СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И НАСТРОЙКИ БАНОЧНОГО ОКНА ВВОДА/ВЫВОДА ЭНЕРГИИ СВЧ-ПРИБОРА Российский патент 2024 года по МПК H01P1/08 

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности, к способам изготовления волноводных узлов, использующих для передачи СВЧ энергии комбинацию двух распространяющихся типов волн ТЕ₁₁ и ТМ₁₁, и их настройку в рабочей полосе частот от паразитных резонансов.

В настоящее время при производстве электровакуумных и волноводных устройств СВЧ диапазона большое внимание уделяется оптимизации технологических процессов, позволяющих увеличить выход годных изделий. Эта задача решается, в том числе, и путем использования согласующих/настроечных элементов конструкции для достижения требуемых выходных параметров устройства.

Одной из причин потерь СВЧ энергии является наличие паразитных резонансов, которые могут быть обусловлены отрезком волновода, диэлектрической пластиной (далее - диэлектрический диск) окна баночного типа, согласующими и другими элементами вывода энергии СВЧ.

Из уровня техники известно большое количество способов изготовления и настройки окон вывода энергии СВЧ, сущность которых состоит в креплении диэлектрической пластины в круглом волноводе и устранение паразитных резонансов за счет изменения геометрии элементов вывода энергии. Однако все эти технические решения удовлетворяют традиционному баночному выводу СВЧ энергии, использующему один тип волны ТЕ₁₁ или ТМ₁₁ полого круглого волновода.

Например, известно техническое решение по патенту РФ №1723940 «Способ изготовления ввода/вывода энергии СВЧ-прибора с баночным окном» МПК H01J 23/30, опубл. 15.03.1994 г. (принят за прототип). Согласно этому способу выполняется последовательность действий, позволяющая подобрать размер проводящего элемента таким образом, чтобы при любом значении размеров элементов ввода/вывода энергии в пределах допустимых технологических размеров в пределах рабочей полосы прибора отсутствовали паразитные резонансы.

Недостатком прототипа является работа баночного окна вывода СВЧ энергии только на одном из типов волн ТЕ₁₁ или ТМ₁₁. Осуществить этим способом настройку баночного окна, у которого электрическое поле в диэлектрическом диске сформировано двумя типами волн: распространяющимся типом ТЕ₁₁ и затухающим типом ТМ₁₁ в круглом полом волноводе, невозможно, поскольку параметры диэлектрического диска и размеры баночного окна обеспечивают величину тангенциальной компоненты напряженности электрического поля на краю поверхности керамического диска (в области спая) в 1.5÷2 раза меньше по сравнению с традиционными баночными выводами энергии СВЧ, работающими на типе ТЕ₁₁. При этом резонансная частота волны типа ТМ₁₁ круглого волновода с керамическим диском располагается на 3.9% выше рабочей частоты.

Предложенное техническое решение направлено на устранение недостатков, имеющихся у прототипа.

Техническим результатом является возможность изготовления и настройки устройства на смешанной моде (ТЕ₁₁+ТМ₁₁) под требуемые электродинамические характеристики, повышение выхода годных вводов/выводов энергии СВЧ-прибора.

Технический результат достигается тем, что выполняется следующая последовательность действий для изготовления и настройки баночного окна ввода/вывода энергии СВЧ-прибора цилиндрической конструкции, содержащего отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого расположен диэлектрический диск, входной и выходной отрезки прямоугольных волноводов, присоединенные к нему с противоположных торцов, настроечные согласующие элементы на входе и выходе баночного окна, выполненные в виде усеченных конусов и индуктивных диафрагм, путем подбора размеров диэлектрического диска и настроечных элементов, сборки и пайки: рассчитывают с помощью численных методов моделирования толщину диэлектрического диска, размеры и положение настроечных согласующих элементов; осуществляют изготовление неразъемной части конструкции баночного окна в виде отрезка круглого волновода, в поперечной плоскости которого расположен диэлектрический диск; осуществляют изготовление разъемной (настроечной) части конструкции из прямоугольных волноводов и настроечных элементов; собирают все части в одно целое устройство; подключают собранное устройство к векторному анализатору цепи для снятия S-параметров; проводят сравнительный анализ результатов численного моделирования с экспериментальными данными; производят настройку устройства: изменяют положение индуктивных диафрагм (Ldiafragm), изменяют ширину индуктивных диафрагм (Adiafragm), изменяют высоту усеченных конусов (Hcone), а направления и величины изменения положения и ширины индуктивных диафрагм, а также высоты усеченных конусов определяют с помощью таблицы соответствующих коэффициентов чувствительности; проводят контроль параметров и окончательную сборку всех частей конструкции.

