Волноводный вывод энергии СВЧ прибора Российский патент 2022 года по МПК H01J23/36 

Изобретение относится к области конструирования СВЧ приборов, в частности, к конструированию выводов энергии СВЧ приборов.

Известна конструкция вывода энергии приборов СВЧ, содержащая в своей вакуумной части волноводный трансформатор ступенчатого или плавного типа и фильтр для подавления побочных колебаний, совмещенный с одной из ступенек трансформатора. [Авторское свидетельство №321874, МПК H01J 23/32]. В такой конструкции «вафельную» структуру фильтра совмещают с одной из ступенек трансформатора, что позволяет обеспечить высокую электрическую прочность при небольших поперечных размерах вывода энергии.

Недостатком этой конструкции является сложность ее технологии изготовления. К тому же, применение данного вывода энергии в СВЧ приборах ограничено по уровню выходной мощности из-за возможности электрического пробоя в «вафельной» структуре фильтра.

Известна конструкция устройства ввода-вывода СВЧ-мощности, представляющая собой перпендикулярно к оси замедляющей системы (ЗС) прибора, СВЧ-линию передачи, выполненную в виде экранированной микрополосковой линии, диэлектрическая подложка которой расположена между последним проводником ЗС и ближайшим к проводнику краем отверстия в баллоне [Патент RU №2061273, H01J 23/36, 23/46, 1993]. Данное устройство ввода-вывода СВЧ-мощности позволяет получить минимальный КСВН не более 1,35 в полосе частот от 8 до 18 ГГц, обеспечивая хороший теплоотвод от проводника ЗС.

Недостатком описанной конструкции является ее использование только в СВЧ приборах с ЗС типа «спираль». Также стоит отметить, что свойства материала диэлектрической подложки должны быть равномерными по всей площади, для получения хорошего согласования (КСВН не более 1.35) в полосе частот от 8 до 18 ГГц. Это приводит к использованию дорогих импортных материалов, что затрудняет реализацию данной конструкции устройства согласования в промышленных масштабах.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является волноводный вывод энергии СВЧ прибора (прототип) [Авторское свидетельство СССР №321874, H01J 23/32, 1970]. Конструкция вывода энергии содержит трансформирующий отрезок, в котором размещены резонансные диафрагмы, выполняющие роль полосно-пропускающего фильтра. Этим обеспечивается согласование на рабочей частоте и подавление паразитных колебаний вне полосы пропускания.

Недостатком такого технического решения является невозможность обеспечения КСВН менее 2 в полосе пропускания более 3% из-за наличия короткозамкнутых шлейфов, подключенных к окнам резонансных диафрагм. А также применение данного вывода энергии в малогабаритных СВЧ-приборах затруднительно, поскольку технология сборки данной конструкции существенно сложная.

Техническим результатом является снижение КСВН до значений менее 1,7 в рабочей полосе частот 7,5% и 1,5 в полосе 5,5% при обеспечении возможности передачи СВЧ энергии высокого уровня мощности, упрощение конструкции волноводного вывода энергии и повышение надежности.

Технический результат достигается тем, что волноводный вывод СВЧ прибора содержит трансформирующий отрезок нерегулярного волновода, в котором расположен четвертьволновой шлейф. Со стороны СВЧ прибора отрезок нерегулярного волновода включает отрезок коаксиальной линии, подключенный к центральной части торцевой стенки волновода, при этом внутренний проводник коаксиальной линии соединен со свободным концом шлейфа, выполненного в виде металлической перемычки серповидной формы и короткозамкнутого с одной из широких стенок волновода на расстоянии L от свободного конца, при этом 0,3а≤ L≤0,5а, где а - ширина волновода со стороны СВЧ прибора.

Шлейф может быть соединен с внутренним проводником коаксиальной линии неразъемно.

Предлагаемая совокупность признаков решения позволяет осуществить постепенную трансформацию TEM-волны в волну H₁₀ прямоугольного волновода за счет более плавного изменения волнового сопротивления внутри отрезка нерегулярного волновода с применением коаксиальной линии описанного вывода энергии, и тем самым снизить уровень отраженной мощности до значений КВСН менее 1,7 в рабочей полосе частот 7,5% и 1,5 в полосе 5,5%. Кроме того, в качестве элемента связи выполнен шлейф серповидной формы, отсутствие ребер обеспечивает увеличенную электрическую прочность конструкции по сравнению с прототипом и повышает надежность прибора. Минимальный уровень КСВН при условии 0,3а≤L≤0,5а.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг.1 представлена конструкция волноводного вывода СВЧ прибора и ее поперечное сечение А-А, где:

- трансформирующий отрезок нерегулярного волновода 1,

- четвертьволновой шлейф 2,

- отрезок коаксиальной линии 3,

- торцевая стенка волновода 4,

- свободный конец шлейфа 5,

- широкая стенка волновода 6.

