10) (фиг. 2) от азимутальной координаты на рабочей частоте в окне вывода энергии СВЧ, представленная на фиг. 3, демонстрирует процесс формирования бегущей волны на его выходе.

Рассчитанные частотные зависимости мощности на выходе окна вывода энергии СВЧ, оптимизированного на рабочую частоту в S-диапазоне и нагруженную добротность Q_н=26, при возбуждении резонатора высокочастотным током (с постоянной амплитудой) в зазоре приведены на фиг. 4. Мощность, отбираемая от источника тока на рабочей частоте, задавалась равной 40 МВт. При этом, контурный КПД окна вывода энергии СВЧ на рабочей частоте близок к единице.

В табл. 1 приведены параметры, критические с точки зрения вероятности СВЧ пробоя и перегрева керамики, традиционных баночных окон и заявляемого технического решения, оптимизированных на рабочую частоту при входной мощности 40 МВт.

Анализ приведенных в таблице критических значений напряженностей электрического поля показывает, что предложенное техническое решение имеет практически двукратный запас по передаваемой мощности, а для традиционных баночных окон такого запаса нет или критические параметры превышают допустимые. Также потери в керамике значительно меньше потерь в традиционных баночных окнах.

Вакуумноплотная керамика 22ХС в виде кольца технологична при изготовлении и широко применяется в мощных СВЧ-приборах. Элементы окна вывода энергии СВЧ имеют достаточно большие размеры (внешний диаметр около 220 мм) и при изготовлении на современном оборудовании относительная погрешность размеров не превышает 10^-5. Это позволяет не проводить дополнительную корректировку размеров окна, полученных в результате математического моделирования с использованием современных специализированных программ.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает требуемые характеристики и при этом обладает существенными преимуществами перед традиционными баночными окнами.

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к вакуумноплотным волноводным окнам вывода энергии СВЧ, и может быть использовано при создании сверхмощных клистронов. Технический результат - устранение дополнительных неоднородностей в выходном волноводе, обеспечение надежности при мощностях, превышающих 30-40 МВт в S-диапазоне частот. Окно вывода энергии СВЧ, интегрированное с выходным резонатором сверхмощного клистрона (СМК), содержит выходной прямоугольный волновод, закороченный с одного конца и имеющий общую стенку с выходным резонатором сверхмощного клистрона, вакуумноплотную керамику, выполненную в виде кольца. При этом прямоугольный волновод состоит из прямого, кольцеобразного и соединительного участков, причем прямой и кольцеобразный участки волновода расположены перпендикулярно друг другу и имеют одинаковое сечение, а кольцеобразный участок волновода опоясывает выходной резонатор. В общей стенке волновода и резонатора в вертикальной плоскости выполнена по крайней мере одна щель связи со скругленными краями, угол раскрыва щели составляет не более ½ λ_э, количество щелей n определяется соотношением n=((2π-0.5λ_э)/λ_э)+1, где n - округленное вниз целое число, λ_э - электрическая длина волны в кольцевом волноводе, рад; керамическое кольцо вблизи общей стенки волновода и резонатора располагается на минимальном расстоянии, обеспечивающем его термокомпенсированное крепление к кольцеобразному участку волновода. 4 ил., 1 табл.

Окно вывода энергии СВЧ, интегрированное с выходным резонатором сверхмощного пролетного клистрона, содержащее выходной прямоугольный волновод, закороченный с одного конца и имеющий общую стенку с выходным резонатором, вакуумноплотную керамику, выполненную в виде кольца,

отличающееся тем, что

прямоугольный волновод состоит из прямого, кольцеобразного и соединительного участков, причем прямой и кольцеобразный участки волновода расположены перпендикулярно друг другу и имеют одинаковое сечение, кольцеобразный участок прямоугольного волновода опоясывает выходной резонатор, в общей стенке волновода и резонатора в вертикальной плоскости выполнена по крайней мере одна щель связи со скругленными краями, угол раскрыва щели составляет не более ½ λ_э, а количество щелей n определяется соотношением:

n=((2π-0.5λ_э)/λ_э)+1,

где n - округленное вниз целое число,

λ_э - электрическая длина волны в кольцевом волноводе, рад;

керамическое кольцо вблизи общей стенки волновода и резонатора располагается на минимальном расстоянии, обеспечивающем его термокомпенсированное крепление к кольцеобразному участку волновода.