Сущность технического решения состоит в следующем.

Первоначально геометрию конструкции баночного окна ввода/вывода энергии рассчитывают строгими методами решения задач электродинамики. Параметры диэлектрического диска и размеры баночного окна определяются таким образом, чтобы величина тангенциальной компоненты напряженности электрического поля на краю поверхности диэлектрического диска (в области спая) была меньше в 1.5÷2 раза по сравнению с традиционными баночными выводами энергии СВЧ, работающими на типе ТЕ₁₁. При этом в центре поверхности диэлектрического диска тангенциальная компонента напряженности электрического поля остается неизменной. В этом случае резонансная частота волны типа TM₁₁ круглого волновода с диэлектрическим диском располагается на 3.9% выше рабочей частоты, что соответствует надежной работе узла.

Формирование компонент электромагнитного поля типов ТЕ₁₁, ТМ₁₁ в круглом полом волноводе с необходимой амплитудой и фазой осуществляется с помощью согласующих элементов: конусообразных выемок в виде усеченных конусов и индуктивных диафрагм. Изменение местоположения, ширины и высоты согласующих элементов позволяет осуществлять подстройку АЧХ баночного окна для компенсации отклонений размеров деталей и относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического диска, поскольку согласующие элементы размещены в разъемной части конструкции. Пределы варьирования параметров согласующих элементов выбраны достаточно большими, чтобы перекрывать все возможные технологические отклонения при его изготовлении.

Для оценки частотных свойств баночного окна в рабочей области при сравнении расчетных и экспериментальных данных используются центральная частота полосы пропускания ƒ_centr, а также частоты ƒ_low и ƒ_hi, соответствующие нижней и верхней границам полосы пропускания по уровню КСВН=1.1.

Изменение положения индуктивных диафрагм Ldiafragm значительно влияет на центральную частоту полосы согласования ƒ_centr и на модуль коэффициента отражения т.е. на фазовое и амплитудное условия согласования в рабочей полосе частот. При этом значительно изменяется ее нижняя граница (по уровню КСВН=1.1) ƒ_low, а верхняя - ƒ_hi практически не меняется. Такой характер изменения частотной характеристики в рабочей области объясняется тем, что положение индуктивных диафрагм определяет относительное расположение неоднородностей в баночном окне, от которых возникают отражения, формирующие частотную характеристику. Влияние на резонансную частоту ƒ_rez изменение положения индуктивных диафрагм практически не оказывает.

Изменение ширины индуктивных диафрагм Adiafragm значительно влияет на модуль коэффициента отражения (т.е. на амплитудное условие согласования рабочей полосы частот) и практически не меняет центральную частоту полосы согласования ƒ_centr. Также значительно изменяются нижняя ƒ_low и верхняя ƒ_hi границы рабочей полосы частот по уровню КСВН=1.1. Такой характер изменения частотной характеристики в рабочей области объясняется тем, что ширина индуктивных диафрагм определяет амплитуду отраженных от них волн, участвующих в формировании частотной характеристики баночного окна. Влияние на резонансную частоту ƒ_rez изменение ширины индуктивных диафрагм практически не оказывает.

Таким образом, в процессе настройки баночного окна изменение положения индуктивных диафрагм позволяет компенсировать возникшие по каким-либо причинам отклонения центральной частоты полосы согласования ƒ_centr. Затем изменением ширины диафрагм подбирается заданный уровень коэффициента отражения входа на частоте ƒ_centr и, соответственно, обеспечивается требуемый вид частотной характеристики.

В баночном окне на смешанной моде (ТЕ₁₁+ТМ₁₁) электрическое поле с максимальной амплитудой располагается в области конусообразных выемок в виде усеченных конусов, являющихся эффективными трансформаторами типа волны ТЕ₁₀ прямоугольного волновода в рабочие типы волн круглого волновода. Соответственно, изменение высоты усеченных конусов Hcone значительно влияет на модуль коэффициента отражения (т.е. на амплитудное условие согласования рабочей полосы частот) и практически не меняет центральную частоту полосы согласования ƒ_centr. Также значительно изменяются нижняя ƒ_low и верхняя ƒ_hi границы рабочей полосы частот по уровню КСВН=1.1. Такой характер влияния на частотную характеристику в рабочей области аналогичен влиянию ширины индуктивных диафрагм и объясняется тем, что высота согласующих конусообразных выемок также определяет амплитуду отраженных от них волн, участвующих в формировании частотной характеристики баночного окна. Влияние на резонансную частоту ƒ_rez изменение высоты согласующих конусообразных выемок (также как и ширины индуктивных диафрагм) практически не оказывает.