На фиг. 2 представлена частотная зависимость КСВН предлагаемого волноводного вывода СВЧ прибора (ЛБВ) со спиральной ЗС (а) и с планарной ЗС «меандр» на подвешенной подложке (б) в рабочей полосе.

Пример 1

Волноводный вывод СВЧ прибора заявленной конструкции был реализован в приборе с ЗС типа «скрещенная лестница» с выходной мощностью более 20 кВт с полосой рабочих частот 5%.

Трансформирующий отрезок нерегулярного волновода 1 с сечениями 23×10 мм, 22×8,4 мм, 21×8 мм, 18,2×8 мм и 15×5 мм. Внутри трансформирующего отрезка 1 расположен четвертьволновой шлейф 2, выполненный из меди толщиной 5 мм и закрепленный на широкой стенке волновода 6 на расстоянии L=7,5 мм от свободного конца 5. В поперечном сечении шлейф 2 имеет серповидную форму. Со стороны СВЧ прибора ширина волновода 1 а=15 мм. Отрезок коаксиальной линии 3, подключенный к центральной части торцевой стенки волновода 4, имеет сечение внутреннего медного проводника 5×1 мм. Свободный конец шлейфа 5 соединен с внутренним проводником коаксиальной линии 3 пайкой.

Волноводный вывод СВЧ прибора обеспечивает КСВН менее 1,5 в рабочей полосе частот 5,5%.

Предлагаемый волноводный вывод СВЧ прибора работает следующим образом:

Основная TEM-волна коаксиальной линии 3 возбуждает в волноводе 1 со стороны СВЧ прибора аналогичную волну TEM-типа, которая распространяется вдоль шлейфа 2 и трансформируется в основную волну H₁₀ прямоугольного волновода на выходе прибора. Шлейф 2, выполненный в виде металлической перемычки, выполняет роль трансформатора типов волн. Тем самым обеспечивается минимальный уровень отраженной мощности от стыка двух линий передачи: коаксиальной линии 3 и волновода 1.

Таким образом, заявлена простая конструкция волноводного вывода СВЧ прибора, которая обеспечивает передачу СВЧ энергии высокого уровня мощности с минимальным КСВН в широкой полосе частот по сравнению с прототипом. Конструкция вывода имеет повышенную надежность.

Изобретение относится к области конструирования СВЧ-приборов, в частности к конструированию выводов энергии СВЧ-приборов. Технический результат - снижение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) до значений менее 1,7 в рабочей полосе частот 7,5% и 1,5 в полосе 5,5% при обеспечении передачи СВЧ энергии высокого уровня мощности, упрощение конструкции волноводного вывода энергии и повышение ее надежности. Волноводный вывод энергии СВЧ прибора содержит трансформирующий отрезок нерегулярного волновода, в котором расположен четвертьволновой шлейф. Со стороны СВЧ прибора отрезок нерегулярного волновода включает отрезок коаксиальной линии, подключенный к центральной части торцевой стенки волновода. Внутренний проводник коаксиальной линии соединен со свободным концом шлейфа, выполненного в виде металлической перемычки серповидной формы и короткозамкнутого с одной из широких стенок волновода на расстоянии L от свободного конца, при этом 0,3а≤L≤0,5а, где а - ширина волновода со стороны СВЧ прибора. Свободный конец шлейфа может быть соединен с внутренним проводником коаксиальной линии неразъемно. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Волноводный вывод энергии СВЧ прибора, содержащий трансформирующий отрезок нерегулярного волновода, в котором расположен четвертьволновой шлейф, отличающийся тем, что со стороны СВЧ прибора отрезок нерегулярного волновода включает отрезок коаксиальной линии, подключенный к центральной части торцевой стенки волновода, при этом внутренний проводник коаксиальной линии соединен со свободным концом шлейфа, выполненного в виде металлической перемычки серповидной формы и короткозамкнутого с одной из широких стенок волновода на расстоянии L от свободного конца, при этом 0,3а≤ L≤0,5а, где а – ширина волновода со стороны СВЧ прибора.

2. Волноводный вывод энергии по п.1, отличающийся тем, что свободный конец шлейфа соединен с внутренним проводником коаксиальной линии неразъемно.