Следовательно, в процессе настройки баночного окна путем изменения параметров согласующих элементов возможно компенсировать отклонения частотной характеристики в его рабочей полосе, связанные с технологическими отклонениями поперечных размеров входного/выходного прямоугольных волноводов и относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического диска. При этом направления и величины изменения согласующих элементов определяются с помощью коэффициентов чувствительности.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлены продольное сечение конструкции баночного окна на смешанной моде и поперечное сечение ее индуктивной диафрагмы, где

1 - отрезок круглого волновода,

2 - диэлектрический диск,

3 - входной и выходной отрезки прямоугольных волноводов,

4 - конусообразные выемки в виде усеченных конусов,

5 - индуктивные диафрагмы,

6 - неразъемная часть конструкции,

7 - разъемная часть конструкции.

На фиг. 2 приведены графики модуля коэффициента отражения и КСВН баночного окна в рабочей области частот при различных положениях индуктивных диафрагм Ldiafragm (а) и их ширине Adiafragm (б), а также высотах усеченных конусов Hcone (в), где маркер m1 указывает на центральную частоту полосы согласования ƒ_centr, маркеры m2 и m3 определяют 1% полосу частот симметрично относительно рабочей частоты, маркеры m4 и m5 определяют полосу частот по уровню КСВН≤1.1, а маркер m6 указывает на резонансную частоту ƒ_rez круглого волновода с керамическим диском на типе ТМ₁₁.

На фиг. 3 представлена таблица соответствующих коэффициентов чувствительности для определения направления и величины изменения положения и ширины индуктивных диафрагм, а также высоты усеченных конусов.

Пример реализации. В результате решения задачи электродинамики баночного окна на смешанной моде строгими численными методами центральная частота ƒ_centr равна 2.856 ГГц, нижняя ƒ_low=2.812 ГГц и верхняя ƒ_hi=2.901 ГГц границы рабочей полосы, модуль коэффициента отражения на центральной частоте составил и КСВН=1.0104.

Для достижения данных электродинамических параметров размеры неразъемной части конструкции имеют радиус отрезка круглого волновода - 51.5 мм, длина отрезка круглого волновода перед диэлектрическим диском - 66 мм, толщина диэлектрического диска с относительной диэлектрической проницаемостью 9.3 и тангенсом угла потерь tanδ=0.0006 составляет 13.1 мм.

Геометрия разъемной части соответственно имеет следующие размеры: ширина и высота входного/выходного прямоугольных волноводов - 90×45 мм, высота усеченных конусов - 10 мм, толщина согласующих настроечных индуктивных диафрагм - 3 мм, ширина согласующих настроечных индуктивных диафрагм - 59.48 мм, расстояние от согласующих настроечных индуктивных диафрагм до отрезка круглого волновода - 35.05 мм.

Баночное окно было изготовлено из меди, а диэлектрический диск из керамики ВК94-1 с относительной диэлектрической проницаемостью 9.4, тангенсом угла потерь tanδ=0.0006. Диэлектрический диск был вакуумноплотно соединен со стенками отрезка круглого волновода с помощью пайки припоем ПЗлМ35В.

Собранное устройство подключили к векторному анализатору цепей для определения коэффициента отражения КСВН, центральной частоты ƒ_centr, нижней ƒ_low и верхней ƒ_hi границ рабочей полосы. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных показал, что изменение относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического диска значительно повлияло на фазовое и амплитудное условия согласования в рабочей полосе частот. При этом центральная частота стала ƒ_centr=2.894 ГГц, модуль коэффициента отражения на центральной частоте КСВН=1.0454, ƒ_low=2.803 ГГц, а верхняя - ƒ_hi мало изменилась 2.9008 ГГц.

Компенсировать изменение экспериментально полученных электродинамических параметров баночного окна в 3% полосе рабочих частот к расчетному виду возможно несколькими путями:

1) уменьшение расстояния от согласующих настроечных индуктивных диафрагм до отрезка круглого волновода до Ldiafragm = 34.689 мм;

2) увеличение ширины согласующих настроечных индуктивных диафрагм до Adiafragm = 59.81 мм;

3) уменьшение высоты усеченных конусов до Hcone = 9.914 мм.

В каждом случае подстройка АЧХ баночного окна производится согласующим элементом, который проще изменить. Однако не исключается вариант согласования баночного окна за счет всех имеющихся согласующих элементов конструкции.

Допустим, для компенсации отклонений частотной характеристики устройства, связанных с технологическими отклонениями поперечных размеров прямоугольных волноводов, а также конусообразных выемок в виде усеченных конусов, выбор делают в пользу согласующих индуктивных диафрагм. Изменяя их положение и ширину, настраивают баночное окно в частотном диапазоне. При этом, частота резонансного пика не изменится, а значит, будет обеспечена надежная работа устройства.

При отклонении коэффициента отражения, а, следовательно, и КСВН, связанных с отклонениями расчетной величины относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического диска от полученной при изготовлении материала, наиболее эффективным способом настройки будет изменение высоты усеченных конусов, поскольку этот элемент конструкции определяет амплитуду отраженных от них волн, участвующих в формировании АЧХ баночного окна.

Процесс настройки баночного окна на смешанной моде осуществляется с помощью векторного анализатора цепей до получения необходимых электродинамических параметров устройства.

Далее производится пайка припоем ПСр72 входного/выходного прямоугольных волноводов, усеченных конусов, индуктивных диафрагм и неразъемной части конструкции баночного окна.

Данная последовательность действий по изготовлению и настройке баночного окна вывода энергии СВЧ в 3%-й рабочей полосе частот позволяет увеличить выход годных изделий в 4 раза.

Изобретение относится к технике СВЧ. Способ изготовления и настройки баночного окна ввода или вывода энергии СВЧ-прибора цилиндрической конструкции заключается в размещении в отрезке круглого волновода диэлектрического диска, соединении круглого волновода с отрезками волноводов для ввода и вывода сигнала, выполнении настроечных согласующих элементов в виде усеченных конусов и индуктивных диафрагм. Затем подбирают размеры диэлектрического диска и настроечных элементов, выполняют сборку и пайку, рассчитывают с помощью численных методов моделирования толщину диэлектрического диска, размеры и положение настроечных согласующих элементов; осуществляют изготовление неразъемной части конструкции баночного окна в виде отрезка круглого волновода, в поперечной плоскости которого расположен диэлектрический диск; осуществляют изготовление разъемной части конструкции из прямоугольных волноводов и настроечных элементов; собирают все части в одно целое устройство; подключают собранное устройство к векторному анализатору цепи для снятия S-параметров; проводят сравнительный анализ результатов численного моделирования с экспериментальными данными; производят настройку устройства, проводят контроль параметров и окончательную сборку всех частей конструкции. Технический результат - возможность изготовления и настройки устройства на смешанной моде (TE₁₁+TM₁₁) под требуемые электродинамические характеристики, повышение выхода годных вводов/выводов энергии СВЧ-прибора. 2 ил.

Способ изготовления и настройки баночного окна ввода или вывода энергии СВЧ-прибора цилиндрической конструкции, содержащего отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого расположен диэлектрический диск, входной и выходной отрезки прямоугольных волноводов, присоединенные к нему с противоположных торцов, настроечные согласующие элементы на входе и выходе баночного окна, выполненные в виде усеченных конусов и индуктивных диафрагм, путем подбора размеров диэлектрического диска и настроечных элементов, сборки и пайки, отличающийся тем, что рассчитывают с помощью численных методов моделирования толщину диэлектрического диска, размеры и положение настроечных согласующих элементов; осуществляют изготовление неразъёмной части конструкции баночного окна в виде отрезка круглого волновода, в поперечной плоскости которого расположен диэлектрический диск; осуществляют изготовление разъёмной части конструкции из прямоугольных волноводов и настроечных элементов; собирают все части в одно целое устройство; подключают собранное устройство к векторному анализатору цепи для снятия S-параметров; проводят сравнительный анализ результатов численного моделирования с экспериментальными данными; производят настройку устройства: изменяют положение индуктивных диафрагм, изменяют ширину индуктивных диафрагм, изменяют высоту усеченных конусов, а направления и величины изменения положения и ширины индуктивных диафрагм, а также высоты усеченных конусов определяют с помощью таблицы соответствующих коэффициентов чувствительности; проводят контроль параметров и окончательную сборку всех частей конструкции.